基于噴墨打印的柔性貼片天線設(shè)計(jì)應(yīng)用*

王龍飛 ，郭銅民，Baljit Singh

(1.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 陜西 西安 710300; 2.馬來西亞瑪拉工藝大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 馬來西亞 莎阿南 40170; 3.陜西工商職業(yè)學(xué)院 中德機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710061)

0 引 言

柔性電子技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，包括醫(yī)療設(shè)備、可穿戴電子設(shè)備、通信設(shè)備、汽車和航空航天傳感器等。目前柔性電子關(guān)鍵的制備技術(shù)包括：光刻技術(shù)、軟刻蝕技術(shù)、噴墨打印技術(shù)和卷對卷印刷技術(shù)等，柔性電子關(guān)鍵制備技術(shù)在成本效率、快速成型和定制方面具有天然優(yōu)勢。其中的噴墨打印技術(shù)是一種無掩模、節(jié)省材料和完全添加的技術(shù)，它允許多種導(dǎo)電油墨沉積在廣泛的柔性基材上。

基于噴墨打印的貼片天線可折疊、可彎曲、能適應(yīng)多種復(fù)雜工作表面。科研人員設(shè)計(jì)出了一種X波段寬帶高效堆疊微帶貼片天線[1]，可應(yīng)用于合成孔徑雷達(dá)中，通過降低天線的介質(zhì)損耗和有效介電常數(shù),提升天線的帶寬和效率。楊慧春等[2]在FR4介質(zhì)基板上設(shè)計(jì)了微型貼片天線，添加加載單元，設(shè)計(jì)U形輻射結(jié)構(gòu)，有效提升貼片天線的輻射特性。

柔性電子器件/組件在使用過程中，為符合底層結(jié)構(gòu)，其經(jīng)常被拉伸、彎曲、折疊或扭曲。在這種變形的情況下, 筆者重點(diǎn)對噴墨打印的柔性貼片天線[3]的機(jī)電特性進(jìn)行研究，基于ABAQUS有限元分析軟件，通過分析其在外部載荷條件下的工作穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)和制造出符合生產(chǎn)及使用要求的高性能柔性電子元件，對柔性貼片天線的實(shí)際應(yīng)用具有非常重要的指導(dǎo)意義。

1 貼片天線試樣設(shè)計(jì)與制造

柔性貼片天線模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，最下面為銅層，模擬工作載體。在銅層上面使用PVAL(No.7302)液體膠水粘接聚氯乙烯(PVC)基板層，起到應(yīng)變隔絕的作用。在PVC基板層上面粘接硅膠層，建立有源器件銀層的可拉伸基礎(chǔ)，防止銀層開裂，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。使用PCB3310銀漿，噴墨打印過程沿著垂直方向和水平方向交替進(jìn)行，以保證銀漿打印的均勻性，每道工序完成之后，均在加熱臺上加熱烘干30 min，完成貼片天線和饋線的噴墨打印全過程。

圖1 貼片天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 圖2 貼片天線樣品及幾何尺寸

貼片天線設(shè)計(jì)尺寸為50×60 mm，饋線的長度為10 mm，天線樣品與幾何尺寸參數(shù)如圖2所示。底部銅層厚度為0.1 mm，粘有硅膠層的PVC層厚度為0.3 mm，硅膠層的厚度為0.1 mm，最上部的銀墨層厚度為1 mm。測量貼片天線在不同彎曲曲率下的電阻，如圖3所示，電阻數(shù)值測量值如表1所列，從表1得知電阻變化較小，滿足并實(shí)現(xiàn)了柔性噴墨打印的可彎曲性與良好的延展性。

圖3 貼片天線不同曲率下電阻測量圖

表1 不同曲率條件下貼片電線電阻測量值

2 貼片天線機(jī)械特性分析

2.1 PVC層厚度對固有頻率和振型的影響

在ABAQUS有限元分析軟件中，建立貼片天線模型，模型各層參數(shù)如表2所列[3]。對模型施加一邊固定，一邊自由振動的邊界條件，觀察試件中間層PVC板厚度對整個結(jié)構(gòu)頻率和振型的影響。為了保證模型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，銀層及其他層的網(wǎng)格大小均為0.3 mm。

表2 貼片天線各層材料參數(shù)

PVC層厚度對于模型結(jié)構(gòu)固有頻率[4-5]的影響，如圖4所示。PVC層取不同的厚度，包括：0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8和2.1七個厚度，從圖4觀察得知，貼片天線的各階固有頻率的大小隨著PVC層厚度的增加而增大，模態(tài)越小，固有頻率越接近，隨著模態(tài)的增加，固有頻率呈現(xiàn)線性增加趨勢。同一模態(tài)下，隨著中間PVC層厚度的增加，結(jié)構(gòu)的固有頻率也會增加，如表3所列。

圖4 貼片天線不同PVC層厚度下前5階模態(tài)頻率

表3 不同PVC層厚度下格模態(tài)對應(yīng)固有頻率

通過仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著PVC層厚度的增加，1～5階振型圖無變化，但位移U大小有變化，現(xiàn)分析結(jié)構(gòu)前5階模態(tài)的振型圖變化情況，取0.3 mm 模型進(jìn)行分析。如圖5所示。觀察圖5得知：1階模態(tài)圖變形較小，模型結(jié)構(gòu)無明顯變化；2階模態(tài)結(jié)構(gòu)上方有彎曲，下方變化較小；3階模態(tài)結(jié)構(gòu)下方有彎曲，上方變化較小；4階模態(tài)結(jié)構(gòu)上下均有外凸彎曲；5階模態(tài)成S型彎曲且最下方成水平彎曲。

圖5 0.3 μm PVC厚度模型前5階振型

2.2 貼片天線諧響應(yīng)分析

PVC層最開始的設(shè)計(jì)厚度為0.3 mm，故選擇表3第一行數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)[6-7]分析，輸入開始頻率0，終點(diǎn)頻率124 153，模型上端固定，下端中間位置施加1 000 N的集中力，得到結(jié)構(gòu)的最終諧響應(yīng)分析結(jié)果，如圖6所示。從圖6觀察可知，饋線與銀層接觸處位移變化較大，故選擇第一個觀察點(diǎn)a，再選擇接近中心區(qū)域的第二個觀察點(diǎn)b，以及位于a、b直線上的第三個觀察點(diǎn)c。

圖6 貼片天線諧響應(yīng)分析圖 圖7 貼片天線位移響應(yīng)幅頻曲線

分析頻率與位移XYdata數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，位于0～124 153 Hz范圍內(nèi)的283個觀測點(diǎn)中，前130觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)變化較為明顯，后153個觀測點(diǎn)頻率位移響應(yīng)較小，模型結(jié)構(gòu)在前130觀測點(diǎn)范圍內(nèi)，有位移響應(yīng)最大值。提取前a、b、c三點(diǎn)前130個觀測點(diǎn)對應(yīng)位移數(shù)值，頻率0～1 200 Hz，得到a、b、c三點(diǎn)在不同頻率下的位移響應(yīng)，如圖7所示。

分析a、b、c三點(diǎn)頻率位移曲線圖，觀察得知，模型結(jié)構(gòu)在480 Hz頻率位置處有位移最大值，a點(diǎn)位移值約為4.3 mm，b、c兩點(diǎn)位移變化較為接近，約為3 mm，因此貼片天線在使用過程中，應(yīng)避免此頻率區(qū)間。

3 結(jié) 語

文中以噴墨打印的柔性貼片天線為研究對象，測量其在不同彎曲曲率條件下的電阻，分析PVC厚度對結(jié)構(gòu)固有頻率和振型的影響，研究結(jié)構(gòu)在1 000 N集中力作用下的諧響應(yīng)。結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)具有良好的可彎曲性；隨著中間層厚度的增加，結(jié)構(gòu)的固有頻率增加而模態(tài)形狀不變；在1 000 N外力作用下，480 Hz頻率處有最大位移變化量。該研究可為貼片天線的實(shí)際應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)作用，隨著柔性電子生產(chǎn)技術(shù)的提高，貼片天線將有著更加廣闊的應(yīng)用前景。