CN112151955B - 一种柔性频率可重构天线及其制备方法、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种柔性频率可重构天线及其制备方法、应用；该天线从下往上依次为石墨烯接地电极层、柔性介质层、石墨烯辐射&馈电电极层；石墨烯接地电极层包括第一衬底及其表面上列阵排列的多个第一柱体；第一柱体表面共形覆盖有一层石墨烯薄膜；石墨烯辐射&馈电电极层包括第二衬底及其表面上阵列排布的多个第二柱体；第二柱体表面共形覆盖有一层石墨烯薄膜；石墨烯接地电极层的第一柱体所在面与石墨烯辐射&馈电电极层的第二柱体所在面通过柔性介质层连接。本发明利用柱体及其表面共形的石墨烯提高天线的应变耐受性和稳定性，通过在柱体与柔性介质层间引入空气，实现了微带天线的频率可重构特性，可应用于无线传感器进行力学信号的检测。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种柔性频率可重构天线及其制备方法、应用。
背景技术
传感器广泛应用于工业自动化、国防军事、航空航天、交通运输、医疗健康、人工智能等诸多领域。在传感器的许多特殊应用场合，例如危险设备对接装配时的预应力与位移测量，飞机两翼的表面压力测量，车辆轮胎压力测量，以及人体内部脏器与血管健康状态的监测等力学行为检测环境，被测目标往往无法与传感器直接连线，因此无线力学传感网络成为了必然的选择。对于无线力学传感网络的研究中，Quintero团队采用表面声波压力谐振器、换能器和天线组成的无线网络，实现无线无源井下压力传感；Hairong Kou等人研制了基于石墨烯/PDMS介质层的无线电容式压力传感器，该电容传感器与电感相连形成震荡电路，并通过信号耦合传输到天线，从而实现无线传感。然而，由多模块器件组成的无线传感网络，必然存在能量转换损耗及接连匹配等难题。
为满足无线力学传感网络在小型化、集成化、高抗干扰能力、适于长距离传输等方面的技术需求，电磁波领域的学者结合频率可重构天线理论，试图将被测压力或应力直接转换成频率信号。Jia Zhu等人利用低柔硅基板和金属制作了拱形微带天线，通过将地电极和贴片分别设计网状和拱形，在实现柔性的同时改变了谐振频率，并在此基础上完成了对手腕运动产生的应变检测。以上天线结构初步实现了力学传感的无线检测。然而，受玻璃、硅、金属等传统材料的柔韧性限制，上述天线的应变耐受性和稳定性普遍较低，无法满足大应变待测压力或应力的需求。
近年来，石墨烯材料以其优异的导电性和机械力学性能在柔性电子领域展现出广阔应用前景。北京大学俞大鹏课题组分析了单层石墨烯的拉伸应变性能规律，发现当应变ε<4.5％时，石墨烯薄膜为弹性可回复变形；当应变ε>5％时，石墨烯薄膜发生塑性变形并最终脆裂失效。由于面向力学传感的柔性天线研究处于起步阶段，基于三维结构共形石墨烯的柔性力敏电极尚未在柔性频率可重构天线领域展开应用研究。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种柔性频率可重构天线的制作方法，该方法制作天线能实现频率可重构、提高天线稳定性。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种柔性频率可重构天线的制作方法，包括以下步骤：
S1：设定所述天线的参数，所述参数包括石墨烯接地电极层与石墨烯辐射&馈电电极层的长度、宽度，所述石墨烯接地电极层上阵列排布的多个第一柱体与所述石墨烯辐射&馈电电极层上阵列排布的多个第二柱体的形状、周期、深度、占空比；
S2：根据所述第一柱体的形状周期占空比制作相同结构的掩膜版，在所述掩膜版外表面制备与所述掩膜版具有互补结构的金属体，然后将金属体从掩膜版上物理剥离；
S3：将所述金属体作为催化基底，通过化学气相沉积方法在金属体内表面制备石墨烯薄膜形成石墨烯薄膜/金属复合材料；
S4：使用玻片在所述石墨烯薄膜内表面涂布柔性衬底材料的分散液，加热固化形成柔性衬底/石墨烯/金属的复合体；
S5：通过湿法刻蚀去除所述柔性衬底/石墨烯/金属复合体中的金属材料，形成第一柔性衬底/石墨烯，所述第一柔性衬底包括衬底平面以及在所述衬底平面上的阵列排布的多个第一柔性三维结构，所述第一柔性三维结构与所述第一柱体结构相同，所述石墨烯薄膜共形地附着于所述第一柔性三维结构的表面；
S6：使用相同的步骤S2-S5得到第二柔性衬底/石墨烯，所述第二柔性衬底/石墨烯的第二柔性三维结构与所述第二柱体相同；
S7：根据步骤S1设定的参数，将柔性衬底/石墨烯裁剪得到石墨烯接地电极层，将第二柔性衬底/石墨烯裁剪得到石墨烯辐射&馈电电极层；
S8：将所述石墨烯接地电极层的第一柔性三维结构所在面与所述石墨烯辐射&馈电电极层第一柔性三维结构所在面通过柔性介质层贴合并进行器件封装。
进一步地，步骤S2中的所述金属体的材料为面心立方金属，所述面心立方金属包括铜、镍、铂、钯、金、铝的一种或多种，且所述金属体的材料金属纯度大于99％。
进一步地，所述柔性介质层、柔性衬底的材料为聚氨酯、聚氨酯丙烯酸酯、有机玻璃、硅橡胶、UV固化胶中的一种或多种。
进一步地，所述第一柱体与所述第二柱体的结构为柱体、锥体、半球体、台体之一。
有鉴于此，本发明的目的之二在于提供一种柔性频率可重构天线，该天线提高了应变耐受性和稳定性。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种柔性频率可重构天线，从下往上依次包括石墨烯接地电极层、柔性介质层、石墨烯辐射&馈电电极层；其中，
所述石墨烯接地电极层包括第一衬底以及在所述第一衬底上列阵排列的多个第一柱体；所述第一柱体为柔性结构，且第一柱体表面共形覆盖有一层石墨烯薄膜；
所述石墨烯辐射&馈电电极层包括第二衬底以及在所述第二衬底上阵列排列的多个第二柱体；所述第二柱体为柔性结构，且第二柱体表面共形覆盖有一层石墨烯薄膜；
所述石墨烯接地电极层的所述第一柱体所在面与所述石墨烯辐射&馈电电极层的所述第二柱体所在面通过所述柔性介质层连接。
进一步地，所述柔性介质层、柔性结构的材料为聚氨酯、聚氨酯丙烯酸酯、有机玻璃、硅橡胶、UV固化胶中的一种或多种。
进一步地，所述第一柱体与所述第二柱体的结构为柱体、锥体、半球体、台体之一。
进一步地，所述石墨烯接地电极层与所述柔性介质层接触面的面积大于所述石墨烯辐射&馈电电极层与所述柔性介质层接触面的面积。
进一步地，所述的石墨烯辐射&馈电电极层的所述第二衬底包括同中心轴的辐射贴片与馈线。
与此同时，本发明还提供一种使用上述柔性频率可重构天线在无线应变传感中的应用；具体地，在天线上施加压力或应力，天线的工作频率对应改变，从而通过天线频率改变计算应力或压力。
有益效果
本发明提供一种柔性频率可重构天线及其制备方法、应用，本发明利用石墨烯接地电极层与石墨烯辐射&馈电电极层上的柱体，且在柱体上共形石墨烯提高了天线的应变耐受性和稳定性，并通过阵列排布的柱体之间的空隙以及与柔性介质层之间的间隙，引入空气，实现了微带天线的频率可重构特性，该天线可被直接用作无线传感器进行力学信号的检测，且该天线体积小，便于携带与转移，可以实现无线力学传感网络的小型化、集成化技术需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明一种柔性频率可重构天线的一实施例结构示意图；
图2为本发明一种柔性频率可重构天线的制作方法的一实施例流程图；
图3为本发明中的柔性频率可重构天线的端口反射系数S11图；
图4为本发明一实施例中负载重量与柔性频率可重构天线的谐振频率关系图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
所举实施例是为了更好地对本发明进行说明，但并不是本发明的内容仅局限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
参考图1，为本发明一种柔性频率可重构天线的结构示意图，具体地，该天线从下往上依次包括石墨烯接地电极层1、柔性介质层2、石墨烯辐射&馈电电极层3；其中，
石墨烯接地电极层1包括第一衬底11以及在第一衬底11上列阵排列的多个第一柱体12；第一柱体12为柔性结构，且多个第一柱体12之间具有空隙，本实施例中，第一柱体表面和第一柱体与在第一衬底的所在表面空隙处均共形覆盖有一层石墨烯薄膜，图1中为便于观看，用黑色网格表示石墨烯薄膜；
石墨烯辐射&馈电电极层3包括第二衬底31以及在第二衬底31上阵列排列的多个第二柱体32；第二柱体32为柔性结构，且第二柱体表面与第二柱体32所在的第二衬底31面均共形覆盖有一层石墨烯薄膜；
本实施中，柔性频率可重构天线的石墨烯辐射&馈电电极层3的第二衬底31包括辐射贴片311与馈线312组成，馈线312用于信号交流，可参考图1中，长度为L1、宽度为W1的衬底部分为辐射贴片，长度为L2、宽度为W2的衬底部分为馈线312；
石墨烯接地电极层的第一柱体所在面与石墨烯辐射&馈电电极层的第二柱体所在面通过柔性介质层2连接。
本实施例中，第一衬底、第一柱体、第二衬底、第二柱体均为柔性结构，这些柔性结构和柔性介质层1的材料为聚氨酯、聚氨酯丙烯酸酯、有机玻璃、硅橡胶、UV固化胶中的一种或多种。
进一步地，第一柱体11与第二柱体12的结构可以为柱体、锥体、半球体、台体之一，也可以是在第一衬底和第二衬底与柔性介质层2连接面上的凸起物，本实施例中的石墨烯的柔性频率可重构天线的第一柱体和第二柱体的形状结构、间隙均对天线的使用中频率变化范围有影响。
本实施例的石墨烯接地电极层1与柔性介质层2接触面的面积大于石墨烯辐射&馈电电极层3与柔性介质层2接触面的面积。
实施例2
基于实施例1中的一种柔性频率可重构天线，本实施例提出一种柔性频率可重构天线的制作方法，流程图可参考图2，具体地，一种柔性频率可重构天线的制作方法，包括以下步骤：
S1：设定天线的参数；然后执行步骤S2；
本实施例中，天线的参数设定包括：设定天线的静态工作频率f，柔性介质层的介电常数ε1和厚度h，石墨烯接地电极层与石墨烯辐射&馈电电极层的第一衬底和第二衬底的介电常数一致为ε2；设定第一柱体和第二柱体的形状、周期、深度及占空比，通过计算软件得出第一柱体与第二柱体所在面引入的空气与柔性介质层组合形成的等效介质层介电常数ε3；设定石墨烯接地电极层与石墨烯辐射&馈电电极层以及微带馈线的长度、宽度；
在一具体实施例中，石墨烯接地电极层第一衬底的长度L、宽度W，根据静态工作频率f，仿真设计石墨烯辐射&馈电电极层第二衬底中辐射贴片的长度L1、宽度W1，和微带馈线(馈线)的长度L2、宽度W2；
S2：根据第一柱体的参数制作相同结构的掩膜版，在掩膜版外表面制备与掩膜版具有互补结构的金属体，然后将金属体从掩膜版上物理剥离；然后执行步骤S3；
本步骤中，根据步骤S1中设定的第一柱体的形状、周期、深度及占空比制作具有相同结构的掩膜版，在掩膜版的外表面制备与掩膜版具有互补结构的金属体，该金属体的凸起结构中空，然后将金属体从掩膜版上脱离；
优选地，金属体的材料为面心立方金属，面心立方金属包括铜、镍、铂、钯、金、铝的一种或多种，且金属体的材料金属纯度大于99％。
S3：将金属体作为催化基底，通过化学气相沉积方法在金属体内表面制备石墨烯薄膜形成石墨烯薄膜/金属复合材料；然后执行步骤S4；
S4：使用玻片在石墨烯薄膜内表面涂布柔性衬底材料的分散液，加热固化形成柔性衬底/石墨烯/金属的复合体；然后执行步骤S5；
S5：通过湿法刻蚀去除柔性衬底/石墨烯/金属复合体中的金属材料，形成第一柔性衬底/石墨烯；然后执行步骤S6；
本实施例中，第一柔性衬底包括第一衬底以及在第一衬底一个平面上的阵列排布的多个第一柔性三维结构，第一柔性三维结构与第一柱体结构、排列周期相同，石墨烯薄膜为共形地附着于第一柔性三维结构和第一柔性三维结构所在的第一衬底平面的表面；
S6：使用相同的步骤S2-S5得到第二柔性衬底/石墨烯，第二柔性衬底/石墨烯的第二柔性三维结构与第二柱体相同；然后执行步骤S7；
本步骤中，参考步骤S2-S5，根据第二柱体的形状、周期、深度及占空比，得到第二柔性衬底/石墨烯，该第二柔性衬底/石墨烯包括第二衬底以及在第二衬底一个平面上的阵列排布的多个第二柔性三维结构，第二柔性三维结构与第二柱体结构、排列周期相同，石墨烯薄膜为共形地附着于第二柔性三维结构和第二柔性三维结构所在的第二衬底平面的表面；
S7：根据步骤S1设定的参数，将第一柔性衬底/石墨烯裁剪得到石墨烯接地电极层，将第二柔性衬底/石墨烯裁剪得到石墨烯辐射&馈电电极层；然后执行步骤S8；
本实施例中，将步骤S5得到的第一柔性衬底/石墨烯裁剪出一片长度L、宽度W的石墨烯接地电极层，并将步骤S6中得到的第二柔性衬底/石墨烯裁剪得到“由两个同中心轴的矩形”构成的石墨烯辐射&馈电电极层，其中辐射电极的长度L1、宽度W1，馈电电极(馈线)的长度L2、宽度W2；
S8：将石墨烯接地电极层的第一柔性三维结构所在面与石墨烯辐射&馈电电极层第一柔性三维结构所在面通过柔性介质层贴合并进行器件封装。
本实施例中，柔性介质层的材料为聚氨酯、聚氨酯丙烯酸酯、有机玻璃、硅橡胶、UV固化胶中的一种或多种，且石墨烯接地电极层与柔性介质层接触面的面积大于石墨烯辐射&馈电电极层与柔性介质层接触面的面积，即L大于L1+L2，W大于W1+W2；柔性介质层与石墨烯接地电极层接触的平面可以相等，也可以是柔性介质层平面略小于石墨烯接地电极层平面，但大于石墨烯辐射&馈电电极层平面。
优选地，第一柔性三维结构与第二柔性三维结构的结构为柱体、锥体、半球体、台体之一；且第一柔性三维结构与第二柔性三维结构、第一衬底、第二衬底均为柔性结构，材料为聚氨酯、聚氨酯丙烯酸酯、有机玻璃、硅橡胶、UV固化胶中的一种或多种。
在本实施例中，石墨烯接地电极层的尺寸应大于石墨烯辐射&馈电电极层的尺寸。
在使用中，将石墨烯接地电极层的第一柔性三维结构所在面与石墨烯辐射&馈电电极层第一柔性三维结构所在面通过柔性介质层贴合并进行器件封装，并与SMA接头进行连接。
本实施例中的得到的柔性频率可重构天线可用于无线应变传感，具体得，实现可重构特性的原理为：在三维结构石墨烯微带天线上施加压力或应力，通过改变压力或应力大小，即可改变天线的工作频率，实现天线工作频率的可重构，通过工作频率的改变，计算得到应力或压力的大小。
参考图3为在本发明中的柔性频率可重构天线上加载不同重量的物体时，天线输入端口的反射系数S11图，S11曲线的最低点为加载物体后的天线谐振频率；图4为本发明一实施例中加载物体的重量(柔性频率可重构天线的负载重量)与柔性频率可重构天线的谐振频率之间的关系图，可见，在不同的负载重量下，本发明中天线的谐振频率也在变化。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的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 (9)
1.一种柔性频率可重构天线的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设定所述天线的参数，所述参数包括石墨烯接地电极层与石墨烯辐射馈电电极层的长度、宽度，所述石墨烯接地电极层上阵列排布的多个第一柱体与所述石墨烯辐射馈电电极层上阵列排布的多个第二柱体的形状、周期、深度、占空比；
S2：根据所述第一柱体的形状周期占空比制作相同结构的掩膜版，在所述掩膜版外表面制备与所述掩膜版具有互补结构的金属体，然后将金属体从掩膜版上物理剥离；
S3：将所述金属体作为催化基底，通过化学气相沉积方法在金属体内表面制备石墨烯薄膜形成石墨烯薄膜/金属复合材料；
S4：使用玻片在所述石墨烯薄膜内表面涂布柔性衬底材料的分散液，加热固化形成柔性衬底/石墨烯/金属的复合体；
S5：通过湿法刻蚀去除所述柔性衬底/石墨烯/金属复合体中的金属材料，形成第一柔性衬底/石墨烯，所述第一柔性衬底包括衬底平面以及在所述衬底平面上的阵列排布的多个第一柔性三维结构，所述第一柔性三维结构与所述第一柱体结构相同，所述石墨烯薄膜共形地附着于所述第一柔性三维结构的表面；
S6：使用相同的步骤S2-S5得到第二柔性衬底/石墨烯，所述第二柔性衬底/石墨烯的第二柔性三维结构与所述第二柱体相同；
S7：根据步骤S1设定的参数，将第一柔性衬底/石墨烯裁剪得到石墨烯接地电极层，将第二柔性衬底/石墨烯裁剪得到石墨烯辐射馈电电极层；
S8：将所述石墨烯接地电极层的第一柔性三维结构所在面与所述石墨烯辐射馈电电极层第二柔性三维结构所在面通过柔性介质层贴合并进行器件封装。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中的所述金属体的材料为面心立方金属，所述面心立方金属包括铜、镍、铂、钯、金、铝的一种或多种，且所述金属体的材料金属纯度大于99%。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述柔性介质层、柔性衬底的材料为聚氨酯、聚氨酯丙烯酸酯、有机玻璃、硅橡胶、UV固化胶中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一柱体与所述第二柱体的结构为柱体、锥体、半球体、台体之一。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述的方法制备得到的柔性频率可重构天线，其特征在于，从下往上依次包括石墨烯接地电极层、柔性介质层、石墨烯辐射馈电电极层；其中，
所述石墨烯接地电极层包括第一衬底以及在所述第一衬底上列阵排列的多个第一柱体；所述第一柱体为柔性结构，且第一柱体表面共形覆盖有一层石墨烯薄膜；
所述石墨烯辐射馈电电极层包括第二衬底以及在所述第二衬底上阵列排列的多个第二柱体；所述第二柱体为柔性结构，且第二柱体表面共形覆盖有一层石墨烯薄膜；
所述石墨烯接地电极层的所述第一柱体所在面与所述石墨烯辐射馈电电极层的所述第二柱体所在面通过所述柔性介质层连接。
6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，所述柔性介质层、柔性结构的材料为聚氨酯、聚氨酯丙烯酸酯、有机玻璃、硅橡胶、UV固化胶中的一种或多种。
7.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，所述第一柱体与所述第二柱体的结构为柱体、锥体、半球体、台体之一。
8.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，所述石墨烯接地电极层与所述柔性介质层接触面的面积大于所述石墨烯辐射馈电电极层与所述柔性介质层接触面的面积。
9.如权利要求5-8任一项所述的天线在无线应变传感中的应用，其特征在于，在所述天线上施加压力或应力，所述天线的工作频率对应改变。
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