基于导电织物的柔性可拉伸天线设计

许德成, 姜文龙, 宫明浩, 柴 源, 王姝琦

(吉林师范大学 信息技术学院, 吉林 四平136000)

随着无线通信技术的发展以及柔性穿戴式电子器件在各领域的广泛应用, 制备具有低剖面、 机械柔性、 易共形及穿戴舒适等特点的柔性天线在卫星通信、 生物医疗、 航空装备以及可穿戴消费电子领域具有广泛的应用前景[1-3]. 柔性天线作为柔性可穿戴电子器件数据传输环节中一个重要组成部分, 其拓扑结构、 制备工艺、 材料选择以及性能表征等方面与传统天线均存在差异. 作为传统天线在外观形态、 应用领域的一种延拓, 为适应柔性可穿戴电子设备复杂的应用场景及应变需求, 新型柔性天线通常具有质量轻、 机械柔性、 便于穿戴及易共性等优点[4]. 研究以低成本的制备工艺设计新型柔性天线已引起人们广泛关注： 文献[5]基于柔性铜箔研制了一种腰带式和马甲式柔性可穿戴天线阵列, 并研究了2.4～2.48 GHz频带内的辐射特性, 验证了设计方法在工程应用中的可行性； 文献[6]研究了不同导电材料和柔性基体, 并结合不同制备工艺制备柔性双频天线、 公共面波导天线及微带天线； 文献[7]通过在Leica织物表面浸渍导电复合材料制备柔性可拉伸导电织物, 研制了一种柔性偶极子天线, 研究了拉伸应变对其性能的影响. 在柔性基体表面通过喷墨打印工艺或基于液态金属注入方式制备导电层为柔性可穿戴天线加工设计提供了可行性方法[8-10]. 具备良好机械柔性、 电气绝缘性能及化学稳定性的柔性基体(如聚二甲硅氧烷(PDMS)[11]、 聚酯薄膜(PET)[12]、 聚酰亚胺(PI)[13]等)为柔性新型天线设计提供了基体，与传统柔性导电材料(如氧化铟锡(ITO)[14]、 铜箔[15-16]等)相比, 具备优良电学特性的导电纳米材料(如金属纳米颗粒[17]、 银纳米线[18]、 碳系导电填料[17]等)为制备高柔性、 可拉伸性等特点的导电辐射贴片提供了基体. 根据天线拓扑结构, 通过激光裁剪等技术将导电织物[19]设计成所需尺寸和形状, 并在其表面进行全柔性一体化封装, 设计应用于无线通信系统的柔性天线已成为新趋势[20-21]. 本文基于导电银织物设计一种工作于2.45 GHz的柔性可拉伸天线, 对其制备方法及性能进行分析, 并研究不同拉伸应变对织物天线性能的影响规律.

1 柔性可拉伸天线设计

以柔性可拉伸导电银织物制备偶极子天线，并以PDMS为封装层.柔性可拉伸导电银织物外观和触感类似普通Leica弹性布料, 具有良好的拉伸性和导电性, 其电导率取决于经纬线编织密度. 用SU8020型扫描电子显微镜(SEM, 日本日立公司)观察柔性可拉伸导电银织物的形貌，其SEM照片如图1所示.

图1 柔性可拉伸导电织物的SEM照片Fig.1 SEM images of flexible stretchable conductive fabric

由图1(A)可见，导电织物微观经纬线编织结构相互连接, 该交叉编织结构可实现良好的拉伸性. 由图1(B)可见，导电银纤维间紧密连接, 导电纤维间紧密的物理接触保证了导电银织物稳定的电学特性.

图2 不同拉伸应变下柔性导电织物的电学特性Fig.2 Electrical properties of flexible conductive fabric under different stretchable strains

不同拉伸应变下导电织物的电学特性直接影响柔性可拉伸偶极子天线的辐射性能, 将柔性导电织物两端固定于微机控制型电子万能试验机(LS-WD-100型, 深圳力森科技有限公司)夹具上, 设置拉伸速率为1 mm/s, 用4200-SCS型I-V特性分析仪(美国吉时利公司)研究柔性导电织物在不同拉伸应变条件下的电学特性, 其输出特性如图2所示. 由图2可见, 当拉伸率为40%时, 导电织物仍可保持良好的电学特性.

2 柔性可拉伸天线仿真与测试

以偶极子天线为例, 通过对柔性可拉伸导电织物电学特性和力学的表征, 研究基于导电织物的柔性可拉伸天线设计. 首先, 由导电织物和柔性基体的属性参数可知, 半波偶极子天线一个臂的长度l=λ/4, 在高频结构仿真(HFSS)软件中对偶极子天线进行辐射性能仿真及参数优化, 设置PDMS柔性基体的相对介电常数εr=2.65, 损耗角tanδ=0.02, 厚度为1 mm, 柔性可拉伸织物天线的结构参数如图3所示. 其次, 利用流体成型技术和自组装技术制备柔性可拉伸织物偶极子天线样品, 将美国道康宁Sylgard®184型灌封胶(A和B组分质量比为10)注入3D打印所制备的柔性基体模具中，并置于60 ℃真空干燥箱(DZF-6021型, 上海索普仪器有限公司)中固化、 脱模. 最后, 将偶极子辐射贴片与柔性基体自组装获得柔性可拉伸天线.

图3 柔性可拉伸织物天线的结构参数Fig.3 Structure parameters of flexible stretchable fabric antenna

图4 柔性可拉伸织物天线回波损耗 的仿真与实测结果Fig.4 Simulated and measured results of return loss of flexible stretchable fabric antenna

为进一步论证天线的工程应用可行性, 用ZNB8型矢量网络分析仪(深圳市科瑞电子仪器设备有限公司)测试其辐射特性, 柔性可拉伸织物天线回波损耗的仿真与实测结果如图4所示. 由图4可见, 回波损耗的仿真和实测值在中心频率2.45 GHz处分别为-40，-26 dB, 仿真和实测误差的原因主要是由于导电织物经纬线编制结构形成表面粗糙不平整所致. 此外, -10 dB带宽约为260 MHz. 与文献[3]中柔性可拉伸织物天线的回波损耗仿真与实测结果对比可知, 本文所用导电织物因具有优异的电学特性和力学特性, 其实测回波损耗仿真与实测结果吻合度较高, 具有更好的工程应用性.

柔性可拉伸织物天线在xoz与yoz平面中心频率2.45 GHz远场辐射特性的仿真和实测结果分别如图5和图6所示. 由图5和图6可见，基于导电织物的柔性可拉伸天线的方向图呈典型的偶极子特性, 其仿真与实测结果具有良好的一致性, 仿真和实测的差异主要是由于制造工艺误差所致. 通过对柔性可拉伸织物天线回波损耗、 增益方向图的性能表征, 验证了柔性可拉伸织物天线的可行性.

图5 柔性可拉伸织物天线xoz平面的 仿真与实测增益方向Fig.5 Simulated and measured gain directions of xoz-plane of flexible stretchable fabric antenna

图6 柔性可拉伸织物天线yoz平面的 仿真与实测增益方向Fig.6 Simulated and measured gain directions of yoz-plane of flexible stretchable fabric antenna

柔性可拉伸织物天线在不同拉伸应变下的回波损耗如图7所示. 由图7可见, 天线拉伸长度与天线谐振频率成反比, 即随着天线拉伸率的增加, 其中心频率逐渐向低频偏移.

不同拉伸应变下文中柔性可拉伸织物天线中心频率的变化规律如图8所示. 由图8可见, 天线中心频率与拉伸率间具有固定的函数关系, 根据该函数关系可将柔性可拉伸织物天线应用于拉伸应变传感器设计中.

图7 柔性可拉伸织物天线在不同 拉伸应变下的回波损耗 Fig.7 Return losses of flexible stretchable fabric antenna under different stretchable strains

图8 不同拉伸应变下柔性可拉伸织物 天线中心频率的变化规律Fig.8 Variation of central frequency of flexible stretchable fabric antenna under different stretchable strains

综上，本文基于柔软透气可拉伸导电织物设计了一种工作于2.45 GHz的柔性可拉伸天线, 并研究了不同拉伸应变下柔性织物的电学和力学特性及其偶极子天线辐射特性的变化特点. 结果表明： 在中心频率2.45 GHz处, 其仿真和实测回波损耗分别为-40，-26 dB, -10 dB带宽约为260 MHz；xoz与yoz平面的仿真与实测增益方向图具有良好的一致性； 随着天线拉伸率的增加，其中心频率逐渐向低频偏移.