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、結構緊湊、易共形等特點，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)為介質基底，并在介質基底的一側單面覆蓋金屬銅，設計了雙圓形輻射貼片和具有缺陷結構的金屬地。為了降低加工成本，簡化工藝流程，采用共面波導(CPW)的饋電方式，并基于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)工藝進行等離子(Plasma)刻蝕處理和天線加工制造。結果表明，所設計的天線帶寬達到 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，阻抗相對帶寬為 127%，與仿真結果基本一致。對加工后的天線進行彎曲效果測試，測試結果表明，在一定的彎曲條件下，該天線表現出良好的阻抗匹配特性和穩(wěn)定的遠場輻射模式，滿足超寬帶通信的需求，這使得它適合于現代柔性電子系統(tǒng)集成。

　　張眾賀; 張斌珍， 現代電子技術 發(fā)表時間：2021-09-01

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

　　0 引 言

　　美國聯邦通信委員會(FCC)為超寬帶(UWB)無線電應用分配了從 3.1~10.6 GHz的頻段，這給天線設計人員帶來了機遇和挑戰(zhàn)[1] ，也使得超寬帶系統(tǒng)的可行性設計和實現成為學術界和業(yè)界高度競爭的課題之一。超寬帶天線是超寬帶系統(tǒng)的關鍵組成部分，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。超寬帶系統(tǒng)可以集成在電子設備中，并可用于多種應用，如：多媒體連接和無線 PC 外設、無線網絡和移動計算服務的網絡接入[3] 。傳統(tǒng)天線是在剛性基板上刻蝕金屬圖案制作的，當剛性基板受外力擠壓和彎曲時容易變形甚至斷裂[4] 。與此同時，柔性電子技術應運而生，柔性電子產品與柔性天線集成，可滿足當今信息化社會對無線連接的需求[5] 。

　　目前可以實現柔性特征的材料有很多，例如：玻璃纖維、聚酰亞胺(PI)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚四氟乙烯(PTF)等。在天線領域，很多學者采用了不同的材料和不同的制作流程來實現天線的柔性，文獻[6]利用 PDMS 材料封裝液態(tài)金屬 EGain，實現了可拉伸的柔性天線，頻帶寬度為 6.9~ 13.8 GHz，但制作工藝復雜，在壓力過大時會有液態(tài)金屬流出，從而污染電子系統(tǒng)。文獻[7]設計了一款頻帶在 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，有良好的自我恢復性能，但其頻帶較窄，不能實現超寬帶性能。文獻[8]將透明導電織物嵌入PDMS材料中，實現了透明的全地平面的超寬帶天線，但因為其尺寸過大(80 mm×67 mm)，無法集成到現代緊湊和靈活的電子系統(tǒng)中。文獻[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用，特別是在可穿戴電子領域，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，經過等離子(Plasma)去膠處理使 PDMS 表層改性，對金屬的黏附性較強，金屬不易脫落，并且 PDMS 柔性基底具有無縫隙、恢復性強、抗腐蝕等優(yōu)點[10] 。綜合對比了上述天線，本文將傳統(tǒng)天線與新型柔性材料相結合，設計了一款結構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(CPW)的饋電方式，輻射元件和地平面都印在基板的同一側，降低了制造成本和復雜性，實現了高達 10.1 GHz (2.81~12.91 GHz)的頻寬。

　　1 天線的結構與設計

　　采用有限積分技術的全波仿真軟件 ANSYS HFSS 對該天線進行設計和參數化分析。基底采用新型柔性材料 PDMS，在雙圓形輻射貼片上和兩側的接地平面覆蓋金屬銅。在仿真中，PDMS 的相對介電常數 εr =2.67，介電損耗角正切 tan δ=0.037 5。該柔性天線的介質基板長為 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構的接地貼片和用于激勵的 CPW 饋電雙圓形貼片組成。由于天線和饋電結構是在平面上實現的，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。天線激勵由兩個串聯的圓形貼片組成，有 3 個參數：半徑 r1，半徑 r2，導帶寬度 Wg;天線的接地由兩側對稱的凹陷結構組成，有 4 個參數：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行反應[10] ;在普通實驗室條件下一般采用固化劑對 PDMS 本體進行催化交聯，得到硅氧烷的三維網絡型結構。固化劑用量越少，硅氧烷交聯體和硅氧烷低聚體的交聯密度越低，彈性模量越低，則 PDMS 會更加柔軟;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的 SYLGARDTM 184 SILICONE ELASTOMER BASE。產品分為固化劑和本體，最常見的配比方式為質量比1∶10，但同時不同的配比會有不同的彈性模量，常見的配比參數[12] 如表 1所示。

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

　　綜合上述實驗數據，天線的柔性基底采用彈性模量較為適中的 PDMS材料，固化劑與本體的質量比為 1∶10，在經過抽真空處理后，倒入硅片上自動流勻攤平，這個過程大致需要 3 h，在完全攤平后放置于烘臺上加熱，固化溫度為 65 ℃，時間為 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，還需對柔性基板進行等離子(Plasma)刻蝕處理，以增加 PDMS 表面對金屬的粘附性。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反應生成了-Si-O 鍵，其表層生成了一層薄薄的類硅層結構，與此同時，PDMS 表層的楊氏模量會有明顯的增加，而且會有相對明顯的脆性，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，表面粗糙度會影響金屬薄膜與高分子基材的粘附[14] 。在大多數物理過程和化學反應中，親水表面促進粘附和吸附，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型等離子去膠機對 PDMS 基板進行處理，并對參數進行測試，當采用過大的功率時，PDMS 表層變得破損，分析是因為形成了表層的類硅層之后，過大的氣體流量會使得表面具有相對脆性的類硅層破裂，從而影響天線實驗。進行多次實驗測量，當采用 150 W 的功率，150 sccm 的氣體流量時，有良好的效果。

　　在對基板進行處理后，將掩模板放置于 PDMS 上，進行磁控濺射工藝，掩模板鏤空的地方會被濺射上金屬，而不鏤空的地方則會被遮擋，加工過程如圖 3 所示，經實驗證明，在 PDMS 上濺射銅之后，天線有良好的柔韌性和自我恢復能力。

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

　　3 天線的測試

　　3.1 平面測試

　　用 Agilent N5224A 型矢量網絡分析儀對所制作的天線的回波損耗進行測試和比較，整個工作頻率上 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 S11 與實測反射系數 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，而實測帶寬覆蓋 2.83~12.69 GHz 區(qū)域。天線測量-10 dB 阻抗帶寬覆蓋了目標 3.1~10.6 GHz UWB 標準。

　　3.2 彎曲度及輻射性能測試

　　由于在柔性電子設備中集成時天線可能被彎曲，因此需要進行測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，因為這些參數在工作過程中容易受到影響。

　　分別在 x 和 y 方向對天線進行了彎曲測試，在彎曲條件下的回波損耗參數如圖 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為其介電常數更接近空氣。

　　通過在 y 軸彎曲不同角度，發(fā)現天線的頻點被保留了下來，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 的圓柱筒上則出現了阻帶，表3列出了6種情況下不同彎曲半徑對應的帶寬。上述實驗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系，天線的輻射模式會隨著彎曲度不同而改變，而在一定彎曲程度下能實現超寬帶傳輸的功能。

　　此外，還研究了彎曲對遠場輻射模式的影響。天線在微波暗室中進行測量，如圖8所示。圖 9給出了 8.2 GHz 時天線的 E 面和 H 面的輻射模式，在8.2 GHz的頻率下表現出典型的超寬頻特征與一個全向模式 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 語

　　本文設計和表征了一種重量輕、體積小、結構緊湊、易共形的超寬帶天線。天線由銅和 PDMS 集成，采用 MEMS 工藝對基板進行 Plasma 處理和磁控濺射，不會引入任何副產品，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，因此提出的 CPW 饋電設計產生了單層拓撲結構，促進了柔性天線的生產和制造的簡便性。此外，天線在不同方向的彎曲條件下進行了實驗測試，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)，為天線與電子設備的集成化提供了參考。