一种基于表面改性和原位自金属化技术的柔性双陷波超宽带天线

2019-03-12陈庆月王志亮瞿慧雯

现代电子技术 2019年5期

关键词：金属化陷波聚酰亚胺

陈庆月王志亮瞿慧雯

关键词：表面改性; 原位自金属化; 聚酰亚胺; 超宽带; 双陷波; 柔性; WiMAX; WLAN

中图分类号： TN805?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2019）05?0015?04

A flexible dual band?notched UWB antenna based on surface modification

and in situ self?metallization technique

CHEN Qingyue， WANG Zhiliang， QU Huiwen

（College of Electronic Information， Nantong University， Nantong 226019， China）

Abstract： A flexible dual band?notched ultra?wideband （UWB） antenna based on polyimide （PI） substrate is designed， fabricated and tested. The proposed UWB antenna is fabricated by surface modification and in situ self?metallization technique at room temperature. The simulated and tested bandwidth of the flexible dual band?notched UWB antenna （lower than -10 dB） fabricated by the technique is 2.58～10.7 GHz and 2.5～10.87 GHz respectively， the band?notched performance of WiMAX （3.3～3.7 GHz） and WLAN （5.15～5.825 GHz） is realized. The antenna has good omnidirectional radiation characteristic at both 3.5 GHz and 5.5 GHz. The performance of the antenna under different bending conditions is tested to ensure the practical operability of the flexible antenna. This technique has simple process and low cost， can act as the substitution of printing technology， and has broad application prospect in flexible electronic devices.

Keywords： surface modification; in situ self?metallization; polyimide; UWB; dual band?notched antenna; flexibility; WiMAX; WLAN

0 引言

柔性电子是一种新兴的电子技术，近年来备受欢迎，并且受到了越来越多的关注。在当今信息化社会中，柔性电子器件常常需要和柔性天线集成来满足无线连接的需求[1]。显然，柔性天线是柔性无线通信系统中重要的组成部分，其性能的好坏将直接影响到整个系统的性能。而超宽带天线因其高的传输速度、低的发射功率和超宽的频段范围，被广泛应用于短距离无线通信系统中[2?3]。但标准的3.1～10.6 GHz超宽带频段与WLAN（5.15～5.825 GHz）和WiMAX（3.3～3.7 GHz）两个重要频段重合[4?5]。因此，为了获得可以集成于柔性电子器件的双陷波超宽带天线，首先从材料和工艺两方面探讨了柔性天线的成形技术。

目前，制备柔性天线的基板主要包括纸、纺织物和聚合物。纸张作为基板具有柔性、低剖面和低成本的优点，但它缺乏鲁棒性。纺织基材易吸收液体，出现褶皱。聚合物，比如聚酰亚胺，由于具有低的介电常数、良好的机械强度、热稳定性和化学稳定性，更适合作为柔性天线的基板[6]。而基于聚酰亚胺基板制备柔性天线的方法，主要包括喷墨打印、丝网印刷、光刻。这些方式都高度依赖设备。此外，喷墨打印很容易堵塞喷嘴;丝网印刷对图案的一致性的控制有限;光刻工艺过程复杂繁琐，生产效率低[1]。

本文以聚酰亚胺薄膜为基板，利用表面修饰和原位自金属化技术在室温下制备了一种具有高导电性的柔性超宽带双陷波天线。由于天线结构是从聚酰亚胺基板上通过化学方法生长出来的，所以与基板之间有优异的附着力，不容易出现裂纹。该技术工艺简单，无需昂贵的设备和真空条件，大大降低了制造成本。此外，该技术还适用于大规模的商业化生产，可以作为印刷电子技术的替补，未来在柔性电子器件中有广阔的应用前景。

1 天线设计和制备

1.1 天线设计

双陷波超宽带天线的几何形状如图1所示，深色的部分代表聚酰亚胺基板，浅色的部分代表天线结构。

所提出的双陷波超宽带天线的辐射单元由一个半圆与一个矩形拼接而成。为进一步改善阻抗匹配，该天线采用共面波导馈电。此外，辐射元件和接地平面都印在聚酰亚胺基板的同一侧，减少了制备过程的复杂性。通过在辐射单元上刻槽实现WiMAX（3.3～3.7 GHz）频段的陷波，通过在辐射单元下方增加枝节实现WLAN（5.15～5.825 GHz）频段的陷波，两个陷波频段互不影响。此外，天线在地平面上采用阶梯过渡结构，实现高频部分的频带阻断。

通过HFSS仿真软件进行柔性双陷波超宽带天线的仿真，该软件基于有限元法。聚酰亚胺基板的仿真模型厚度是50.8 ?m，介电常数是3.5。通过仿真优化结构参数来实现性能的最优化。最终，天线的尺寸如表1所示。

1.2 天线制备

该技术包括聚酰亚胺薄膜（前峰公司，上海）在KOH溶液中表面改性，在AgNO3溶液（阿拉丁公司，上海）中离子交换，以及在H2O2溶液中的还原反应，最终实现聚酰亚胺薄膜的表面金属化。实验所有步骤均在室温下进行，具体过程如下：

聚酰亚胺薄膜清洗后，薄膜的一侧首先浸没在4 mol/L KOH溶液中3 h。通过这一步骤确保聚酰亚胺薄膜通过表面的酰亚胺环的裂解化学改性为聚酰胺酸[7?9]。随后，表面改性的那一侧薄膜浸入0.02 mol/L AgNO3（99.8%）和NH3[?]H2O中2 h以确保K+置换为Ag+。清洗并干燥后，将处理过的聚酰亚胺薄膜粘贴在一张A4纸上，然后使用普通的打印机将碳墨打印在聚酰亚胺膜上作为金属银还原的掩膜层。接着，将印有掩膜图案的聚酰亚胺薄膜浸入H2O2（30%）溶液中确保银离子完全还原为银。通过此技术制备的柔性双陷波超宽带天线如图2所示，更具体的工艺步骤可以参考文献[7?9]。

2 天線测量和讨论

2.1 晶体结构及表面形貌

金属化聚酰亚胺薄膜的晶体结构通过X射线衍射仪（XRD，Bruker D8 Advance）测量，扫描角度为30°～80°。XRD测量结果如图3所示。从图中可以看到4个衍射峰，分别是 [ 1 1 1 ]，[ 2 0 0 ]，[ 2 2 0 ]和[ 3 1 1 ]，与JCPDS（4?783）数据卡的数据相吻合，说明聚酰亚胺薄膜上制备的金属化薄膜是由面心立方的银结晶颗粒构成，即构成天线结构的物质是银。

金属化聚酰亚胺薄膜的表面形貌通过扫描电子显微镜（FESEM，Hitachi，S?4800）测量。图4a）是薄膜的顶部SEM测量结果，从图中可以看出获得的金属化薄膜连续且致密。薄膜的截断面SEM测量结果如图4b）所示，可以发现银层是均匀的，厚度大约为7.51 ?m。

2.2 导电性

金属化聚酰亚胺薄膜的电阻率值由霍尔效应测量系统（RH 2035，phystech）测量。为了获得准确的电阻率值，一共进行了10次测量，最后取其平均值。测量结果表明，银薄膜的电阻率值约为4.89×10-5 Ω[?]cm，能够满足柔性天线的需求[7]。

2.3 回波损耗

由表面改性和原位自金属化技术制备的双陷波超宽带天线的回波损耗由矢量网络分析仪（VNA，Agilent E8363C）测量。通过图5可以观察到，该超宽带天线低于-10 dB的仿真带宽覆盖范围是2.58～10.7 GHz，仿真陷波带宽包括3.13～3.74 GHz和5.07～5.95 GHz。实测带宽覆盖范围是2.5～10.87 GHz，实测陷波带宽包括3.22～3.94 GHz和4.99～6.04 GHz。该双陷波超宽带天线的仿真和实测带宽都包括了标准的3.1～10.6 GHz超宽带带宽，并且都对WiMAX（3.3～3.7 GHz）频段及WLAN（5.15～5.825 GHz）频段实现了阻断。此外，地平面上的阶梯过渡结构也很好地实现了高频部分的阻断作用。仿真和测量的[S11]之间存在着差异的原因可能是测量过程中使用了连接头，而仿真过程中没有用到。