基于導電織物的柔性可拉伸天線設計

許德成, 姜文龍, 宮明浩, 柴 源, 王姝琦

(吉林師范大學 信息技術學院, 吉林 四平136000)

隨著無線通信技術的發(fā)展以及柔性穿戴式電子器件在各領域的廣泛應用, 制備具有低剖面、 機械柔性、 易共形及穿戴舒適等特點的柔性天線在衛(wèi)星通信、 生物醫(yī)療、 航空裝備以及可穿戴消費電子領域具有廣泛的應用前景[1-3]. 柔性天線作為柔性可穿戴電子器件數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)中一個重要組成部分, 其拓撲結構、 制備工藝、 材料選擇以及性能表征等方面與傳統(tǒng)天線均存在差異. 作為傳統(tǒng)天線在外觀形態(tài)、 應用領域的一種延拓, 為適應柔性可穿戴電子設備復雜的應用場景及應變需求, 新型柔性天線通常具有質量輕、 機械柔性、 便于穿戴及易共性等優(yōu)點[4]. 研究以低成本的制備工藝設計新型柔性天線已引起人們廣泛關注： 文獻[5]基于柔性銅箔研制了一種腰帶式和馬甲式柔性可穿戴天線陣列, 并研究了2.4～2.48 GHz頻帶內的輻射特性, 驗證了設計方法在工程應用中的可行性； 文獻[6]研究了不同導電材料和柔性基體, 并結合不同制備工藝制備柔性雙頻天線、 公共面波導天線及微帶天線； 文獻[7]通過在Leica織物表面浸漬導電復合材料制備柔性可拉伸導電織物, 研制了一種柔性偶極子天線, 研究了拉伸應變對其性能的影響. 在柔性基體表面通過噴墨打印工藝或基于液態(tài)金屬注入方式制備導電層為柔性可穿戴天線加工設計提供了可行性方法[8-10]. 具備良好機械柔性、 電氣絕緣性能及化學穩(wěn)定性的柔性基體(如聚二甲硅氧烷(PDMS)[11]、 聚酯薄膜(PET)[12]、 聚酰亞胺(PI)[13]等)為柔性新型天線設計提供了基體，與傳統(tǒng)柔性導電材料(如氧化銦錫(ITO)[14]、 銅箔[15-16]等)相比, 具備優(yōu)良電學特性的導電納米材料(如金屬納米顆粒[17]、 銀納米線[18]、 碳系導電填料[17]等)為制備高柔性、 可拉伸性等特點的導電輻射貼片提供了基體. 根據(jù)天線拓撲結構, 通過激光裁剪等技術將導電織物[19]設計成所需尺寸和形狀, 并在其表面進行全柔性一體化封裝, 設計應用于無線通信系統(tǒng)的柔性天線已成為新趨勢[20-21]. 本文基于導電銀織物設計一種工作于2.45 GHz的柔性可拉伸天線, 對其制備方法及性能進行分析, 并研究不同拉伸應變對織物天線性能的影響規(guī)律.

1 柔性可拉伸天線設計

以柔性可拉伸導電銀織物制備偶極子天線，并以PDMS為封裝層.柔性可拉伸導電銀織物外觀和觸感類似普通Leica彈性布料, 具有良好的拉伸性和導電性, 其電導率取決于經緯線編織密度. 用SU8020型掃描電子顯微鏡(SEM, 日本日立公司)觀察柔性可拉伸導電銀織物的形貌，其SEM照片如圖1所示.

圖1 柔性可拉伸導電織物的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of flexible stretchable conductive fabric

由圖1(A)可見，導電織物微觀經緯線編織結構相互連接, 該交叉編織結構可實現(xiàn)良好的拉伸性. 由圖1(B)可見，導電銀纖維間緊密連接, 導電纖維間緊密的物理接觸保證了導電銀織物穩(wěn)定的電學特性.

圖2 不同拉伸應變下柔性導電織物的電學特性Fig.2 Electrical properties of flexible conductive fabric under different stretchable strains

不同拉伸應變下導電織物的電學特性直接影響柔性可拉伸偶極子天線的輻射性能, 將柔性導電織物兩端固定于微機控制型電子萬能試驗機(LS-WD-100型, 深圳力森科技有限公司)夾具上, 設置拉伸速率為1 mm/s, 用4200-SCS型I-V特性分析儀(美國吉時利公司)研究柔性導電織物在不同拉伸應變條件下的電學特性, 其輸出特性如圖2所示. 由圖2可見, 當拉伸率為40%時, 導電織物仍可保持良好的電學特性.

2 柔性可拉伸天線仿真與測試

以偶極子天線為例, 通過對柔性可拉伸導電織物電學特性和力學的表征, 研究基于導電織物的柔性可拉伸天線設計. 首先, 由導電織物和柔性基體的屬性參數(shù)可知, 半波偶極子天線一個臂的長度l=λ/4, 在高頻結構仿真(HFSS)軟件中對偶極子天線進行輻射性能仿真及參數(shù)優(yōu)化, 設置PDMS柔性基體的相對介電常數(shù)εr=2.65, 損耗角tanδ=0.02, 厚度為1 mm, 柔性可拉伸織物天線的結構參數(shù)如圖3所示. 其次, 利用流體成型技術和自組裝技術制備柔性可拉伸織物偶極子天線樣品, 將美國道康寧Sylgard?184型灌封膠(A和B組分質量比為10)注入3D打印所制備的柔性基體模具中，并置于60 ℃真空干燥箱(DZF-6021型, 上海索普儀器有限公司)中固化、 脫模. 最后, 將偶極子輻射貼片與柔性基體自組裝獲得柔性可拉伸天線.

圖3 柔性可拉伸織物天線的結構參數(shù)Fig.3 Structure parameters of flexible stretchable fabric antenna

圖4 柔性可拉伸織物天線回波損耗 的仿真與實測結果Fig.4 Simulated and measured results of return loss of flexible stretchable fabric antenna

為進一步論證天線的工程應用可行性, 用ZNB8型矢量網絡分析儀(深圳市科瑞電子儀器設備有限公司)測試其輻射特性, 柔性可拉伸織物天線回波損耗的仿真與實測結果如圖4所示. 由圖4可見, 回波損耗的仿真和實測值在中心頻率2.45 GHz處分別為-40，-26 dB, 仿真和實測誤差的原因主要是由于導電織物經緯線編制結構形成表面粗糙不平整所致. 此外, -10 dB帶寬約為260 MHz. 與文獻[3]中柔性可拉伸織物天線的回波損耗仿真與實測結果對比可知, 本文所用導電織物因具有優(yōu)異的電學特性和力學特性, 其實測回波損耗仿真與實測結果吻合度較高, 具有更好的工程應用性.

柔性可拉伸織物天線在xoz與yoz平面中心頻率2.45 GHz遠場輻射特性的仿真和實測結果分別如圖5和圖6所示. 由圖5和圖6可見，基于導電織物的柔性可拉伸天線的方向圖呈典型的偶極子特性, 其仿真與實測結果具有良好的一致性, 仿真和實測的差異主要是由于制造工藝誤差所致. 通過對柔性可拉伸織物天線回波損耗、 增益方向圖的性能表征, 驗證了柔性可拉伸織物天線的可行性.

圖5 柔性可拉伸織物天線xoz平面的 仿真與實測增益方向Fig.5 Simulated and measured gain directions of xoz-plane of flexible stretchable fabric antenna

圖6 柔性可拉伸織物天線yoz平面的 仿真與實測增益方向Fig.6 Simulated and measured gain directions of yoz-plane of flexible stretchable fabric antenna

柔性可拉伸織物天線在不同拉伸應變下的回波損耗如圖7所示. 由圖7可見, 天線拉伸長度與天線諧振頻率成反比, 即隨著天線拉伸率的增加, 其中心頻率逐漸向低頻偏移.

不同拉伸應變下文中柔性可拉伸織物天線中心頻率的變化規(guī)律如圖8所示. 由圖8可見, 天線中心頻率與拉伸率間具有固定的函數(shù)關系, 根據(jù)該函數(shù)關系可將柔性可拉伸織物天線應用于拉伸應變傳感器設計中.

圖7 柔性可拉伸織物天線在不同 拉伸應變下的回波損耗 Fig.7 Return losses of flexible stretchable fabric antenna under different stretchable strains

圖8 不同拉伸應變下柔性可拉伸織物 天線中心頻率的變化規(guī)律Fig.8 Variation of central frequency of flexible stretchable fabric antenna under different stretchable strains

綜上，本文基于柔軟透氣可拉伸導電織物設計了一種工作于2.45 GHz的柔性可拉伸天線, 并研究了不同拉伸應變下柔性織物的電學和力學特性及其偶極子天線輻射特性的變化特點. 結果表明： 在中心頻率2.45 GHz處, 其仿真和實測回波損耗分別為-40，-26 dB, -10 dB帶寬約為260 MHz；xoz與yoz平面的仿真與實測增益方向圖具有良好的一致性； 隨著天線拉伸率的增加，其中心頻率逐漸向低頻偏移.