一種新型柔性微帶天線的制備與性能測試

劉筠筠，張 軍

（鄭州科技學院a.信息工程學院；b.電氣工程學院，鄭州 450064）

0 引言

近些年來，由于社會的快速發展和科學技術的不斷創新，傳統的平面電子器件已經很難再適應現在復雜多變的環境，發展迅速的柔性電子器件受到了越來越多人的追捧。柔性電子器件具有一定程度的拉伸、彎曲，且可與任意曲面共形的特點，在無線通信的領域的應用越來越廣泛［1］。無線通信中最為核心的部件當屬用來發射和接收電磁波的天線，每年都有眾多科學家為了突破天線在較大彎曲的同時具備較高的輻射穩定性，紛紛尋找各式各樣新的柔性材料替代常規材料作為微帶天線的基底。Gerard 2012 年將注射液態金屬共晶鎵銦（Eutectic gallium indium，EGaIn）的PDMS作為基底設計并制作了長方形微帶天線，通過測量其中心頻率可達3.4 GHz［2］。到了2014 年，Song等［3］在1 mm厚PDMS基底的表面摻雜了Ag納米線，最后制造出了頻率分別為3 和6 GHz的長方形微帶貼片天線和二元貼片陣列。Hussain等［4］在2016 年通過在聚酰亞胺（Polyimide，PI）上電鍍4 μm 的銅制造出了柔性可用于穿戴的天線，制造的天線呈S形，通過測量可得其中心頻率可達2.45 GHz。到了2017 年，Yan等［5］通過磁控濺射技術在PI 膜上濺射了一層厚度為50 nm的金屬銀，當制作的天線拉伸200%時，其中心頻率依然可達5.6 GHz。由于制造天線時對PDMS 基底的厚度無嚴格要求，且制作工藝簡單易操作，通過去膠處理后仍與各種金屬保持較強的黏附性，具有彈性強、價格便宜、可重復利用等一系列優點［6］，因此本文也選用PDMS作為制備高穩定性柔性天線的材料。

制備天線時，可在基底上涂一層褶皺的金屬薄膜增加天線適應機械應變的能力［1］。通過這種技術制成的天線不僅性能優異，而且柔軟性特別強，不僅適用于可穿戴柔性皮膚中，還在無人機、生化檢測及人工智能方面有著特別廣泛的應用。

綜上所述，本文以柔性PDMS 為基底完成柔性微帶天線的制作。為了降低制作難度，本文以單面覆銅的共面波導為饋電方式，結合微電子機械系統（Microelectro-mechanical System，MEMS）完成天線的加工與制作，并對制作的天線進行了彎曲狀態下的仿真與實際性能測試。

1 天線的仿真設計

本文設計的天線包含兩層結構，如圖1（a）所示。以柔性PDMS［7］（相對介電常數和損耗角正切值分別為2.35 和0.037 5）為基底的底層結構尺寸為30 mm×30 mm×1 mm。天線的頂層結構主要包含20 mm×15 mm的去角矩形輻射貼片、共面波導傳輸線（一邊接矩形輻射貼片，另一邊接地）及兩面接地結構。漸變的共面波導傳輸線（d1＜d2）是為了確保輸入的阻抗和50 Ω的SMA連接器匹配。波導傳輸線和位于同一側的接地面結構一起形成共平面結構，這種共平面結構可產生斷續的位移電流，因此波導傳輸線和接地面結構中間的小縫隙可通過交變電場產生橫向和縱向電磁分量。本文使用的共面波導結構具備非常優越的性能［8］，比如其具有非常好的色散性，在使用過程中輻射損耗非常小且易與電子器件集成，不但可提高電路的密度，而且制成的天線可實現微小型化。

本文對天線結構進行仿真的軟件為ANSYS HFSS軟件，天線回波損耗S11和輻射效率re的仿真結果如圖1（b）所示。首先分析回波損耗，從仿真結果上可以看出，-10 dB 的阻抗帶寬為1.68 GHz，中心頻率為7.55 GHz時對應的S11為-45 dB，可看出阻抗匹配非常完美；接著對輻射效率進行分析，通過觀察看到，re在中心頻率7.55 處及1.68 GHz 帶寬內均大于0.7，說明本文設計的天線往外輻射的有效功率為總輸入功率的70%，具有低損耗且高效率特點。輻射方向的3D仿真結果如圖1（c）所示。左邊的一列數據代表天線的增益，當中心頻率為7.55 GHz 時，在XOY面上，非接地方向最大輻射高達4 dB；而接地面方向，由于縫隙產生的交變電場對天線的方向具有一定的影響，使得增益低于4 dB；在YOZ面上，可以看到天線實現了全向輻射，從天線輻射的整體來看，本文設計的天線具有穩定的輻射方向。

圖1 天線的設計結構與仿真結果（mm）

2 天線的制備

采用MEMS工藝完成柔性天線的制作與加工，首先進行柔性基底的制備，PDMS 聚合物和固化劑按照質量比為15∶1的比例放入燒杯中，然后用玻璃棒不斷地攪拌直至均勻，接著將均勻的PDMS 混合物倒入玻璃板上旋涂均勻后放至烘臺上，溫度調至80 ℃加熱4 h確保PDMS 固化。將固化的PDMS 從玻璃板上小心撕下剪成7 cm×4 cm 的長方形備用，如圖2 所示。將拉伸50%的PDMS 放入等離子體機（Plasma）中處理1 min，Plasma的功率設置為200 W，氣流量設置為150 mL。處理完畢后緩慢釋放拉伸后的PDMS。將釋放的PDMS薄膜通過磁控濺射蒸鍍一層厚度為1 μm的金屬銅薄膜，不銹鋼掩膜版如圖3（a）所示。濺射完畢后去掉掩膜版可看到蒸鍍的銅膜結構，即天線實物，如圖3（b）所示。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察天線的表面形貌如圖3（c）所示，從圖上可以看到，天線的表面褶皺以周期為200 nm的正弦波分布。

圖2 PDMS的裁剪與預拉伸

圖3 天線的制備過程及表面形貌

3 測試及結果

本文利用Agilent N5224A矢量網絡分析儀完成柔性天線的各種性能測試。如圖4（a）所示，從圖上可以看到，天線無拉伸時，天線的回波損耗在中心頻率為7.61 GHz處具有最佳效果，S11為-29.54 dB，實測效果與仿真結果具有很高的吻合度。隨后對天線處于拉伸狀態下進行性能測試，假設天線的拉伸長度為x，將天線分別拉伸至10%（即3 mm）、20%（即6 mm）、30%（即9 mm）、40%（即12 mm），中心頻率的波動范圍為7.61～7.85 GHz，如圖4（b）所示。通過對柔性天線進行重復拉伸測試后發現中心頻率基本無變化，較為穩定。本文對天線的最大拉伸量為40%，測試過程中制造的柔性天線始終保持良好的性能。接著對柔性天線進行彎曲狀態下的性能測試，以圖3（b）中的x軸為中心軸，假設天線的彎曲角度為α，對天線分別彎曲0°、90°、180°、270°、360°，如圖4（c）所示。從圖可以看出，無論天線的彎曲程度如何，中心頻率均保持在7.61 GHz附近。通過對柔性天線進行重復彎曲測試后發現中心頻率基本無變化，較為穩定，始終保持在7.61 GHz附近。

通過微波暗室完成柔性天線在自然狀態下的輻射性能測試，測試圖如圖4（d）所示，從圖上可看到輻射實測圖與仿真基本吻合。圖上的圓形表示圖1（c）中的YOZ平面，可看出與仿真效果基本一致，均實現了全向輻射；蝴蝶狀表示圖1（c）中的XOY平面，從圖上可看出，仿真中最大輻射方向的增益為4.5 dB，實測中最大輻射方向的增益可達4 dB。接著對這兩種不同形態的柔性天線進行性能測試，通過反復測試發現對天線的拉伸或彎曲均不會對天線的輻射產生任何影響，柔性天線始終保持較穩定的輻射性能。

圖4 對柔性天線的測試結果

4 結語

本文以柔性PDMS為基底完成了柔性微帶天線的制作。首先利用ANSYS HFSS仿真軟件對設計的天線結構進行了仿真，然后通過對PDMS 的制備及磁控濺射工藝完成了柔性微帶天線的制備，最后對柔性天線進行了電性能和機械性能的測試，實測的結果與仿真結果基本一致，達到了非常良好的效果。本文設計與制造的柔性微帶天線不僅適用于可穿戴柔性皮膚中，還可應用于無人機、生化檢測及人工智能方面。