基于柔性PDMS柔性微帶天線的制作與測試*

付靖娟, 姚 俊

(1.南昌理工學(xué)院 電子與信息學(xué)院，江西 南昌 330044; 2.南昌理工學(xué)院 計算機(jī)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330044)

0 引 言

近些年來，由于社會的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，傳統(tǒng)的平面電子器件已經(jīng)很難再適應(yīng)現(xiàn)在復(fù)雜多變的環(huán)境，發(fā)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(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[1]。無線通信中最為核心的部件當(dāng)屬用來發(fā)射和接收電磁波的天線，每年都有眾多科學(xué)家為了突破天線在較大彎曲的同時具備較高的輻射穩(wěn)定性，紛紛尋找各式各樣新的柔性材料替代常規(guī)材料作為微帶天線的基底。Hayes D J教授[2]于2012年將注射液態(tài)金屬共晶鎵銦(Eutectic gallium indium,EGaIn)的聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)作為基底設(shè)計并制作了長方形微帶天線，通過測量其中心頻率可達(dá)3.4 GHz。2014年，Song L教授[3]在1 mm厚PDMS基底的表面摻雜了銀(Ag)納米線，最后制造出了頻率分別為3 GHz和6 GHz的長方形微帶貼片天線和二元貼片陣列。Hussain A M學(xué)者[4]于2016年通過在聚酰亞胺(polyimide，PI)上電鍍4 μm的銅(Cu)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(dá)2.45 GHz。2017年，Yan Z C研究員[5]通過磁控濺射技術(shù)在PI膜上濺射了一層厚度為50 nm的金屬Ag，當(dāng)制作的天線拉伸200 %時，其中心頻率依然可達(dá)5.6 GHz。由于制造天線時對PDMS基底的厚度無嚴(yán)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(qiáng)的粘附性，具有彈性強(qiáng)、價格便宜、可重復(fù)利用等一系列優(yōu)點[6]，因此,適合被選用作為制備高穩(wěn)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(yīng)機(jī)械應(yīng)變的能力[1]。通過這種技術(shù)制成的天線不僅性能優(yōu)異，而且柔軟性特別強(qiáng)，不僅適用于可穿戴柔性皮膚中，還在無人機(jī)、生化檢測及人工智能方面有著特別廣泛的應(yīng)用。

綜上所述，本文將以柔性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(dǎo)為饋電方式，結(jié)合微電子機(jī)械系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system，MEMS)完成天線的加工與制作，并對制作的天線進(jìn)行了彎曲狀態(tài)下的仿真與實際性能測試。

1 天線的仿真設(shè)計

本文設(shè)計的天線包含兩層結(jié)構(gòu)，天線的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，圖上涉及的尺寸單位均為mm，以柔性PDMS[7](相對介電常數(shù)和損耗角正切值分別為2.35和0.0375)為基底的底層結(jié)構(gòu)尺寸為30 mm×30 mm×1 mm。天線的頂層結(jié)構(gòu)主要包含20 mm×15 mm的去角矩形輻射貼片、共面波導(dǎo)傳輸線(一邊接矩形輻射貼片，另一邊接地)及兩面接地結(jié)構(gòu)。漸變的共面波導(dǎo)傳輸線(d1

本文對天線結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)果如圖1(b)所示，左側(cè)和右側(cè)縱坐標(biāo)分別表示輻射效率re和回波損耗S11。首先分析回波損耗，從仿真結(jié)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(yīng)的S11為-45 dB，可看出阻抗匹配非常完美；接著對輻射效率進(jìn)行分析，通過觀察看出，re在中心頻率7.55 GHz處及1.68 GHz帶寬內(nèi)均大于0.7，這說明本文設(shè)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(jié)果如圖1(c)所示。左邊的一列數(shù)據(jù)代表天線的增益，當(dāng)中心頻率為7.55 GHz時，在XOY面上，非接地方向最大輻射高達(dá)4 dB；而接地面方向，由于縫隙產(chǎn)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，可以看出天線實現(xiàn)了全向輻射，從天線輻射的整體來看，本文設(shè)計的天線具有穩(wěn)定的輻射方向。

圖1 天線的設(shè)計結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果

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(jìn)行柔性基底的制備，PDMS聚合物和固化劑按照質(zhì)量比為15︰1的比例放入燒杯中，然后用玻璃棒不斷攪拌直至均勻，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，將溫度調(diào)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(plasma)機(jī)中處理1 min，Plasma的功率設(shè)置為200 W，氣流量設(shè)置為150 mL。處理完畢后緩慢釋放拉伸后的PDMS。

圖2 PDMS的裁剪與拉伸

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，不銹鋼掩模版如圖3(a)所示。濺射完畢后去掉掩模版可看到蒸鍍的銅膜結(jié)構(gòu)，即天線實物，如圖3(b)所示。通過掃描電子顯微鏡 (scanning electron microscope,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3 天線的制備過程及表面形貌

3 測試與結(jié)果

本文利用Agilent N5224A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀完成柔性天線的各種性能測試,測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 柔性天線測試結(jié)果

如圖4(a)所示表示對柔性天線的回波損耗進(jìn)行的測試圖，從圖上可以看出，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(jié)果具有很高的吻合度。隨后對天線處于拉伸狀態(tài)下進(jìn)行性能測試，假設(shè)天線的拉伸長度為x，將天線分別拉伸至10 %(即33 mm)、20 %(即36 mm)、30 %(即39 mm)、40 %(即42 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(jìn)行重復(fù)拉伸測試后發(fā)現(xiàn)中心頻率基本無變化，較為穩(wěn)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。對柔性天線進(jìn)行彎曲狀態(tài)下的性能測試，以圖3(b)中的X軸為中心軸，假設(shè)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4可以看出，不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(jìn)行重復(fù)彎曲測試后發(fā)現(xiàn)中心頻率基本無變化，較為穩(wěn)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(tài)下的輻射性能測試，測試圖如圖4(d)所示，可看出輻射實測圖與仿真基本吻合。圖4(d)中的圓形表示圖1(c)中的YOZ平面，可看出與仿真效果基本一致，均實現(xiàn)了全向輻射；蝴蝶狀表示圖1(c)中的XOY平面，從圖4(d)中可看出，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(dá)4 dB。對這兩種不同形態(tài)的柔性天線進(jìn)行性能測試，通過反復(fù)測試發(fā)現(xiàn)對天線的拉伸或彎曲均不會對天線的輻射產(chǎn)生任何影響，柔性天線始終保持較穩(wěn)定的輻射性能。

4 結(jié) 論

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(shè)計的天線結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)行了電性能和機(jī)械性能的測試，實測的結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，達(dá)到了非常良好的效果。本文設(shè)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(yīng)用于無人機(jī)、生化檢測及人工智能方面。