基于PDMS 的柔性可拉伸天线的仿真与测试

2022-07-20唐欣之于映

电子测试 2022年13期

唐欣之，于映

(南京邮电大学，江苏南京，210046)

0 引言

在日常生活中，物体的表面通常是不规则的，形状结构复杂，柔性天线已经成人们研究的主要目标了，但是在日益发展的柔性电子产品中，天线的柔性弯曲等性能已经无法满足人们的需求了，可拉伸、折叠和扭曲的天线逐渐成为人们研究主要目标，与构建在不可拉伸聚合物或纸张基材上的柔性天线相比，可拉伸天线可以覆盖几乎任意曲面和可移动设备，在柔性显示[1]，结构健康监测系统[2]和智能手术手套[3]等领域的应用需求越来越大，因此需要设计出在拉伸后还能保持原性能的天线。

目前可以实现柔性特征的材料有很多，例如：聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚酰亚胺（PI）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚四氟乙烯（PTF）等。[4]PDMS 相对于其他柔性材料还有一个比较明显的优点，就是PDMS 具有一定的可拉伸性能，能承受更大的机械形变。文献[5]采用柔性PDMS 材料和覆铜聚酰亚胺复合板制作了一种低阻抗柔性阿基米德等角螺旋天线，将天线拉伸至力学仿真中形变的7.9%即6mm 左右，其应力不会使柔性天线辐射体发生弹塑性转变，具有可靠的机械拉伸性。液态金属，如共晶镓铟合金（EGaIn），由于其固有的可拉伸性，是另一种有吸引力的材料选择。由于液态金属能够适应几乎任何机械变形，并在大变形范围内保持电气连接。文献[6]介绍了一种高效的可伸缩非平衡环天线,该天线精度较高，制作过程复杂,它是在PDMS 的微结构通道中加入室温液态金属合金来实现的通过机械测试，该天线可拉伸40%时候工作频点从2.43GHz 变化到1.97GHz。文献[7]提出一种采用软光刻技术制备天线的微带贴片天线,在PDMS 的拉伸极限内,通过对微带天线进行轴向拉伸,随着长度的增加,谐振频率逐渐降低,在4～6GHz范围内实现了频率可重构。

本文主要目的研究柔性天线在经历各种大形变拉伸、弯曲下天线还能保持原稳定的工作状态，通过仿真和测试两款可拉伸天线都能在30%的拉伸形变内保持稳定的工作状态。

1 单极子天线设计与分析

本文设计了两款单极子天线，由于单极子天线结构简单，所以被人们广泛用于研究柔性可拉伸天线中。单极子天线长度是偶极子天线长度的一半，单极子天线长度为1/4 波长。根据论文[8]提出的半波偶极子天线谐振频率和天线长度之间的关系：

其中，f为半波偶极子天线谐振频率，单位为 MHz；l 为半波偶极子天线长度，单位为m；ε eff为有效相对介电常数。传统的单极子天线多为直线型结构，这种形结构并不具备较好的拉伸能力，并且在受拉伸应力作用过程中，它们的谐振频率随拉伸应力的增加一直单调下降，不能够保持稳定。因此矩形、折线形、弯折结构被人广泛研究，本文第一款单极子天线采取蛇形结构如图1，天线能够承受较大拉伸并在拉伸过程中保持天线尺寸基本不变。采用有限积分技术的全波仿真软件ANSYS HFSS 对该天线进行设计和参数化分析。基底采用新型柔性材料PDMS，PDMS 的相对介电常数rε=2.8，介电损耗角正切tan δ=0.04。该柔性天线的介质基板为30mm*30mm，厚度为0.4mm。采用了共面波导的馈电方式，接地面与辐射贴片在同一层以便于更好的封装液态金属材料。天线参数为：d=30,a=1,b=1,L2=11,L3=10,L1=11,c=1,W=4,g=0.5。

图1 蛇形单极子天线结构示意图

第二款天线原为圆形单极子天线，由于阶梯形结构可以增加带宽，于是将地结构和圆形下半周改为阶梯形结构为增加带宽，为了能使天线的阻抗匹配更良好，在论文[9]中，贴片与馈电微带线的集成部分在结构上具有良好的连续性，就能解决因导电通带中的向上导行波突然转变为自由空间波造成的非连续性从而引起阻抗失配问题。由于宽带天线带宽较大，天线在拉伸过程中能保持工作带宽相对稳定。最后通过ANSYS HFSS 中仿真优化，该天线如图2，工作频率为4.7GHz-10.6GHz，天线结构最终如下。天线参数：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。

图2 宽带天线结构示意图

2 天线拉伸仿真

蛇形单极子天线工作带宽为：3.88GHz-4.65GHz和6.55GHz-7.50GHz。将设计好的天线结构导入到ANSYS workbench 中，将天线基底的馈电端一侧垂直平面固置，另一端平面施加水平位移载荷，天线发生10%、20%、30%的拉伸形变如下图所示。将形变后的天线重新建模导入到ANSYS HFSS 中进行仿真，研究天线在拉伸情况下工作带宽的变化。天线在拉伸10%-30%后形变情况和仿真情况如图3 所示，天线为3.88GHz-4.65GHz的工作带宽减小为4.13GHz-4.63GHz 并基本保持稳定，天线工作带宽6.55GHz-7.50GHz 在拉伸10%-30%的情况下增大为6.33GHz-7.73GHz，6.03GHz-7.78GHz，5.85GHz-8.00GHz，该天线结构能在拉伸情况下保持良好工作性能。

图3 蛇形单极子天线的形变和仿真

同样的宽带天线也进行拉伸形变和仿真如图4 所示，宽带天线工作带宽为4.69GHz-10.58GHz，在经过10%、20%、30%的拉伸形变如下图所示。天线在经过拉伸后带宽减小，最高的工作频率一直保持在工作带宽内并最低工作频点略有减小，仿真天线在拉伸30%的情况下还能继续保持原4.69GHz-6.2GHz 的工作带宽。

图4 宽带天线的形变和仿真

3 天线的制作和测试

3.1 天线的制作步骤

天线制作需要考虑到基底和导电材料，柔性基板使用聚二甲基硅氧烷（PDMS），导电材料使用液态金属(镓铟合金8：2，EGaIn[1,2])。天线制作步骤具体如下：

（1）将PDMS 与固化剂按质量比 10:1 的比例混合并用玻璃棒搅拌均匀后，放入超声波清洗机中，对溶液进行超声处理，去除溶液中的气泡。

（2）将PDMS 溶液浇注到玻璃培养皿中，并放在匀胶机中旋涂均匀后，放在加热板上进行加热使其固化。加热板温度设为 90℃，加热时间5 分钟。

（3）根据天线图案，定制出与天线图案同等大小的掩模版。

（4）将定制好的掩模版固定在固化好的PDMS 上，然后涂覆一层液态金属导电材料，取下掩模版形成天线图案，天线图形如图5。

图5 未封装天线实物图

（5）天线馈电端口嵌入SMA 接头，并用玻璃棒涂覆一层未固化的PDMS 封装液态金属和固定SMA 接头，并加热使其固化。

3.2 天线的拉伸测试

用Agilent N5224A 型矢量网络分析仪对所制作的两款单极子天线进行测试和比较，为了测试两款柔性可拉伸单极子天线的拉伸性能，将天线安装在亚克力材料的拉伸夹上分别测试其在不同拉伸程度下的工作性能，该夹具基本不会对测试天线的性能产生影响。由于夹具固定端的影响，天线可拉伸部分约为18mm，在拉伸过程中天线最大可拉伸至25mm左右，最大拉伸为33%，图6 为蛇形单极子天线拉伸测试，图7为宽带天线拉伸测试。

图6 蛇形单极子天线拉伸测试

图7 宽带天线拉伸测试

由于PDMS 厚度较薄，在拉伸30%以内，对PDMS 薄膜基本没影响，所以只测量了两款天线在被拉伸10%、20%、30%下的S11 如图8、图9 所示，第一款蛇形天线未拉伸时工作带宽为5.45GHz-8.6GHz，天线在逐渐拉伸至30%时，天线工作带宽增至4.7GHz-8.5GHz，工作天线6.2GHz 和7.65GHz 谐振频点在拉伸过程中基本保持稳定，该天线在拉伸的过程中始终保持良好的工作性能。另一款宽带天线未拉伸时工作带宽为5.45GHz-10GHz，天线在10%-30%拉伸的过程中，天线的最低工作频点先增大后减小基本保持稳定0.1G-0.2G 偏移，工作带宽基本保持稳定，但其回波损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终都保持小于-15dB。