一種基于PDMS 的可拉伸折疊天線的設(shè)計(jì)

王婷

（南京郵電大學(xué)，江蘇 南京210023）

1 概述

近些年來(lái)，隨著智能電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，終端設(shè)備逐步趨向便攜性，小型化，可穿戴的方向發(fā)展[2]。而天線作為通信設(shè)備中必不可少的接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的設(shè)備也相應(yīng)的向著小型化，可拉伸延展，可折疊，多功能的方向發(fā)展[1]。

對(duì)于可拉伸天線的研究主要涉及兩個(gè)方面：一是設(shè)計(jì)和創(chuàng)新出新的模型結(jié)構(gòu)使天線實(shí)現(xiàn)可拉伸的特性；二是利用創(chuàng)新的柔性材料和特殊的工藝技術(shù)使天線具有可拉伸的特性[3]。對(duì)于以上兩種研究方法來(lái)說(shuō)，由于第二種方法完全依賴(lài)于柔性材料和復(fù)雜工藝技術(shù)的發(fā)展，所以對(duì)于可拉伸天線的研究和發(fā)展就會(huì)局限于柔性材料和工藝技術(shù)的發(fā)展情況，因此我們需要研究和探索新型的天線模型結(jié)構(gòu)。

微帶貼片天線相比其他的微波天線來(lái)說(shuō)，其具有體積小，低剖面，易于共性，可穿戴，制作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[6]，這些優(yōu)點(diǎn)使得微帶天線受到眾多廠商的青睞，廣泛應(yīng)用于小型的智能終端產(chǎn)品。我們利用折疊的模型結(jié)構(gòu)使微帶天線實(shí)現(xiàn)可拉伸特性，傳統(tǒng)的微帶天線的介質(zhì)基底通常使用PCB板，例如FR4 等，這類(lèi)材料不具有可延展性，因此為了使天線可拉伸，我們采用聚二甲基硅氧烷（PDMS)作為基底的材料，其具有光學(xué)透明性、溫度穩(wěn)定性好、室溫固化時(shí)不放熱、良好的電磁特性、柔性和彈性好等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使其成為最有前景的柔性材料之一[7]。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

2 天線設(shè)計(jì)

天線結(jié)構(gòu)如圖1 所示，微帶天線由輻射貼片（A）、介質(zhì)基板（B）、1/4 波長(zhǎng)阻抗轉(zhuǎn)換器（C）、微帶傳輸線（D）、長(zhǎng)方形槽縫（E）和接地板（F）構(gòu)成。其中輻射貼片（A）由A1 和A2 兩部分組成，輻射貼片A1 位于介質(zhì)基板上側(cè)并與1/4 波長(zhǎng)阻抗轉(zhuǎn)換器相接，輻射貼片A2 由6 個(gè)相同尺寸的貼片單元組成，每個(gè)貼片單元都與介質(zhì)基板之間形成相同的角度，這樣整個(gè)輻射貼片構(gòu)成一個(gè)可折疊的結(jié)構(gòu)，可以做到橫向拉伸。在輻射貼片上燭刻一條長(zhǎng)方形槽縫，降低天線的諧振頻率以達(dá)到減小貼片天線尺寸的目的。

式中，c 為光速。輻射貼片A1 的長(zhǎng)L=5mm，輻射貼片A2 的6 個(gè)完全相同的貼片單元長(zhǎng)為L(zhǎng)0=6mm，輻射貼片與介質(zhì)之間的初始夾角為α。通過(guò)參數(shù)優(yōu)化之后，在理論天線尺寸的基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)使天線達(dá)到最佳性能。改變輻射貼片與介質(zhì)之間的夾角大小，即改變天線的拉伸程度，分析天線在拉伸過(guò)程中的工作性能。

3 仿真結(jié)果與分析

利用Ansys HFSS 對(duì)設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行建模和仿真。如圖2，3所示，天線在不受外力拉伸時(shí)，天線的中心諧振頻率為3.6GHz,S11 的最小值為-42dB。天線的主要輻射方向?yàn)閦 軸正方向且增益較大，有利于制作成可穿戴設(shè)備，有利于減少天線對(duì)人體的輻射。

圖2 天線的S11 仿真結(jié)果

圖3 天線的三維增益方向圖

天線在受到外力拉伸過(guò)程中S11 的仿真結(jié)果如圖4 所示：

圖4 天線不同拉伸程度的S11 仿真結(jié)果

由圖4 可以看出，在輻射貼片受到外力拉伸過(guò)程中，天線的工作頻率基本保持不變且S11 的最小值都小于-10dB，不影響天線的工作性能。

4 結(jié)論

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的基于PDMS 的可拉伸折疊天線，采用具有良好的電磁特性和彈性的PDMS 作為介質(zhì)材料，將傳統(tǒng)的輻射貼片天線設(shè)計(jì)成一種三維立體的折疊結(jié)構(gòu)，使其具有可拉伸的特性。在拉伸過(guò)程中天線的工作頻率基本保持不變且不影響天線的工作性能。天線的主要輻射方向?yàn)閦 軸正方向，因此制成可穿戴電子設(shè)備的話可以減小天線對(duì)人體的輻射。