一款基于表面改性和MEMS工艺的超宽带柔性天线

　　摘 要：文中提出一款新型的超宽带(UWB)柔性天线，具有重量轻、体积小、结构紧凑、易共形等特点，适用于超宽带无线通信系统。该天线以柔性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)为介质基底，并在介质基底的一侧单面覆盖金属铜，设计了双圆形辐射贴片和具有缺陷结构的金属地。为了降低加工成本，简化工艺流程，采用共面波导(CPW)的馈电方式，并基于微电子机械系统(MEMS)工艺进行等离子(Plasma)刻蚀处理和天线加工制造。结果表明，所设计的天线带宽达到 9.86 GHz(2.83~ 12.69 GHz)频率范围，包括 3.1~10.6 GHz 的超宽带(UWB)频段，阻抗相对带宽为 127%，与仿真结果基本一致。对加工后的天线进行弯曲效果测试，测试结果表明，在一定的弯曲条件下，该天线表现出良好的阻抗匹配特性和稳定的远场辐射模式，满足超宽带通信的需求，这使得它适合于现代柔性电子系统集成。

　　张众贺; 张斌珍， 现代电子技术 发表时间：2021-09-01

　　关键词：UWB柔性天线;超宽带;共面波导;表面改性;微电子机械系统;柔性材料;PDMS基板

　　0 引 言

　　美国联邦通信委员会(FCC)为超宽带(UWB)无线电应用分配了从 3.1~10.6 GHz的频段，这给天线设计人员带来了机遇和挑战[1] ，也使得超宽带系统的可行性设计和实现成为学术界和业界高度竞争的课题之一。超宽带天线是超宽带系统的关键组成部分，在过去的几年里吸引了大量的研究力量[2] 。超宽带具有较高的传输速率、较低的功耗以及与传统无线系统相比更简单的硬件需求等优点。超宽带系统可以集成在电子设备中，并可用于多种应用，如：多媒体连接和无线 PC 外设、无线网络和移动计算服务的网络接入[3] 。传统天线是在刚性基板上刻蚀金属图案制作的，当刚性基板受外力挤压和弯曲时容易变形甚至断裂[4] 。与此同时，柔性电子技术应运而生，柔性电子产品与柔性天线集成，可满足当今信息化社会对无线连接的需求[5] 。

　　目前可以实现柔性特征的材料有很多，例如：玻璃纤维、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚四氟乙烯(PTF)等。在天线领域，很多学者采用了不同的材料和不同的制作流程来实现天线的柔性，文献[6]利用 PDMS 材料封装液态金属 EGain，实现了可拉伸的柔性天线，频带宽度为 6.9~ 13.8 GHz，但制作工艺复杂，在压力过大时会有液态金属流出，从而污染电子系统。文献[7]设计了一款频带在 3.3~5.0 GHz的单极子柔性天线，基板采用PDMS材料，天线尺寸为 35 mm×35 mm，有良好的自我恢复性能，但其频带较窄，不能实现超宽带性能。文献[8]将透明导电织物嵌入PDMS材料中，实现了透明的全地平面的超宽带天线，但因为其尺寸过大(80 mm×67 mm)，无法集成到现代紧凑和灵活的电子系统中。文献[9]提出了一种基于 2 mm 厚度织物的柔性纺织天线，天线工作在 2.35 GHz 频段，虽然它适用于特定的应用，特别是在可穿戴电子领域，但纺织基板容易起皱，且容易发生液体吸收及图案分散，从而影响天线性能。

　　考虑到制作工艺及金属在基板上的粘附性，选择 PDMS 作为基板材料。相比于以上材料，PDMS 制造简单，经过等离子(Plasma)去胶处理使 PDMS 表层改性，对金属的黏附性较强，金属不易脱落，并且 PDMS 柔性基底具有无缝隙、恢复性强、抗腐蚀等优点[10] 。综合对比了上述天线，本文将传统天线与新型柔性材料相结合，设计了一款结构紧凑双圆型的超宽带柔性天线。该天线以厚度为 0.6 mm 的 PDMS为基底，并采用共面波导(CPW)的馈电方式，辐射元件和地平面都印在基板的同一侧，降低了制造成本和复杂性，实现了高达 10.1 GHz (2.81~12.91 GHz)的频宽。

　　1 天线的结构与设计

　　采用有限积分技术的全波仿真软件 ANSYS HFSS 对该天线进行设计和参数化分析。基底采用新型柔性材料 PDMS，在双圆形辐射贴片上和两侧的接地平面覆盖金属铜。在仿真中，PDMS 的相对介电常数 εr =2.67，介电损耗角正切 tan δ=0.037 5。该柔性天线的介质基板长为 L，宽为 W，厚度为 0.6 mm。该天线由在 PDMS 基板上溅射出的具有凹陷结构的接地贴片和用于激励的 CPW 馈电双圆形贴片组成。由于天线和馈电结构是在平面上实现的，所以只使用了一层单面金属化的基板，使得天线的制造非常简单，而且成本极低。在实践中， CPW 线路与射频或者微波电路集成在系统板上。天线激励由两个串联的圆形贴片组成，有 3 个参数：半径 r1，半径 r2，导带宽度 Wg;天线的接地由两侧对称的凹陷结构组成，有 4 个参数：间隙 g1，间隙 g2，间隙 g3，金属地高度 L1，如图 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 天线的制备工艺

　　2.1 PDMS基板制备过程

　　在天线的制作过程中，第一步要考虑的是柔性基板的制作。聚二甲基硅氧烷(PDMS)通常有两种合成方法：在工业上的制备方法是将二甲基氯硅烷和水进行反应[10] ;在普通实验室条件下一般采用固化剂对 PDMS 本体进行催化交联，得到硅氧烷的三维网络型结构。固化剂用量越少，硅氧烷交联体和硅氧烷低聚体的交联密度越低，弹性模量越低，则 PDMS 会更加柔软;反之，固化剂用量越高，弹性模量越高，柔软程度则越低[11] 。

　　本文采用了美国道康宁公司生产的 SYLGARDTM 184 SILICONE ELASTOMER BASE。产品分为固化剂和本体，最常见的配比方式为质量比1∶10，但同时不同的配比会有不同的弹性模量，常见的配比参数[12] 如表 1所示。

　　不仅固化剂的配比会影响柔性基板的特性，加热时间也同样会影响，常见的固化时间与加热温度之间的关系[12] ，如表 2所示。

　　综合上述实验数据，天线的柔性基底采用弹性模量较为适中的 PDMS材料，固化剂与本体的质量比为 1∶10，在经过抽真空处理后，倒入硅片上自动流匀摊平，这个过程大致需要 3 h，在完全摊平后放置于烘台上加热，固化温度为 65 ℃，时间为 240 min，流程如图 2所示。

　　2.2 基板改性及天线制作

　　在制作好柔性基板后，还需对柔性基板进行等离子(Plasma)刻蚀处理，以增加 PDMS 表面对金属的粘附性。在处理过程中，氧在高电压的作用下成为氧离子，氧离子轰击基板表层与 PDMS 表层的悬挂键-Si-CH3反应生成了-Si-O 键，其表层生成了一层薄薄的类硅层结构，与此同时，PDMS 表层的杨氏模量会有明显的增加，而且会有相对明显的脆性，但是下层的 PDMS 不受影响，依然保证了良好的延展性[13] 。基板表层的类硅层的粗糙度明显改变，已有研究表明，表面粗糙度会影响金属薄膜与高分子基材的粘附[14] 。在大多数物理过程和化学反应中，亲水表面促进粘附和吸附，而疏水表面则相反。此外，较大的表面粗糙度也被认为有助于金属与 PDMS之间的粘附[15] 。利用 PVA.TEP型等离子去胶机对 PDMS 基板进行处理，并对参数进行测试，当采用过大的功率时，PDMS 表层变得破损，分析是因为形成了表层的类硅层之后，过大的气体流量会使得表面具有相对脆性的类硅层破裂，从而影响天线实验。进行多次实验测量，当采用 150 W 的功率，150 sccm 的气体流量时，有良好的效果。

　　在对基板进行处理后，将掩模板放置于 PDMS 上，进行磁控溅射工艺，掩模板镂空的地方会被溅射上金属，而不镂空的地方则会被遮挡，加工过程如图 3 所示，经实验证明，在 PDMS 上溅射铜之后，天线有良好的柔韧性和自我恢复能力。

　　制作好的天线如图 4 所示，在天线的两个方向进行了弯曲，制作的天线被证明具有良好的柔性机械特性，使其容易弯曲而不受机械损伤，金属层与基板粘合牢固可以在工程中使用。

　　3 天线的测试

　　3.1 平面测试

　　用 Agilent N5224A 型矢量网络分析仪对所制作的天线的回波损耗进行测试和比较，整个工作频率上 S11<-10 dB。从图 5 可以看出，CPW 馈电型超宽带天线的模拟反射系数 S11 与实测反射系数 S11 具有很好的一致性。10 dB 模拟阻抗带宽覆盖 2.81~12.9 GHz区域，而实测带宽覆盖 2.83~12.69 GHz 区域。天线测量-10 dB 阻抗带宽覆盖了目标 3.1~10.6 GHz UWB 标准。

　　3.2 弯曲度及辐射性能测试

　　由于在柔性电子设备中集成时天线可能被弯曲，因此需要进行测试来表征天线在操作期间的电磁性能。另一方面，特别是天线的电磁性能谐振频率和回路损耗在弯曲作用下需要表征，因为这些参数在工作过程中容易受到影响。

　　分别在 x 和 y 方向对天线进行了弯曲测试，在弯曲条件下的回波损耗参数如图 6 和图 7 所示，把天线绑在半径不一的圆柱形的泡沫上，选择泡沫的原因是因为其介电常数更接近空气。

　　通过在 y 轴弯曲不同角度，发现天线的频点被保留了下来，其带宽在半径为 30 mm 和 20 mm 的圆柱筒泡沫被很好地保留，比天线在平面模式下传输增加了约4%的带宽，反而在弯曲度更低的40 mm圆柱筒上出现了阻带。通过在 x 轴弯曲不同角度，天线带宽在半径为 40 mm 和 30 mm 的圆柱筒泡沫被很好地保留，比天线在平面模式下传输增加了约 6% 的带宽，而在 20 mm 的圆柱筒上则出现了阻带，表3列出了6种情况下不同弯曲半径对应的带宽。上述实验说明柔性天线在弯曲模式的辐射不与弯曲角度成正比率关系，天线的辐射模式会随着弯曲度不同而改变，而在一定弯曲程度下能实现超宽带传输的功能。

　　此外，还研究了弯曲对远场辐射模式的影响。天线在微波暗室中进行测量，如图8所示。图 9给出了 8.2 GHz 时天线的 E 面和 H 面的辐射模式，在8.2 GHz的频率下表现出典型的超宽频特征与一个全向模式 H 面。总的来说，图中描绘了不同辐射平面中稳定的功率分布。

　　4 结 语

　　本文设计和表征了一种重量轻、体积小、结构紧凑、易共形的超宽带天线。天线由铜和 PDMS 集成，采用 MEMS 工艺对基板进行 Plasma 处理和磁控溅射，不会引入任何副产品，提高了成本效益和环境友好性。由于辐射元件和地平面都沉积在基板的同侧，因此提出的 CPW 馈电设计产生了单层拓扑结构，促进了柔性天线的生产和制造的简便性。此外，天线在不同方向的弯曲条件下进行了实验测试，在一定的弯曲条件下有良好的回波损耗，适用于超宽带无线通信系统，为天线与电子设备的集成化提供了参考。