CN107146947B

CN107146947B - 一种瞬态微带天线

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Publication number: CN107146947B
Application number: CN201710313529.2A
Authority: CN
Inventors: 张怀武; 许方; 郁国良; 廖宇龙; 李元勋; 王向展; 廖斌; 张恒军; 邱文清
Original assignee: GANZHOU DPT TECHNOLOGY CO LTD; University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: GANZHOU DPT TECHNOLOGY CO LTD; University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2017-05-05
Filing date: 2017-05-05
Publication date: 2019-09-27
Anticipated expiration: 2037-05-05
Also published as: CN107146947A

Abstract

本发明提供了一种瞬态微带天线，属于微带天线技术领域。本发明包括：底面设有接地金属层的水溶性基底，水溶性基底顶面设有辐射贴片，其中水溶性基底是由聚乙烯醇与纳米二氧化碳形成的复合薄膜，辐射贴片材料为镁，接地金属层材料为铜。本发明瞬态天线的水溶性基底材料具有介电性能优异、质量轻、体积小且易于集成的优势；此外，基底的介电性能和降解速率可以通过调节纳米二氧化钛的填充量进行控制。本发明具有环境友好、成本低廉的优势，运用于安全电子器件、植入式可降解远程医疗器件、零废物消费电子器件等领域具有广阔前景。

Description

一种瞬态微带天线

技术领域

本发明属于微带天线技术领域，具体涉及一种具有水溶性的瞬态微带天线。

背景技术

微带天线(Microstrip Antennas)是由导体薄片贴附在背面有导体接地板的介质基板上形成的天线。微带天线最初应用为火箭和导弹的共性天线，现在已经被广泛用于无线通信技术、导航技术和雷达技术等若干领域中。在现有的各类微带天线中，微带天线的基板材料除了具备优异性能之外，还需要适应不同的应用环境，而这种稳定性的特点往往是长时间或永久的，但也正是由于这种稳定性使得当前淘汰或者损毁的电子器件成为了污染环境的主要源头之一。同时，随着信息安全的不断加强，传统的微带天线在某些领域暴露出了问题与不足，比如：在军事运用上如果要求关键部件能部分或完全分解的器件以有效地保护机密信息的泄露，这就对器件的可降解性能提出了崭新的要求。此外，无线数据遥测与能量传输在无线医疗设备的设计开发及医疗保健方面具有十分广阔的应用市场，微带天线用于远程医疗通信以传递诊断信息是未来生物医疗发展的必然趋势。如果植入天线能够为生物体相容并且在特定时间内可以发生降解并被人体代谢，这将极大地减少病人的痛楚和降低医疗成本。因此在微带天线获得广泛应用的同时，如何在保证性能的同时使得微带天线的降解能力满足实际需求成为了本领域技术人员想要解决的技术问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种具有水溶性且性能优异的瞬态微带天线，以减少电子垃圾的污染，保护环境，同时在安全电子器件、植入式可降解远程医疗器件等领域能够发挥重要作用。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种瞬态微带天线，包括：底面设有接地金属层的水溶性基底，水溶性基底顶面设有辐射贴片；其中：水溶性基底为聚乙烯醇与纳米二氧化钛形成的复合薄膜，所述辐射贴片的材料为镁，所述接地金属层的材料为铜。

本发明中瞬态微带天线可以通过同轴馈线或者微带馈线与辐射贴片相连而馈电，也可以通过电磁耦合进行非接触式馈电。

本发明中聚乙烯醇(PVA)是一种含有大量羟基(-OH)的聚合物。由于其侧基-OH的体积较小，可进入结晶点中而不造成应力，故有高度结晶性，同时PVA分子链上带有大量的-OH，极性很强，-OH上的氢与电负性很强的氧原子相连，使氢氧键高度极化，一个-OH上带有部分正电荷的氢，可与另一个-OH上带有部分负电荷的氧相互吸引，形成大量分子内与分子间的氢键。以上这些结构决定了PVA具有水溶性，醇解度是衡量PVA水溶性的一个重要指标，作为优选实施方式，本发明中聚乙烯醇的醇解度为92％～94mol％。

由于PVA是结晶聚合物，而本发明对其水溶性有较高要求，其分子内和分子间有大量氢键，使得熔点较高，与其分解温度很接近，故制备聚乙烯醇和纳米二氧化钛形成的复合薄膜通常采用溶液浇注法进行制备。

具体地，聚乙烯醇和纳米二氧化钛形成的复合薄膜的制备过程如下：将聚乙烯醇溶液与纳米二氧化钛通过磁力搅拌、高速电动搅拌机等方式混合均匀后，静置消除气泡或者采用真空脱泡处理，然后取混合胶液涂布至表面洁净平整的制作板上形成厚度均匀的湿膜，经干燥成膜后剥离制得水溶性复合薄膜。

作为优选实施方式，采用溶液浇注法制备时，聚乙烯醇水溶液的浓度为5.0wt.％～8.0wt.％，聚乙烯醇水溶液与纳米二氧化钛的质量比为1000∶1～2。

本发明中水溶性复合薄膜的厚度可根据PVA溶液浓度控制。

本发明中辐射贴片通过将金属镁磁控溅射沉积至水溶性基底形成目标图案。

本发明中接地金属层通过将金属铜磁控溅射沉积至水溶性基底底面。进一步地，所述水溶性基底的介电常数和介电损耗通过TiO₂的填充量进行调节，制得具有良好介电性能的水溶性基底；并且TiO₂的存在会提高材料的耐水性，因此通过调节TiO₂的填充量也可达到控制基底材料的降解速率的目的。

通过同轴馈线、微带馈线或者电磁耦合将本发明瞬态微带天线接入微波电路中，根据本发明实施例可以看出：基于水溶性基底制得的微带天线在辐射贴片法线方向有着最大辐射，插入损耗低；将本发明微带天线浸泡在水中，基底材料可以在数十分钟内完全或大部分溶解，由于基底溶解，辐射贴片的图案变得模糊，最终，金属镁辐射贴片也溶解于水中。因此，本发明瞬态微带天线达到使用寿命后或者完成特定的任务后能够溶解于水中降解成对自然环境无害的材料。

本发明的有益效果是：

本发明采用水溶性材料和能水解的金属镁分别作为基底和辐射贴片，在接触水的条件下即可触发微带天线的降解，达到防止信息泄露的目的；进一步地，本发明瞬态天线的水溶性基底材料是采用纳米二氧化钛与聚乙烯醇形成的复合薄膜，具有介电性能优异、质量轻、体积小且易于集成的优势；并且基底材料的介电性能可以通过纳米二氧化钛的填充量进行调控，进而有效地控制天线的插入损耗和辐射效率，同时，纳米二氧化钛的存在会降低基底材料在水中的溶解速率，因此，通过调节纳米二氧化钛的填充量也可达到控制基底材料的降解速率的目的。本发明具有环境友好、成本低廉的优势，运用于安全电子器件、植入式可降解远程医疗器件、零废物消费电子器件等领域具有广阔前景。

附图说明

图1为实施例瞬态天线衬底材料示意图；

图2为实施例瞬态天线介电性能的仿真结果图

图3为实施例瞬态天线整体结构示意图；

图4为本发明可降解的瞬态天线仿真结构示意图；

图5为实施例瞬态天线插入损耗的仿真结果图；

图6为实施例瞬态天线S11参数的Smith圆图；

图7为实施例瞬态天线三维增益方向图；

图8为实施例瞬态天线E面增益方向图；

图9为实施例瞬态天线降解过程示意图。

具体实施方式

以下结合本发明具体实施例和说明书附图对本发明原理进行详细说明：

实施例：

本实施水溶性基底如图1所示，具体制作工艺如下：

将质量分数为5.0％的聚乙烯醇水溶液与纳米二氧化钛按照质量比为1000∶2共混，通过磁力搅拌混合均匀后，在真空条件下进行脱泡处理，然后将混合所得胶液涂布至光滑洁净的玻璃板上形成厚度均匀的湿膜，在真空干燥箱中温度为30℃下恒温干燥，制得厚度约为0.10mm的均匀薄膜；然后将多层厚度为0.10mm的均匀薄膜在温度为60℃下进行热压处理制得厚度为0.3mm水溶性基底。

将上述制备得到的水溶性基底剪切成大小为15mm×15mm，厚度为0.3mm的矩形薄膜，使用Agilent E4991B阻抗分析仪测试其介电常数及损耗，测试频率范围为10MHz～1GHz，获得的介电性能结果如图2所示，从图中可以看出：本实施例在高频下具有低介电常数(εr＝3.9，@1.0GHz)、低介电损耗(tanδ＝0.04，@1.0GHz)的特点，并且，当频率f大于1.0GHz,，水溶性基底1的介电性能随频率变化不大。

如图3所示，本实施例在图1所示水溶性基底上制备辐射贴片2，本实施例设计的微带天线中水溶性基底1的尺寸具体为：长×宽×高＝52.74mm×40.70mm×0.3mm，将金属铜通过磁控溅射法在水溶性基底1的底面沉积得到接地板；本实施设计的微带天线中辐射贴片2是通过磁控溅射法将金属镁沉积到水溶性基底1形成长为26.37mm宽为20.35mm的矩形图案，本实施例给出辐射贴片的形状为矩形，根据本领域技术人员常识可知辐射贴片的形状不局限于矩形，本实施例中溅射时间控制为30秒，制得的辐射贴片2厚度为50nm；

如图4所示为本发明实施例提供的一种瞬态微带天线的仿真结构示意图，包括：底面设有接地板的水溶性基底1，水溶性基底1的顶面设有矩形辐射贴片2以及同轴馈线3，同轴馈电方式又称为背馈，是指将同轴线的插座安装在接地板的背面，外导体直接接在接地板上，同轴线的内导体即同轴探针穿过接地板和水溶性基底1接在辐射贴片2上；其中：水溶性基底1为聚乙烯醇与纳米二氧化碳形成的复合薄膜，辐射贴片2的材料为镁，接地板的材料为铜。

本实施例采用同轴馈电方式，根据本领域技术人员常识可知微带贴片天线的馈电不局限于同轴线馈电(也称探针馈电)，还可以是边沿馈电(也称微带馈电)、口径耦合以及临近耦合。具体实施中可以根据实际需要采用合适的馈电方式；本实施例的具体设计中将同轴馈线3的接口作为天线的输入端，同轴馈线3的接口与辐射贴片2的宽平行，位于辐射贴片2长边中点的连线上且距离辐射贴片中心3.26mm。

通过同轴馈线将本实施例瞬态矩形微带天线接入微波电路中，按照本实施例设计的参数，采用HFSS软件进行仿真测试，得到如下测试结果：

如图5所示为本实施例微带天线的插入损耗仿真结果图，从图中可以看出：本实施例制备的瞬态矩形微带天线的中心频率约为4.5GHz，在20MHz带宽内插入损耗小于-10dB，在中心频率f为4.5GHz时，瞬态矩形微带天线的插入损耗S11小于-30dB，说明本实施微带天线与电路达到很好的匹配；如图6所示为本实施例微带天线的Smith圆图仿真结果，从图中可以看出：微带天线的归一化的输入阻抗为0.9864+j0.0899，即为49.3+j4.5，约为50Ω，达到阻抗匹配，此时输出功率最大；如图7所示为本实施例微带天线的三维增益方向图，从图中可以看出：本实施例微带天线最大辐射方向为辐射贴片的法向，即z轴正方向；如图8所示为本实施例微带天线E面增益方向图，从图中可以看出：当Theta＝0°时，天线增益达到最大值为8.16dB，Theta＝180°时，天线增益的最小值为-8.50dB。

将本发明实施例制备的瞬态矩形微带天线在常温下置于水中，如图9所示，基底由于吸水开始收缩、溶解，经过一段时间后慢慢溶于水中，在经过240分钟后天线大部分溶于水中，实现降解。

以上结合附图对本发明的实施例进行了阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种瞬态微带天线，其特征在于，包括：底面设有接地金属层的水溶性基底，水溶性基底顶面设有辐射贴片；其中：水溶性基底为聚乙烯醇与纳米二氧化钛形成的复合薄膜，所述辐射贴片的材料为镁，所述接地金属层的材料为铜；所述复合薄膜采用聚乙烯醇水溶液和纳米二氧化钛通过溶液浇注法制得，其中聚乙烯醇水溶液和纳米二氧化钛的质量比为1000∶1～2。

2.根据权利要求1所述的一种瞬态微带天线，其特征在于，瞬态微带天线通过同轴馈线或者微带馈线与辐射贴片相连而馈电，或者通过电磁耦合进行馈电。

3.根据权利要求2所述的一种瞬态微带天线，其特征在于，聚乙烯醇的醇解度为92mol％～94mol％。

4.根据权利要求2或3所述的一种瞬态微带天线，其特征在于，聚乙烯醇和纳米二氧化钛形成的复合薄膜采用溶液浇注法制备。

5.根据权利要求4所述的一种瞬态微带天线，其特征在于，聚乙烯醇和纳米二氧化钛形成的复合薄膜的制备方法具体如下：

将聚乙烯醇水溶液与纳米二氧化钛混合均匀后进行脱泡处理，然后取混合所得胶液涂布至表面洁净平整的制作板上形成厚度均匀的湿膜，经干燥成膜后剥离制得聚乙烯醇和纳米二氧化钛形成的复合薄膜。

6.根据权利要求5所述的一种瞬态微带天线，其特征在于，聚乙烯醇水溶液的浓度为5.0wt.％～8.0wt.％。