CN109818129B - 一种充气式柔性射频天线及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种充气式柔性射频天线及其制备方法。所述天线包括可充气式弹性基板，充气式弹性基板上附着一层粘附层，并加工有褶皱形状的导电层，导电层由沉积有薄层金属的碳纳米管薄膜构成，导电层表面封装一层橡胶绝缘保护层，馈线的一端与SMA连接器相连接，另一端与导电层相连接，其连接处先涂抹银胶，再涂抹环氧树脂，SMA连接器安装在FR4单面覆铜板上。当充气式弹性基板被气体填充而膨胀时，充气式弹性基板的横向和纵向都存在变形，通过在预充气的基板上喷涂一层橡胶粘附层，再铺设导电层，放气后生成具有褶皱结构的导电层，从而在一定范围内对充气式弹性基板充气时，导电层不会断裂。且该充气式柔性射频天线在充气前后，依然能正常工作。

Description

一种充气式柔性射频天线及其制备方法

技术领域

本发明属于柔性电子制造领域，特别涉及一种充气式柔性射频天线及其制备方法。

背景技术

近些年，随着通讯技术的飞速发展，在无线通信设计环节，具备柔性特点的天线设计与实现逐渐受到越来越多研究者的关注。柔性天线既具有灵活性好、能与载体实现很好的贴合，便于安装，在多功能需求的无线系统中，又可以利用一个天线实现多个单一天线的功能，所以柔性天线的研究在如今复杂的环境中有着重要的意义。

目前，关于柔性天线的研究仍处于起步阶段，但也取得了一些成果。例如，宋延林课题组在纳米绿色打印领域取得了优异的成果，并将纳米打印技术成功应用于柔性天线研究中。他们在不同柔性基体上通过打印银纳米颗粒来制备柔性天线，这在很大程度上克服了传统印刷造成的资源浪费和费料污染等弊端，同时也为柔性电子器件的制备提供了新思路。但是利用纳米打印技术制备出的柔性天线，能够忍受的形变量较小，基本上只能弯曲而不能拉伸，应用范围也会严重受限，尤其在有着特殊需求的应用场景中。另外，哈佛大学Kubo M.等人先在PDMS柔性基体中制备微孔道，再将镓铟合金液态金属注入微孔道内来制备出一款柔性可拉伸微流体式射频天线，且测试结果论证了其设计方案的可行性。然而用这种方法制备出的柔性射频天线，在拉伸过程中其工作频率不稳定且存在漏液的危险，这在商业化的过程中也是一个不小的挑战。在实际应用中，随着电子产品个性化和多样化程度的提高，对天线的拉伸性和稳定性也随之提高。这已经不是一种或两种技术方案所能解决的。所以针对一些特殊的应用场景，迫切的需要新的技术方案来满足这种需求。

发明内容

本发明目的是克服现有技术的上述不足，针对现有技术的局限性以及特殊应用场景中的使用需求，提供一种充气式柔性射频天线及其制备方法。

本发明的技术方案是：

一种充气式柔性射频天线，包括充气式弹性基板，所述充气式弹性基板由内至外依次为粘附层、导电层和绝缘保护层，所述导电层采用沉积有薄层金属的碳纳米管薄膜沿所述充气式弹性基板进气口方向排布而成并加工有褶皱结构，馈线的一端与SMA连接器相连接，另一端与导电层相连接，其连接处先涂抹银胶，再涂抹环氧树脂，SMA连接器安装在FR4单面覆铜板上。

所述导电层上的褶皱结构由多个周期性的褶皱构成。

该充气式柔性射频天线具有可弯曲和小幅度拉伸等特点。当充气式弹性基板被气体填充而膨胀时，充气式弹性基板的横向和纵向都存在变形，通过在预充气的弹性基板上，喷涂一层橡胶粘附层，再铺设导电层，然后封装，放气后生成具有褶皱结构的导电层，从而在一定范围内对基本充气时，导电层不会断裂。

其中充气式弹性基板、粘附层和绝缘保护层可选择相同材质，也可选择不同材质。

一种充气式柔性射频天线的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：先在充气式弹性基板(如乳胶气球)内充入一定量气体，再将橡胶溶液(热塑橡胶sebs与白油按照质量比为1：4溶解在环己烷中)喷涂在充气式弹性基板上作为粘附层，厚度为20-100微米。

步骤2：在单面FR4覆铜板上，先分别安装SMA连接器和馈线，再分别焊接它们之间的连接点。

步骤3：利用磁控溅射的方式，在碳纳米管薄膜上沉积薄层金属，作为天线的导电层。

步骤4：利用橡胶本身的粘性，将步骤3制备的导电层铺设在步骤1中获得的充气式弹性基板的粘附层上。

步骤5：导电层铺设完成之后，在沉积有金属的碳纳米管上滴少量乙醇，可使沉积有金属的碳纳米管薄膜紧密附着在充气式弹性基板(乳胶气球)上。

步骤6：将馈线与导电层一端相连接，再用银胶涂抹在连接处来提高连接点之间的导电性，待银胶固化后，再将环氧树脂涂在连接处的银胶上，防止银胶在充气过程中开裂。

步骤7：然后在导电层上再次喷涂橡胶溶液(热塑橡胶sebs与白油按照质量比为1：4溶解在环己烷中)封装，得到绝缘保护层，厚度为20-100微米。

步骤8：封装完成后，将空气从充气式基板中放出，收缩为自然状态，导电层在横向和纵向均会形成周期性褶皱，该周期性褶皱能确保天线的导电层不会断裂。

优选的，所述乳胶气球的厚度约为0.6mm。

具体的，所述薄层金属为金属银或金属铂。

具体的，所述碳纳米管为多臂碳纳米管。

进一步，所述步骤1和步骤7中的橡胶溶液为热塑橡胶sebs与白油按照质量比1：4在200℃条件下加热混合后，再溶解在环己烷中形成橡胶溶液。溶剂蒸发后的橡胶具有较强的粘性，可以使导电层紧密的附着在充气式基板上。

本发明的优点和有益效果：

1.本发明制备出的充气式柔性天线，是一种新型柔性天线，也是一种适用于特殊应用场景中的柔性天线。

2.本发明将天线导电层设计为周期性褶皱结构，当气球充气体积增大时，在一定范围内(不超过天线导电层制作长度)，天线导电层不会断裂，天线依然能正常工作。

3.本发明充气式柔性天线其导电层易于加工成合适的形状大小，其设计简单易操作，便于大规模制造。

4.本发明充气式柔性天线，采用橡胶溶液进行喷涂封装，这种溶剂蒸发后的橡胶具有很好的弹性变形能力和粘性，从而使其可以附着在天线导电层的表面。

附图说明

图1为本发明充气式柔性天线实物结构示意图。

图2为本发明充气式柔性天线导电层横截面结构示意图。

图3为本发明充气式柔性天线导电层表面扫描电镜图。

图4为本发明涉及的充气式柔性天线的性能测试结果图。

图5为本发明涉及的充气式柔性天线反复充放气后天线的性能测试结果图。

图中：11为充气式弹性基板，12为粘附层，13为导电层，14为绝缘保护层，15为馈线，16为SMA连接器，17为单面FR4覆铜板，18为银胶，19为环氧树脂，20矩形记号。

具体实施方式

实施例1：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1和图2所示，一种充气式柔性射频天线，包括充气式弹性基板11、粘附层12、导电层13、绝缘保护层14、馈线15、SMA连接器16、单面FR4覆铜板17、银胶18、环氧树脂19和矩形记号20。所述的充气式弹性基板11采用乳胶气球制作而成，在该乳胶气球的表面由里向外依次为粘附层12、导电层13和绝缘保护层14，所述导电层采用沉积有薄层金属的碳纳米管薄膜沿所述充气式弹性基板进气口方向排布而成，馈线的一端与SMA连接器相连接，另一端与导电层相连接，其连接处先涂抹银胶18，再涂抹环氧树脂19，SMA连接器安装在FR4单面覆铜板上。所述银胶18位于馈线和天线导电层的接口处，来提高其导电性，所述环氧树脂19覆盖在银胶18表面之上，用于防止银胶开裂；当充气式弹性基板被充气时，天线导电层在横向和纵向均存在形变，通过预先设定的周期性褶皱，以确保天线的导电层不会断裂，从而制备出在充气后依然能正常工作的柔性天线。所述的周期性褶皱，通过预先在弹性基板里充入气体，使矩形记号20的长或宽增长到原先的30％，再在基板上喷涂橡胶溶液作为粘附层，接着将沉积有银的碳纳米管铺设在粘附层上形成天线的导电层，然后放出基板内的气体使其恢复自然状态，即可形成周期性褶皱，如图3所示。所述天线弹性应变可达20％，反复充放气100次天线性能基本不变，由于不同材质构成的充气式弹性基板在相同的形变下，其气压也不相同，故我们只以天线导电层的长度变化来确定向充气式弹性基板中充入气体的量。

如图2和图3所示，给出了充气式柔性天线的横截面结构示意图和导电层表面扫描电镜图，所述的充气式柔性天线的导电层至少包括四部分，充气式弹性基板11、粘附层12、导电层13和绝缘保护层14，所述粘附层12、导电层13和绝缘保护层14从里到外依次附着在充气式弹性基板11上，所述碳纳米管为多臂碳纳米管。其中充气式弹性基板11、粘附层12和绝缘保护层14可选择相同材质(热塑橡胶sebs与白油)，也可选择不同材质。

以上所述充气式柔性射频天线的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：橡胶溶液的制备，使用热塑橡胶sebs与白油按照质量比1：4在200℃条件下加热混合后，再溶解在环己烷中形成橡胶溶液，备用；采用乳胶气球作为充气式弹性基板11，先在乳胶气球11且铺设天线导电层位置处用记号笔画上矩形记号20，接着在其内充入气体，使矩形记号20的长或宽膨胀的增加量为原长的30％，再将上述制备好的橡胶溶液喷涂在充气式基板上，当溶剂蒸发后，即可形成粘性较强的粘附层12，厚度为20-100微米。

所述气体可以是空气、氮气或氢气。

步骤2：在单面FR4覆铜板上，先分别安装SMA连接器和馈线，再分别焊接它们之间的连接点。

步骤3：利用磁控溅射的方式，在碳纳米管薄膜上沉积薄层金属，作为充气式柔性射频天线的导电层13。

所述导电层13是通过磁控溅射的方法获得。以15W的功率，再控制沉积金属的时间，这里的沉积时间分别为90s，180s，390s，510s和720s，对应的厚度为3nm，6nm，13nm，17nm和24nm，即可获得沉积有不同厚度金属的碳纳米管薄膜。本实施例中碳纳米管薄膜的层数为2层，沉积金属为银，优选的金属厚度为24nm。

步骤4：利用橡胶本身的粘性，将步骤3制备的导电层13铺设在步骤1中获得的充气式弹性基板11上。

步骤5：导电层铺设完成之后，在沉积有金属的碳纳米管上滴少量乙醇，可使沉积有金属的碳纳米管紧密附着在乳胶气球上。

步骤6：将馈线与导电层一端相连接，再用银胶涂抹在连接处来提高连接点之间的导电性，待银胶固化后，再将环氧树脂涂在连接处的银胶上，防止银胶在充气过程中开裂。

步骤7：然后在导电层上再次喷涂步骤1制备的橡胶溶液封装，当溶剂蒸发后，即可形成粘性较强的绝缘保护层，厚度为20-100微米。

步骤8：封装完成后，将气体从充气式基板中放出，收缩为自然状态，导电层在横向和纵向均会形成周期性褶皱，该周期性褶皱能确保天线的导电层不会断裂。

本实施例最终得到的充气式柔性天线经过了如下测试：

1.天线性能测试，如图4所示，本实施例得到的充气式柔性天线，其导电层长度方向的最大应变可达20％，且性能优异。该数据与目前的商用天线性能相当。

2.反复充放气后天线性能测试，如图5所示，本实施例得到的充气式柔性天线，反复充放气(导电层长度方向的应变为20％)可达100次，且天线的性能基本不变。

另外，相关领域技术人员还可以依据本发明技术方案做其它变化，例如修改、等同替换和改进等，依据本发明技术方案所做的变化，都应包含在本技术方案所保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种充气式柔性射频天线，其特征在于，包括采用乳胶气球制成的充气式弹性基板，充气式弹性基板上由内至外依次为粘附层、导电层和绝缘保护层，所述导电层采用沉积有薄层金属的碳纳米管薄膜并加工有褶皱结构，馈线的一端与SMA连接器相连接，另一端与导电层相连接，所述连接处先涂抹银胶，再涂抹环氧树脂，SMA连接器安装在FR4单面覆铜板上。

2.根据权利要求1所述的充气式柔性射频天线，其特征在于，所述导电层上的褶皱结构由多个周期性的褶皱构成。

3.一种权利要求1所述的充气式柔性射频天线的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：先将充气式弹性基板内充入气体，再将橡胶溶液喷涂在充气式弹性基板上作为粘附层；

步骤2：在单面FR4覆铜板上，分别焊接安装SMA连接器和馈线并相互连接；

步骤3：利用磁控溅射的方式，在碳纳米管薄膜上沉积一薄层金属，作为天线的导电层；

步骤4：将步骤3制备的导电层铺设在步骤1中获得的充气式弹性基板的粘附层上；

步骤5：导电层铺设完成之后，在沉积有金属的碳纳米管上滴加乙醇，使沉积有金属的碳纳米管薄膜紧密附着在充气式弹性基板上；

步骤6：将馈线与导电层一端相连接，再用银胶涂抹在连接处来提高连接点之间的导电性，待银胶固化后，再将环氧树脂涂在连接处的银胶上，防止银胶在充气过程中开裂；

步骤7：然后在导电层上再次喷涂橡胶溶液封装，得到绝缘保护层；

步骤8：封装完成后，将气体从充气式弹性基板中放出，收缩为自然状态，导电层在横向和纵向均会形成周期性褶皱。

4.根据权利要求3所述的充气式柔性射频天线的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管薄膜上沉积的金属为银或铂。

5.根据权利要求3所述的充气式柔性射频天线的制备方法，其特征在于，所述充气式弹性基板为气球或导管，厚度为0.6mm。

6.根据权利要求3所述的充气式柔性射频天线的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管为多臂碳纳米管。

7.根据权利要求3所述的充气式柔性射频天线的制备方法，其特征在于，所述橡胶溶液的制备方法是，将热塑橡胶sebs与白油按照质量比1：4在200℃条件下加热混合后，再溶解在环己烷中形成橡胶溶液。

8.根据权利要求3所述的充气式柔性射频天线的制备方法，其特征在于，所述粘附层和绝缘保护层厚度为20-100微米。

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