基于PDMS 的柔性可拉伸天線的仿真與測試

唐欣之，于映

(南京郵電大學，江蘇南京，210046)

0 引言

在日常生活中，物體的表面通常是不規則的，形狀結構復雜，柔性天線已經成人們研究的主要目標了，但是在日益發展的柔性電子產品中，天線的柔性彎曲等性能已經無法滿足人們的需求了，可拉伸、折疊和扭曲的天線逐漸成為人們研究主要目標，與構建在不可拉伸聚合物或紙張基材上的柔性天線相比，可拉伸天線可以覆蓋幾乎任意曲面和可移動設備，在柔性顯示[1]，結構健康監測系統[2]和智能手術手套[3]等領域的應用需求越來越大，因此需要設計出在拉伸后還能保持原性能的天線。

目前可以實現柔性特征的材料有很多，例如：聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚酰亞胺（PI）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚四氟乙烯（PTF）等。[4]PDMS 相對于其他柔性材料還有一個比較明顯的優點，就是PDMS 具有一定的可拉伸性能，能承受更大的機械形變。文獻[5]采用柔性PDMS 材料和覆銅聚酰亞胺復合板制作了一種低阻抗柔性阿基米德等角螺旋天線，將天線拉伸至力學仿真中形變的7.9%即6mm 左右，其應力不會使柔性天線輻射體發生彈塑性轉變，具有可靠的機械拉伸性。液態金屬，如共晶鎵銦合金（EGaIn），由于其固有的可拉伸性，是另一種有吸引力的材料選擇。由于液態金屬能夠適應幾乎任何機械變形，并在大變形范圍內保持電氣連接。文獻[6]介紹了一種高效的可伸縮非平衡環天線,該天線精度較高，制作過程復雜,它是在PDMS 的微結構通道中加入室溫液態金屬合金來實現的通過機械測試，該天線可拉伸40%時候工作頻點從2.43GHz 變化到1.97GHz。文獻[7]提出一種采用軟光刻技術制備天線的微帶貼片天線,在PDMS 的拉伸極限內,通過對微帶天線進行軸向拉伸,隨著長度的增加,諧振頻率逐漸降低,在4～6GHz范圍內實現了頻率可重構。

本文主要目的研究柔性天線在經歷各種大形變拉伸、彎曲下天線還能保持原穩定的工作狀態，通過仿真和測試兩款可拉伸天線都能在30%的拉伸形變內保持穩定的工作狀態。

1 單極子天線設計與分析

本文設計了兩款單極子天線，由于單極子天線結構簡單，所以被人們廣泛用于研究柔性可拉伸天線中。單極子天線長度是偶極子天線長度的一半 ，單極子天線長度為1/4 波長。根據論文[8]提出的半波偶極子天線諧振頻率和天線長度之間的關系：

其中，f為半波偶極子天線諧振頻率，單位為 MHz；l 為半波偶極子天線長度，單位為m；ε eff為有效相對介電常數。傳統的單極子天線多為直線型結構，這種形結構并不具備較好的拉伸能力，并且在受拉伸應力作用過程中，它們的諧振頻率隨拉伸應力的增加一直單調下降，不能夠保持穩定。因此矩形、折線形、彎折結構被人廣泛研究，本文第一款單極子天線采取蛇形結構如圖1，天線能夠承受較大拉伸并在拉伸過程中保持天線尺寸基本不變。采用有限積分技術的全波仿真軟件ANSYS HFSS 對該天線進行設計和參數化分析。基底采用新型柔性材料PDMS，PDMS 的相對介電常數rε=2.8，介電損耗角正切tan δ=0.04。該柔性天線的介質基板為30mm*30mm，厚度為0.4mm。采用了共面波導的饋電方式，接地面與輻射貼片在同一層以便于更好的封裝液態金屬材料。天線參數為：d=30,a=1,b=1,L2=11,L3=10,L1=11,c=1,W=4,g=0.5。

圖1 蛇形單極子天線結構示意圖

第二款天線原為圓形單極子天線，由于階梯形結構可以增加帶寬，于是將地結構和圓形下半周改為階梯形結構為增加帶寬，為了能使天線的阻抗匹配更良好，在論文[9]中，貼片與饋電微帶線的集成部分在結構上具有良好的連續性，就能解決因導電通帶中的向上導行波突然轉變為自由空間波造成的非連續性從而引起阻抗失配問題。由于寬帶天線帶寬較大，天線在拉伸過程中能保持工作帶寬相對穩定。最后通過ANSYS HFSS 中仿真優化，該天線如圖2，工作頻率為4.7GHz-10.6GHz，天線結構最終如下。天線參數：r=7.5,a1=1,b1=1,a2=2,b2=2,l4=2,l3=5,l2=1,w1=7,w4=2,w3=1,w2=2,l1=11,g=0.5。

圖2 寬帶天線結構示意圖

2 天線拉伸仿真

蛇形單極子天線工作帶寬為：3.88GHz-4.65GHz和6.55GHz-7.50GHz。將設計好的天線結構導入到ANSYS workbench 中，將天線基底的饋電端一側垂直平面固置，另一端平面施加水平位移載荷，天線發生10%、20%、30%的拉伸形變如下圖所示。將形變后的天線重新建模導入到ANSYS HFSS 中進行仿真，研究天線在拉伸情況下工作帶寬的變化。天線在拉伸10%-30%后形變情況和仿真情況如圖3 所示，天線為3.88GHz-4.65GHz的工作帶寬減小為4.13GHz-4.63GHz 并基本保持穩定，天線工作帶寬6.55GHz-7.50GHz 在拉伸10%-30%的情況下增大為6.33GHz-7.73GHz，6.03GHz-7.78GHz，5.85GHz-8.00GHz，該天線結構能在拉伸情況下保持良好工作性能。

圖3 蛇形單極子天線的形變和仿真

同樣的寬帶天線也進行拉伸形變和仿真如圖4 所示，寬帶天線工作帶寬為4.69GHz-10.58GHz，在經過10%、20%、30%的拉伸形變如下圖所示。天線在經過拉伸后帶寬減小，最高的工作頻率一直保持在工作帶寬內并最低工作頻點略有減小，仿真天線在拉伸30%的情況下還能繼續保持原4.69GHz-6.2GHz 的工作帶寬。

圖4 寬帶天線的形變和仿真

3 天線的制作和測試

3.1 天線的制作步驟

天線制作需要考慮到基底和導電材料，柔性基板使用聚二甲基硅氧烷（PDMS），導電材料使用液態金屬(鎵銦合金8：2，EGaIn[1,2])。天線制作步驟具體如下：

（1）將PDMS 與固化劑按質量比 10:1 的比例混合并用玻璃棒攪拌均勻后，放入超聲波清洗機中，對溶液進行超聲處理，去除溶液中的氣泡。

（2）將PDMS 溶液澆注到玻璃培養皿中，并放在勻膠機中旋涂均勻后，放在加熱板上進行加熱使其固化。加熱板溫度設為 90℃，加熱時間5 分鐘。

（3）根據天線圖案，定制出與天線圖案同等大小的掩模版。

（4）將定制好的掩模版固定在固化好的PDMS 上，然后涂覆一層液態金屬導電材料，取下掩模版形成天線圖案，天線圖形如圖5。

圖5 未封裝天線實物圖

（5）天線饋電端口嵌入SMA 接頭，并用玻璃棒涂覆一層未固化的PDMS 封裝液態金屬和固定SMA 接頭，并加熱使其固化。

3.2 天線的拉伸測試

用Agilent N5224A 型矢量網絡分析儀對所制作的兩款單極子天線進行測試和比較，為了測試兩款柔性可拉伸單極子天線的拉伸性能，將天線安裝在亞克力材料的拉伸夾上分別測試其在不同拉伸程度下的工作性能，該夾具基本不會對測試天線的性能產生影響。由于夾具固定端的影響，天線可拉伸部分約為18mm，在拉伸過程中天線最大可拉伸至25mm左右，最大拉伸為33%，圖6 為蛇形單極子天線拉伸測試，圖7為寬帶天線拉伸測試。

圖6 蛇形單極子天線拉伸測試

圖7 寬帶天線拉伸測試

由于PDMS 厚度較薄，在拉伸30%以內，對PDMS 薄膜基本沒影響，所以只測量了兩款天線在被拉伸10%、20%、30%下的S11 如圖8、圖9 所示，第一款蛇形天線未拉伸時工作帶寬為5.45GHz-8.6GHz，天線在逐漸拉伸至30%時，天線工作帶寬增至4.7GHz-8.5GHz，工作天線6.2GHz 和7.65GHz 諧振頻點在拉伸過程中基本保持穩定，該天線在拉伸的過程中始終保持良好的工作性能。另一款寬帶天線未拉伸時工作帶寬為5.45GHz-10GHz，天線在10%-30%拉伸的過程中，天線的最低工作頻點先增大后減小基本保持穩定0.1G-0.2G 偏移，工作帶寬基本保持穩定，但其回波損耗存在一定程度上的增加，但其增加的幅度并不大且其值始終都保持小于-15dB。

圖8 蛇形單極子天線拉伸測試結果

圖9 寬帶天線拉伸測試結果

天線仿真結果和實際測試具有一定誤差，分析原因可能因為天線仿真時并未封裝一層液態金屬避免泄露和天線拉伸不完全匹配導致。

4 結論

本文設計的兩款單極子天線都能承受一定的拉伸，拉伸過程的實測與三維電磁場仿真軟件(HFSS)仿真結果存在一定誤差，可能由于制作過程和拉伸不完全匹配導致。但天線的制作工藝方便、快捷，并且制作天線的實物在一定的拉伸過程中性能基本保持穩定，工作帶寬變化較小，依然可以保持穩定的工作，可用于可穿戴系統中。