刘筠筠，张 军

（郑州科技学院a.信息工程学院；b.电气工程学院，郑州 450064）

0 引言

近些年来，由于社会的快速发展和科学技术的不断创新，传统的平面电子器件已经很难再适应现在复杂多变的环境，发展迅速的柔性电子器件受到了越来越多人的追捧。柔性电子器件具有一定程度的拉伸、弯曲，且可与任意曲面共形的特点，在无线通信的领域的应用越来越广泛［1］。无线通信中最为核心的部件当属用来发射和接收电磁波的天线，每年都有众多科学家为了突破天线在较大弯曲的同时具备较高的辐射稳定性，纷纷寻找各式各样新的柔性材料替代常规材料作为微带天线的基底。Gerard 2012 年将注射液态金属共晶镓铟（Eutectic gallium indium，EGaIn）的PDMS作为基底设计并制作了长方形微带天线，通过测量其中心频率可达3.4 GHz［2］。到了2014 年，Song等［3］在1 mm厚PDMS基底的表面掺杂了Ag纳米线，最后制造出了频率分别为3 和6 GHz的长方形微带贴片天线和二元贴片阵列。Hussain等［4］在2016 年通过在聚酰亚胺（Polyimide，PI）上电镀4 μm 的铜制造出了柔性可用于穿戴的天线，制造的天线呈S形，通过测量可得其中心频率可达2.45 GHz。到了2017 年，Yan等［5］通过磁控溅射技术在PI 膜上溅射了一层厚度为50 nm的金属银，当制作的天线拉伸200%时，其中心频率依然可达5.6 GHz。由于制造天线时对PDMS 基底的厚度无严格要求，且制作工艺简单易操作，通过去胶处理后仍与各种金属保持较强的黏附性，具有弹性强、价格便宜、可重复利用等一系列优点［6］，因此本文也选用PDMS作为制备高稳定性柔性天线的材料。

制备天线时，可在基底上涂一层褶皱的金属薄膜增加天线适应机械应变的能力［1］。通过这种技术制成的天线不仅性能优异，而且柔软性特别强，不仅适用于可穿戴柔性皮肤中，还在无人机、生化检测及人工智能方面有着特别广泛的应用。

综上所述，本文以柔性PDMS 为基底完成柔性微带天线的制作。为了降低制作难度，本文以单面覆铜的共面波导为馈电方式，结合微电子机械系统（Microelectro-mechanical System，MEMS）完成天线的加工与制作，并对制作的天线进行了弯曲状态下的仿真与实际性能测试。

1 天线的仿真设计

本文设计的天线包含两层结构，如图1（a）所示。以柔性PDMS［7］（相对介电常数和损耗角正切值分别为2.35 和0.037 5）为基底的底层结构尺寸为30 mm×30 mm×1 mm。天线的顶层结构主要包含20 mm×15 mm的去角矩形辐射贴片、共面波导传输线（一边接矩形辐射贴片，另一边接地）及两面接地结构。渐变的共面波导传输线（d1＜d2）是为了确保输入的阻抗和50 Ω的SMA连接器匹配。波导传输线和位于同一侧的接地面结构一起形成共平面结构，这种共平面结构可产生断续的位移电流，因此波导传输线和接地面结构中间的小缝隙可通过交变电场产生横向和纵向电磁分量。本文使用的共面波导结构具备非常优越的性能［8］，比如其具有非常好的色散性，在使用过程中辐射损耗非常小且易与电子器件集成，不但可提高电路的密度，而且制成的天线可实现微小型化。

本文对天线结构进行仿真的软件为ANSYS HFSS软件，天线回波损耗S11和辐射效率re的仿真结果如图1（b）所示。首先分析回波损耗，从仿真结果上可以看出，-10 dB 的阻抗带宽为1.68 GHz，中心频率为7.55 GHz时对应的S11为-45 dB，可看出阻抗匹配非常完美；接着对辐射效率进行分析，通过观察看到，re在中心频率7.55 处及1.68 GHz 带宽内均大于0.7，说明本文设计的天线往外辐射的有效功率为总输入功率的70%，具有低损耗且高效率特点。辐射方向的3D仿真结果如图1（c）所示。左边的一列数据代表天线的增益，当中心频率为7.55 GHz 时，在XOY面上，非接地方向最大辐射高达4 dB；而接地面方向，由于缝隙产生的交变电场对天线的方向具有一定的影响，使得增益低于4 dB；在YOZ面上，可以看到天线实现了全向辐射，从天线辐射的整体来看，本文设计的天线具有稳定的辐射方向。

图1 天线的设计结构与仿真结果（mm）

2 天线的制备

采用MEMS工艺完成柔性天线的制作与加工，首先进行柔性基底的制备，PDMS 聚合物和固化剂按照质量比为15∶1的比例放入烧杯中，然后用玻璃棒不断地搅拌直至均匀，接着将均匀的PDMS 混合物倒入玻璃板上旋涂均匀后放至烘台上，温度调至80 ℃加热4 h确保PDMS 固化。将固化的PDMS 从玻璃板上小心撕下剪成7 cm×4 cm 的长方形备用，如图2 所示。将拉伸50%的PDMS 放入等离子体机（Plasma）中处理1 min，Plasma的功率设置为200 W，气流量设置为150 mL。处理完毕后缓慢释放拉伸后的PDMS。将释放的PDMS薄膜通过磁控溅射蒸镀一层厚度为1 μm的金属铜薄膜，不锈钢掩膜版如图3（a）所示。溅射完毕后去掉掩膜版可看到蒸镀的铜膜结构，即天线实物，如图3（b）所示。通过扫描电子显微镜（SEM）观察天线的表面形貌如图3（c）所示，从图上可以看到，天线的表面褶皱以周期为200 nm的正弦波分布。

图2 PDMS的裁剪与预拉伸

图3 天线的制备过程及表面形貌

3 测试及结果

本文利用Agilent N5224A矢量网络分析仪完成柔性天线的各种性能测试。如图4（a）所示，从图上可以看到，天线无拉伸时，天线的回波损耗在中心频率为7.61 GHz处具有最佳效果，S11为-29.54 dB，实测效果与仿真结果具有很高的吻合度。随后对天线处于拉伸状态下进行性能测试，假设天线的拉伸长度为x，将天线分别拉伸至10%（即3 mm）、20%（即6 mm）、30%（即9 mm）、40%（即12 mm），中心频率的波动范围为7.61～7.85 GHz，如图4（b）所示。通过对柔性天线进行重复拉伸测试后发现中心频率基本无变化，较为稳定。本文对天线的最大拉伸量为40%，测试过程中制造的柔性天线始终保持良好的性能。接着对柔性天线进行弯曲状态下的性能测试，以图3（b）中的x轴为中心轴，假设天线的弯曲角度为α，对天线分别弯曲0°、90°、180°、270°、360°，如图4（c）所示。从图可以看出，无论天线的弯曲程度如何，中心频率均保持在7.61 GHz附近。通过对柔性天线进行重复弯曲测试后发现中心频率基本无变化，较为稳定，始终保持在7.61 GHz附近。

通过微波暗室完成柔性天线在自然状态下的辐射性能测试，测试图如图4（d）所示，从图上可看到辐射实测图与仿真基本吻合。图上的圆形表示图1（c）中的YOZ平面，可看出与仿真效果基本一致，均实现了全向辐射；蝴蝶状表示图1（c）中的XOY平面，从图上可看出，仿真中最大辐射方向的增益为4.5 dB，实测中最大辐射方向的增益可达4 dB。接着对这两种不同形态的柔性天线进行性能测试，通过反复测试发现对天线的拉伸或弯曲均不会对天线的辐射产生任何影响，柔性天线始终保持较稳定的辐射性能。

图4 对柔性天线的测试结果

4 结语

本文以柔性PDMS为基底完成了柔性微带天线的制作。首先利用ANSYS HFSS仿真软件对设计的天线结构进行了仿真，然后通过对PDMS 的制备及磁控溅射工艺完成了柔性微带天线的制备，最后对柔性天线进行了电性能和机械性能的测试，实测的结果与仿真结果基本一致，达到了非常良好的效果。本文设计与制造的柔性微带天线不仅适用于可穿戴柔性皮肤中，还可应用于无人机、生化检测及人工智能方面。