唐欣之,于映
(南京郵電大學(xué),江蘇南京,210046)
在日常生活中,物體的表面通常是不規(guī)則的,形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜,柔性天線已經(jīng)成人們研究的主要目標(biāo)了,但是在日益發(fā)展的柔性電子產(chǎn)品中,天線的柔性彎曲等性能已經(jīng)無(wú)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(biāo),與構(gòu)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(dòng)設(shè)備,在柔性顯示[1],結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]和智能手術(shù)手套[3]等領(lǐng)域的應(yīng)用需求越來(lái)越大,因此需要設(shè)計(jì)出在拉伸后還能保持原性能的天線。
目前可以實(shí)現(xiàn)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(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚四氟乙烯(PTF)等。[4]PDMS 相對(duì)于其他柔性材料還有一個(gè)比較明顯的優(yōu)點(diǎn),就是PDMS 具有一定的可拉伸性能,能承受更大的機(jī)械形變。文獻(xiàn)[5]采用柔性PDMS 材料和覆銅聚酰亞胺復(fù)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(xué)仿真中形變的7.9%即6mm 左右,其應(yīng)力不會(huì)使柔性天線輻射體發(fā)生彈塑性轉(zhuǎn)變,具有可靠的機(jī)械拉伸性。液態(tài)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(tài)金屬能夠適應(yīng)幾乎任何機(jī)械變形,并在大變形范圍內(nèi)保持電氣連接。文獻(xiàn)[6]介紹了一種高效的可伸縮非平衡環(huán)天線,該天線精度較高,制作過(guò)程復(fù)雜,它是在PDMS 的微結(jié)構(gòu)通道中加入室溫液態(tài)金屬合金來(lái)實(shí)現(xiàn)的通過(guò)機(jī)械測(cè)試,該天線可拉伸40%時(shí)候工作頻點(diǎn)從2.43GHz 變化到1.97GHz。文獻(xiàn)[7]提出一種采用軟光刻技術(shù)制備天線的微帶貼片天線,在PDMS 的拉伸極限內(nèi),通過(guò)對(duì)微帶天線進(jìn)行軸向拉伸,隨著長(zhǎng)度的增加,諧振頻率逐漸降低,在4~6GHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了頻率可重構(gòu)。
本文主要目的研究柔性天線在經(jīng)歷各種大形變拉伸、彎曲下天線還能保持原穩(wěn)定的工作狀態(tài),通過(guò)仿真和測(cè)試兩款可拉伸天線都能在30%的拉伸形變內(nèi)保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。
本文設(shè)計(jì)了兩款單極子天線,由于單極子天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(zhǎng)度是偶極子天線長(zhǎng)度的一半 ,單極子天線長(zhǎng)度為1/4 波長(zhǎng)。根據(jù)論文[8]提出的半波偶極子天線諧振頻率和天線長(zhǎng)度之間的關(guān)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(zhǎng)度,單位為m;ε eff為有效相對(duì)介電常數(shù)。傳統(tǒng)的單極子天線多為直線型結(jié)構(gòu),這種形結(jié)構(gòu)并不具備較好的拉伸能力,并且在受拉伸應(yīng)力作用過(guò)程中,它們的諧振頻率隨拉伸應(yīng)力的增加一直單調(diào)下降,不能夠保持穩(wěn)定。因此矩形、折線形、彎折結(jié)構(gòu)被人廣泛研究,本文第一款單極子天線采取蛇形結(jié)構(gòu)如圖1,天線能夠承受較大拉伸并在拉伸過(guò)程中保持天線尺寸基本不變。采用有限積分技術(shù)的全波仿真軟件ANSYS HFSS 對(duì)該天線進(jìn)行設(shè)計(jì)和參數(shù)化分析?;撞捎眯滦腿嵝圆牧螾DMS,PDMS 的相對(duì)介電常數(shù)rε=2.8,介電損耗角正切tan δ=0.04。該柔性天線的介質(zhì)基板為30mm*30mm,厚度為0.4mm。采用了共面波導(dǎo)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(tài)金屬材料。天線參數(shù)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(jié)構(gòu)示意圖
第二款天線原為圓形單極子天線,由于階梯形結(jié)構(gòu)可以增加帶寬,于是將地結(jié)構(gòu)和圓形下半周改為階梯形結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上具有良好的連續(xù)性,就能解決因?qū)щ娡◣е械南蛏蠈?dǎo)行波突然轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂煽臻g波造成的非連續(xù)性從而引起阻抗失配問(wèn)題。由于寬帶天線帶寬較大,天線在拉伸過(guò)程中能保持工作帶寬相對(duì)穩(wěn)定。最后通過(guò)ANSYS HFSS 中仿真優(yōu)化,該天線如圖2,工作頻率為4.7GHz-10.6GHz,天線結(jié)構(gòu)最終如下。天線參數(shù):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(jié)構(gòu)示意圖
蛇形單極子天線工作帶寬為:3.88GHz-4.65GHz和6.55GHz-7.50GHz。將設(shè)計(jì)好的天線結(jié)構(gòu)導(dǎo)入到ANSYS workbench 中,將天線基底的饋電端一側(cè)垂直平面固置,另一端平面施加水平位移載荷,天線發(fā)生10%、20%、30%的拉伸形變?nèi)缦聢D所示。將形變后的天線重新建模導(dǎo)入到ANSYS HFSS 中進(jìn)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(wěn)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(jīng)過(guò)10%、20%、30%的拉伸形變?nèi)缦聢D所示。天線在經(jīng)過(guò)拉伸后帶寬減小,最高的工作頻率一直保持在工作帶寬內(nèi)并最低工作頻點(diǎn)略有減小,仿真天線在拉伸30%的情況下還能繼續(xù)保持原4.69GHz-6.2GHz 的工作帶寬。
圖4 寬帶天線的形變和仿真
天線制作需要考慮到基底和導(dǎo)電材料,柔性基板使用聚二甲基硅氧烷(PDMS),導(dǎo)電材料使用液態(tài)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(zhì)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(jī)中,對(duì)溶液進(jìn)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(yǎng)皿中,并放在勻膠機(jī)中旋涂均勻后,放在加熱板上進(jìn)行加熱使其固化。加熱板溫度設(shè)為 90℃,加熱時(shí)間5 分鐘。
(3)根據(jù)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(tài)金屬導(dǎo)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(shí)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(tài)金屬和固定SMA 接頭,并加熱使其固化。
用Agilent N5224A 型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)所制作的兩款單極子天線進(jìn)行測(cè)試和比較,為了測(cè)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(cè)試其在不同拉伸程度下的工作性能,該夾具基本不會(huì)對(duì)測(cè)試天線的性能產(chǎn)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(guò)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(cè)試,圖7為寬帶天線拉伸測(cè)試。
圖6 蛇形單極子天線拉伸測(cè)試
圖7 寬帶天線拉伸測(cè)試
由于PDMS 厚度較薄,在拉伸30%以內(nèi),對(duì)PDMS 薄膜基本沒(méi)影響,所以只測(cè)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(shí)工作帶寬為5.45GHz-8.6GHz,天線在逐漸拉伸至30%時(shí),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(diǎn)在拉伸過(guò)程中基本保持穩(wěn)定,該天線在拉伸的過(guò)程中始終保持良好的工作性能。另一款寬帶天線未拉伸時(shí)工作帶寬為5.45GHz-10GHz,天線在10%-30%拉伸的過(guò)程中,天線的最低工作頻點(diǎn)先增大后減小基本保持穩(wěn)定0.1G-0.2G 偏移,工作帶寬基本保持穩(wěn)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(cè)試結(jié)果
圖9 寬帶天線拉伸測(cè)試結(jié)果
天線仿真結(jié)果和實(shí)際測(cè)試具有一定誤差,分析原因可能因?yàn)樘炀€仿真時(shí)并未封裝一層液態(tài)金屬避免泄露和天線拉伸不完全匹配導(dǎo)致。
本文設(shè)計(jì)的兩款單極子天線都能承受一定的拉伸,拉伸過(guò)程的實(shí)測(cè)與三維電磁場(chǎng)仿真軟件(HFSS)仿真結(jié)果存在一定誤差,可能由于制作過(guò)程和拉伸不完全匹配導(dǎo)致。但天線的制作工藝方便、快捷,并且制作天線的實(shí)物在一定的拉伸過(guò)程中性能基本保持穩(wěn)定,工作帶寬變化較小,依然可以保持穩(wěn)定的工作,可用于可穿戴系統(tǒng)中。