一款基于表面改性和MEMS工藝的超寬帶柔性天線

　　摘 要：文中提出一款新型的超寬帶(UWB)柔性天線，具有重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、易共形等特點(diǎn)，適用于超寬帶無線通信系統(tǒng)。該天線以柔性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)為介質(zhì)基底，并在介質(zhì)基底的一側(cè)單面覆蓋金屬銅，設(shè)計(jì)了雙圓形輻射貼片和具有缺陷結(jié)構(gòu)的金屬地。為了降低加工成本，簡化工藝流程，采用共面波導(dǎo)(CPW)的饋電方式，并基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)工藝進(jìn)行等離子(Plasma)刻蝕處理和天線加工制造。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的天線帶寬達(dá)到 9.86 GHz(2.83~ 12.69 GHz)頻率范圍，包括 3.1~10.6 GHz 的超寬帶(UWB)頻段，阻抗相對(duì)帶寬為 127%，與仿真結(jié)果基本一致。對(duì)加工后的天線進(jìn)行彎曲效果測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，在一定的彎曲條件下，該天線表現(xiàn)出良好的阻抗匹配特性和穩(wěn)定的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式，滿足超寬帶通信的需求，這使得它適合于現(xiàn)代柔性電子系統(tǒng)集成。

　　張眾賀; 張斌珍， 現(xiàn)代電子技術(shù) 發(fā)表時(shí)間：2021-09-01

　　關(guān)鍵詞：UWB柔性天線;超寬帶;共面波導(dǎo);表面改性;微電子機(jī)械系統(tǒng);柔性材料;PDMS基板

　　0 引 言

　　美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)為超寬帶(UWB)無線電應(yīng)用分配了從 3.1~10.6 GHz的頻段，這給天線設(shè)計(jì)人員帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)[1] ，也使得超寬帶系統(tǒng)的可行性設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)成為學(xué)術(shù)界和業(yè)界高度競(jìng)爭的課題之一。超寬帶天線是超寬帶系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，在過去的幾年里吸引了大量的研究力量[2] 。超寬帶具有較高的傳輸速率、較低的功耗以及與傳統(tǒng)無線系統(tǒng)相比更簡單的硬件需求等優(yōu)點(diǎn)。超寬帶系統(tǒng)可以集成在電子設(shè)備中，并可用于多種應(yīng)用，如：多媒體連接和無線 PC 外設(shè)、無線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)計(jì)算服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)接入[3] 。傳統(tǒng)天線是在剛性基板上刻蝕金屬圖案制作的，當(dāng)剛性基板受外力擠壓和彎曲時(shí)容易變形甚至斷裂[4] 。與此同時(shí)，柔性電子技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，柔性電子產(chǎn)品與柔性天線集成，可滿足當(dāng)今信息化社會(huì)對(duì)無線連接的需求[5] 。

　　目前可以實(shí)現(xiàn)柔性特征的材料有很多，例如：玻璃纖維、聚酰亞胺(PI)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚四氟乙烯(PTF)等。在天線領(lǐng)域，很多學(xué)者采用了不同的材料和不同的制作流程來實(shí)現(xiàn)天線的柔性，文獻(xiàn)[6]利用 PDMS 材料封裝液態(tài)金屬 EGain，實(shí)現(xiàn)了可拉伸的柔性天線，頻帶寬度為 6.9~ 13.8 GHz，但制作工藝復(fù)雜，在壓力過大時(shí)會(huì)有液態(tài)金屬流出，從而污染電子系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一款頻帶在 3.3~5.0 GHz的單極子柔性天線，基板采用PDMS材料，天線尺寸為 35 mm×35 mm，有良好的自我恢復(fù)性能，但其頻帶較窄，不能實(shí)現(xiàn)超寬帶性能。文獻(xiàn)[8]將透明導(dǎo)電織物嵌入PDMS材料中，實(shí)現(xiàn)了透明的全地平面的超寬帶天線，但因?yàn)槠涑叽邕^大(80 mm×67 mm)，無法集成到現(xiàn)代緊湊和靈活的電子系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于 2 mm 厚度織物的柔性紡織天線，天線工作在 2.35 GHz 頻段，雖然它適用于特定的應(yīng)用，特別是在可穿戴電子領(lǐng)域，但紡織基板容易起皺，且容易發(fā)生液體吸收及圖案分散，從而影響天線性能。

　　考慮到制作工藝及金屬在基板上的粘附性，選擇 PDMS 作為基板材料。相比于以上材料，PDMS 制造簡單，經(jīng)過等離子(Plasma)去膠處理使 PDMS 表層改性，對(duì)金屬的黏附性較強(qiáng)，金屬不易脫落，并且 PDMS 柔性基底具有無縫隙、恢復(fù)性強(qiáng)、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[10] 。綜合對(duì)比了上述天線，本文將傳統(tǒng)天線與新型柔性材料相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)緊湊雙圓型的超寬帶柔性天線。該天線以厚度為 0.6 mm 的 PDMS為基底，并采用共面波導(dǎo)(CPW)的饋電方式，輻射元件和地平面都印在基板的同一側(cè)，降低了制造成本和復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 10.1 GHz (2.81~12.91 GHz)的頻寬。

　　1 天線的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

　　采用有限積分技術(shù)的全波仿真軟件 ANSYS HFSS 對(duì)該天線進(jìn)行設(shè)計(jì)和參數(shù)化分析。基底采用新型柔性材料 PDMS，在雙圓形輻射貼片上和兩側(cè)的接地平面覆蓋金屬銅。在仿真中，PDMS 的相對(duì)介電常數(shù) εr =2.67，介電損耗角正切 tan δ=0.037 5。該柔性天線的介質(zhì)基板長為 L，寬為 W，厚度為 0.6 mm。該天線由在 PDMS 基板上濺射出的具有凹陷結(jié)構(gòu)的接地貼片和用于激勵(lì)的 CPW 饋電雙圓形貼片組成。由于天線和饋電結(jié)構(gòu)是在平面上實(shí)現(xiàn)的，所以只使用了一層單面金屬化的基板，使得天線的制造非常簡單，而且成本極低。在實(shí)踐中， CPW 線路與射頻或者微波電路集成在系統(tǒng)板上。天線激勵(lì)由兩個(gè)串聯(lián)的圓形貼片組成，有 3 個(gè)參數(shù)：半徑 r1，半徑 r2，導(dǎo)帶寬度 Wg;天線的接地由兩側(cè)對(duì)稱的凹陷結(jié)構(gòu)組成，有 4 個(gè)參數(shù)：間隙 g1，間隙 g2，間隙 g3，金屬地高度 L1，如圖 1所示。其中，L = 40，W = 25，H = 0.6，r1 = 8， r2 = 6.2，g1 = 0.2，g2 = 0.73，g3 = 1.5，L1 = 20.9，Wg = 1。

　　2 天線的制備工藝

　　2.1 PDMS基板制備過程

　　在天線的制作過程中，第一步要考慮的是柔性基板的制作。聚二甲基硅氧烷(PDMS)通常有兩種合成方法：在工業(yè)上的制備方法是將二甲基氯硅烷和水進(jìn)行反應(yīng)[10] ;在普通實(shí)驗(yàn)室條件下一般采用固化劑對(duì) PDMS 本體進(jìn)行催化交聯(lián)，得到硅氧烷的三維網(wǎng)絡(luò)型結(jié)構(gòu)。固化劑用量越少，硅氧烷交聯(lián)體和硅氧烷低聚體的交聯(lián)密度越低，彈性模量越低，則 PDMS 會(huì)更加柔軟;反之，固化劑用量越高，彈性模量越高，柔軟程度則越低[11] 。

　　本文采用了美國道康寧公司生產(chǎn)的 SYLGARDTM 184 SILICONE ELASTOMER BASE。產(chǎn)品分為固化劑和本體，最常見的配比方式為質(zhì)量比1∶10，但同時(shí)不同的配比會(huì)有不同的彈性模量，常見的配比參數(shù)[12] 如表 1所示。

　　不僅固化劑的配比會(huì)影響柔性基板的特性，加熱時(shí)間也同樣會(huì)影響，常見的固化時(shí)間與加熱溫度之間的關(guān)系[12] ，如表 2所示。

　　綜合上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，天線的柔性基底采用彈性模量較為適中的 PDMS材料，固化劑與本體的質(zhì)量比為 1∶10，在經(jīng)過抽真空處理后，倒入硅片上自動(dòng)流勻攤平，這個(gè)過程大致需要 3 h，在完全攤平后放置于烘臺(tái)上加熱，固化溫度為 65 ℃，時(shí)間為 240 min，流程如圖 2所示。

　　2.2 基板改性及天線制作

　　在制作好柔性基板后，還需對(duì)柔性基板進(jìn)行等離子(Plasma)刻蝕處理，以增加 PDMS 表面對(duì)金屬的粘附性。在處理過程中，氧在高電壓的作用下成為氧離子，氧離子轟擊基板表層與 PDMS 表層的懸掛鍵-Si-CH3反應(yīng)生成了-Si-O 鍵，其表層生成了一層薄薄的類硅層結(jié)構(gòu)，與此同時(shí)，PDMS 表層的楊氏模量會(huì)有明顯的增加，而且會(huì)有相對(duì)明顯的脆性，但是下層的 PDMS 不受影響，依然保證了良好的延展性[13] 。基板表層的類硅層的粗糙度明顯改變，已有研究表明，表面粗糙度會(huì)影響金屬薄膜與高分子基材的粘附[14] 。在大多數(shù)物理過程和化學(xué)反應(yīng)中，親水表面促進(jìn)粘附和吸附，而疏水表面則相反。此外，較大的表面粗糙度也被認(rèn)為有助于金屬與 PDMS之間的粘附[15] 。利用 PVA.TEP型等離子去膠機(jī)對(duì) PDMS 基板進(jìn)行處理，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)采用過大的功率時(shí)，PDMS 表層變得破損，分析是因?yàn)樾纬闪吮韺拥念惞鑼又螅^大的氣體流量會(huì)使得表面具有相對(duì)脆性的類硅層破裂，從而影響天線實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)測(cè)量，當(dāng)采用 150 W 的功率，150 sccm 的氣體流量時(shí)，有良好的效果。

　　在對(duì)基板進(jìn)行處理后，將掩模板放置于 PDMS 上，進(jìn)行磁控濺射工藝，掩模板鏤空的地方會(huì)被濺射上金屬，而不鏤空的地方則會(huì)被遮擋，加工過程如圖 3 所示，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，在 PDMS 上濺射銅之后，天線有良好的柔韌性和自我恢復(fù)能力。

　　制作好的天線如圖 4 所示，在天線的兩個(gè)方向進(jìn)行了彎曲，制作的天線被證明具有良好的柔性機(jī)械特性，使其容易彎曲而不受機(jī)械損傷，金屬層與基板粘合牢固可以在工程中使用。

　　3 天線的測(cè)試

　　3.1 平面測(cè)試

　　用 Agilent N5224A 型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)所制作的天線的回波損耗進(jìn)行測(cè)試和比較，整個(gè)工作頻率上 S11<-10 dB。從圖 5 可以看出，CPW 饋電型超寬帶天線的模擬反射系數(shù) S11 與實(shí)測(cè)反射系數(shù) S11 具有很好的一致性。10 dB 模擬阻抗帶寬覆蓋 2.81~12.9 GHz區(qū)域，而實(shí)測(cè)帶寬覆蓋 2.83~12.69 GHz 區(qū)域。天線測(cè)量-10 dB 阻抗帶寬覆蓋了目標(biāo) 3.1~10.6 GHz UWB 標(biāo)準(zhǔn)。

　　3.2 彎曲度及輻射性能測(cè)試

　　由于在柔性電子設(shè)備中集成時(shí)天線可能被彎曲，因此需要進(jìn)行測(cè)試來表征天線在操作期間的電磁性能。另一方面，特別是天線的電磁性能諧振頻率和回路損耗在彎曲作用下需要表征，因?yàn)檫@些參數(shù)在工作過程中容易受到影響。

　　分別在 x 和 y 方向?qū)μ炀€進(jìn)行了彎曲測(cè)試，在彎曲條件下的回波損耗參數(shù)如圖 6 和圖 7 所示，把天線綁在半徑不一的圓柱形的泡沫上，選擇泡沫的原因是因?yàn)槠浣殡姵?shù)更接近空氣。

　　通過在 y 軸彎曲不同角度，發(fā)現(xiàn)天線的頻點(diǎn)被保留了下來，其帶寬在半徑為 30 mm 和 20 mm 的圓柱筒泡沫被很好地保留，比天線在平面模式下傳輸增加了約4%的帶寬，反而在彎曲度更低的40 mm圓柱筒上出現(xiàn)了阻帶。通過在 x 軸彎曲不同角度，天線帶寬在半徑為 40 mm 和 30 mm 的圓柱筒泡沫被很好地保留，比天線在平面模式下傳輸增加了約 6% 的帶寬，而在 20 mm 的圓柱筒上則出現(xiàn)了阻帶，表3列出了6種情況下不同彎曲半徑對(duì)應(yīng)的帶寬。上述實(shí)驗(yàn)說明柔性天線在彎曲模式的輻射不與彎曲角度成正比率關(guān)系，天線的輻射模式會(huì)隨著彎曲度不同而改變，而在一定彎曲程度下能實(shí)現(xiàn)超寬帶傳輸?shù)墓δ堋?/p>

　　此外，還研究了彎曲對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式的影響。天線在微波暗室中進(jìn)行測(cè)量，如圖8所示。圖 9給出了 8.2 GHz 時(shí)天線的 E 面和 H 面的輻射模式，在8.2 GHz的頻率下表現(xiàn)出典型的超寬頻特征與一個(gè)全向模式 H 面。總的來說，圖中描繪了不同輻射平面中穩(wěn)定的功率分布。

　　4 結(jié) 語

　　本文設(shè)計(jì)和表征了一種重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、易共形的超寬帶天線。天線由銅和 PDMS 集成，采用 MEMS 工藝對(duì)基板進(jìn)行 Plasma 處理和磁控濺射，不會(huì)引入任何副產(chǎn)品，提高了成本效益和環(huán)境友好性。由于輻射元件和地平面都沉積在基板的同側(cè)，因此提出的 CPW 饋電設(shè)計(jì)產(chǎn)生了單層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，促進(jìn)了柔性天線的生產(chǎn)和制造的簡便性。此外，天線在不同方向的彎曲條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在一定的彎曲條件下有良好的回波損耗，適用于超寬帶無線通信系統(tǒng)，為天線與電子設(shè)備的集成化提供了參考。