CN113009239A - 柔性微波天线的制造方法及其温频特性的测试方法 - Google Patents

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Abstract

当温控容器的温度达到设定起始温度值时，温度控制器将调控温控容器的温度由起始温度值线性地向目标温度值变化，天线频率特性测试仪器开始测量柔性微波天线的工作频率特性，天线频率特性测试仪器可以以设定的时间间隔来重复测量柔性微波天线的工作频率特性。优先地，天线频率特性测试仪器以设定的时间间隔1s‑5s来重复测量柔性微波天线的工作频率特性。当温控容器的温度达到目标温度值时，天线频率特性测试仪器停止测量工作。可选地，天线频率特性测试仪器采用矢量网络分析仪AgilentE8363C。

Description

柔性微波天线的制造方法及其温频特性的测试方法
技术领域
本发明涉及柔性微波天线的温频特性的测试方法。
背景技术
柔性电子是一种新兴的电子技术，近年来备受欢迎，并且受到了越来越多的关注。在当今信息化社会中，柔性电子器件常常需要和柔性天线集成来满足无线连接的需求。相比刚性天线，柔性天线通常具有体积小、可共形、重量轻等优点，目前已经得到了广泛的应用。作为无线通信系统的一个关键组成部分，柔性微波天线性能的好坏直接影响到该系统的工作机能。图1是一种典型的射频系统框图。相关背景技术文献（不限于）列举如下：
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柔性微波天线，通常可以采用等效电路来描述，等效电路中包含电感、电容和/或电阻。图2、图3即展示了两种不同类型的柔性微波天线的等效电路，图中包含电感、电容和/或电阻。作为柔性微波天线中的等效电容，其基质材料的介电常数通常会随温度变化而变化，这是物质的基本特性，进而表现为电容值会随温度变化而变化。因此，柔性微波天线的工作频率会受到温度的影响。作为合格的柔性微波天线，这种工作频率受温度的影响应当尽可能地小，我们将其称为柔性微波天线的温频特性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性微波天线的制造方法、温频特性的测试方法，提高测试效率。本发明受到江苏省高等学校自然科学研究重大项目（17KJA470007）、江苏省产学研合作项目（BY2019128）、南通市科技项目（JC2019112）、南通大学⁃南通智能信息技术联合研究中心开放课题（KFKT2016A05）的资助。
在现有技术中，很少有人开展关于柔性微波天线的温频特性的研究。并且，极少的相关研究中，也是将柔性微波天线设置在温控容器中，通过温度控制器控制柔性微波天线的温度，在某一恒定温度下测量其工作频率特性，然后再改变到其他的恒定温度，稳定一段时间后再进行工作频率特性的测量，直至完成所需的温度范围内的测量。为了得到柔性微波天线的温频特性，这种方法通常需要进行大量的测试工作，例如，为了测量得到-20℃~60℃下的柔性微波天线的温频特性，需要分别在-20℃、-18℃、-16℃、-14℃……0℃、2℃、4℃、……56℃、58℃、60℃温度下测量柔性微波天线的工作频率特性，这就需要在40个温度点下进行测试，并且，为了得到准确的值，温度控制器需要将温控容器设置到目标温度后再等待3-5分钟，等待柔性微波天线的温度与温控容器的内环境达到热平衡，即温度达到一致，才能得到准确的测量值。每一个温度点下的加热时间和稳定等待时间通常需要6-8分钟，由此可见，要得到一个柔性微波天线的温频特性，往往需要连续几个小时的测试时间，测试人员工作强度极大，且测试人员容易疲劳、出错。若将测量的温度间隔加大，例如，分别在-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃温度下测量柔性微波天线的工作频率特性，固然可以减少测量工作量和缩短测试时间，但得到的测量数据则也相应地大幅度减少，所得到测量结果的实用性也大打折扣。
为了减少柔性微波天线的温频特性测试工作量，同时缩短测量时间，并不减少测量数据量，我们作出如下发明。
一种柔性微波天线的温频特性的测试方法，具体包括如下步骤：
首先使用改进后的常温湿法工艺将已完成结构设计的柔性带通天线制备出来。接着，为了证明使用该工艺制备柔性天线的可行性，对天线性能进行测试及研究。由于柔性天线的应用环境是多变的，仅研究天线在平直或者弯曲状态的性能是无法完全满足柔性天线应用需求的。因此除了对柔性天线进行平直、弯曲测试，还对其在不同折叠、弯折、卷曲等一系列状态下的性能进行了研究。
在正式制造柔性微波天线之前，首先根据预期的性能指标进行设计、仿真。
完整的流程如下：
（1）采用计算机进行柔性微波天线的仿真设计，得到柔性微波天线的理论结构尺寸参数；
（2）采用常温湿法工艺将步骤（1）中已完成结构设计的柔性微波天线制备出来；
（3）将步骤（2）中得到的柔性带通天线，进行电学性能测试，若测试结果偏离预计值，则调整参数，返回步骤（1）和/或（2），重新制造柔性微波天线；若测试结果符合预计值，则将步骤（1）和（2）中的参数固定下来，进行柔性微波天线的批量生产。
该技术包括聚酰亚胺薄膜（前峰公司，上海）在KOH 溶液中表面改性，在AgNO3溶液（阿拉丁公司，上海）中离子交换，以及在H2O2 溶液中的还原反应，最终实现聚酰亚胺薄膜的表面金属化。实验所有步骤均在室温下进行。
本发明还提出了一种新创性的、效率极高的柔性微波天线的温频特性测试方法。在本发明这样的技术方案中，测试温度由温度控制器控制，实现温控容器的温度线性地、连续地变化，不间断地由仪器测量柔性微波天线的工作频率特性，即可对应得到柔性微波天线的温频特性。
本发明的有益效果：
本发明设计、制备、测试一种基于聚酰亚胺基板的柔性超宽带天线。提出的天线在室温下由表面改性和原位自金属化技术制备，由该技术制备的柔性双超宽带天线低于-10 dB的仿真和测试的带宽分别是2.58~10.7 GHz 和2.5~10.87 GHz，实现了WiMAX频段和WLAN频段的陷波。天线在3.5 GHz和5.5 GHz两个频率都保持着良好的全向辐射特性。
本发明以聚酰亚胺薄膜为基板，利用表面修饰和原位自金属化技术在室温下制备了一种具有高导电性的柔性超宽带双陷波天线。由于天线结构是从聚酰亚胺基板上通过化学方法生长出来的，所以与基板之间有优异的附着力，不容易出现裂纹。该技术工艺简单，无需昂贵的设备和真空条件，大大降低了制造成本。此外，该技术还适用于大规模的商业化生产，可以作为印刷电子技术的替补，未来在柔性电子器件中有广阔的应用前景。
为了确保该柔性天线的实际可操作性，还测试了不同弯曲程度下天线的性能。该技术工艺过程简单，成本低，可以作为印刷技术的替补，在柔性电子设备中有广泛的应用前景。
本发明的方法，研究柔性微波天线的温频特性测试的效率得到大大提升，仅需一个温度升高或降低的过程，即可得到柔性微波天线的温频特性，无需繁琐地在每一个测试温度点下停留一段时间，极大地降低了科研人员的人力成本；完全不同于传统的测量方法，传统的方法需要在每一个测量温度值下停留6-8分钟，才能得到数据量较为合适的温频特性。由于本发明的方法，柔性微波天线的温度连续、线性地下降或下降，整个过程持续不断，由计算机自动地测量和记录数据，因此，从理论上说，本发明的一个测试的过程所得到的温频参数，即相当于大量的温度点下测量得到的工作频率特性。这进一步凸显了本发明的优越性。这是本发明的独创之处，属于本发明的发明点。
附图说明
图1为一种典型的射频系统框图。
图2为某种的柔性微波天线的等效电路。
图3为另一种的柔性微波天线的等效电路。
图4为本发明中基于常温湿法工艺制得的一种柔性微波天线及其频率特性曲线。
图5为本发明的另一种双陷波超宽带天线的远场辐射方向图。
图6为图5所述的双陷波超宽带天线在不同弯曲程度下天线实测的回波损耗S11。
具体实施方式
为便于理解本发明，下面结合实例来具体介绍本发明的技术方案。
通过HFSS仿真软件进行柔性双陷波超宽带天线的仿真，该软件基于有限元法。聚酰亚胺基板的仿真模型厚度是50.8 μm，介电常数是3.5。通过仿真优化结构参数来实现性能的最优化。采用常温湿法工艺将上述步骤中已完成结构设计的柔性微波天线制备出来，具体过程如下：
聚酰亚胺薄膜清洗后，薄膜的一侧首先浸没在4 mol/L KOH 溶液中3 h。通过这一步骤确保聚酰亚胺薄膜通过表面的酰亚胺环的裂解化学改性为聚酰胺酸。随后，表面改性的那一侧薄膜浸入0.02 mol/LAgNO3（99.8%）和NH3⋅H2O 中2 h 以确保K+置换为Ag+。
清洗并干燥后，将处理过的聚酰亚胺薄膜粘贴在一张A4纸上，然后使用普通的打印机将碳墨打印在聚酰亚胺膜上作为金属银还原的掩膜层。接着，将印有掩膜图案的聚酰亚胺薄膜浸入H2O2（30%）溶液中确保银离子完全还原为银。
由表面改性和原位自金属化技术制备的双陷波超宽带天线的回波损耗由矢量网络分析仪（VNA，AgilentE8363C）测量。通过图5可以观察到，该超宽带天线低于-10 dB 的仿真带宽覆盖范围是2.58~10.7 GHz，仿真陷波带宽包括3.13~3.74 GHz 和5.07~5.95 GHz。实测带宽覆盖范围是2.5~10.87 GHz，实测陷波带宽包括3.22~3.94 GHz 和4.99~6.04GHz。该双陷波超宽带天线的仿真和实测带宽都包括了标准的3.1~10.6 GHz超宽带带宽，并且都对WiMAX（3.3~3.7 GHz）频段及WLAN（5.15~5.825 GHz）频段实现了阻断。此外，地平面上的阶梯过渡结构也很好地实现了高频部分的阻断作用。
由于希望该天线可以集成在柔性电子器件上，所以对该天线的回波损耗进行了弯曲测试。即将天线紧贴在两个不同半径（r =10 mm 和r =8 mm）的泡沫圆柱体（εr = 1）上进行测量，以模拟不同的弯曲程度。
如图6 所示，发现在不同的弯曲程度下，天线小于-10 dB 的实测带宽范围都包含了标准的3.1~10.6 GHz超宽带带宽，带宽基本保持一致，并且都实现了WiMAX和WLAN频段的陷波及高频部分的阻断。因此，弯曲程度对超宽带天线的带宽和阻抗匹配影响不大。
另外，为了得到柔性微波天线的温频特性，传统的方法通常需要进行大量的测试工作，例如，为了测量得到-20℃~60℃下的柔性微波天线的温频特性，需要分别在-20℃、-18℃、-16℃、-14℃……0℃、2℃、4℃、……56℃、58℃、60℃温度下测量柔性微波天线的工作频率特性，这就需要在40个温度点下进行测试，并且，为了得到准确的值，温度控制器需要将温控容器设置到目标温度后再等待3-5分钟，等待柔性微波天线的温度与温控容器的内环境达到热平衡，即温度达到一致，才能得到准确的测量值。每一个温度点下的加热时间和稳定等待时间通常需要6-8分钟，由此可见，要得到一个柔性微波天线的温频特性，往往需要连续几个小时的测试时间，测试人员工作强度极大，且测试人员容易疲劳、出错。若将测量的温度间隔加大，例如，分别在-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃温度下测量柔性微波天线的工作频率特性，固然可以减少测量工作量和缩短测试时间，但得到的测量数据则也相应地大幅度减少，所得到测量结果的实用性也大打折扣。
为了减少柔性微波天线的温频特性测试工作量，同时缩短测量时间，并不减少测量数据量，我们作出如下发明：
一种柔性微波天线的温频特性的测试方法，具体包括如下步骤：
将前述制备好的柔性微波天线无褶皱地黏贴与温控容器的测试平台上，并通过射频电缆将柔性微波天线连接至天线频率特性测试仪器，以供测试柔性微波天线的工作频率特性；天线频率特性测试仪器和温度控制器均连接至计算机，在整个测量过程中，由计算机实时记录测试数据及温度值。
采用温度控制器来调控温控容器的温度，温度控制器具备函数控制温度的功能，尤其是控制温度随时间线性变化（升高温度或降低温度）的功能。
采用温度控制器来调控温控容器的温度，温度控制器具备函数控制温度的功能，尤其是控制温度随时间线性变化（升高温度或降低温度）的功能。
优先地，通过温度控制器来控制温控容器的温度随时间线性地升高温度。
开启天线频率特性测试仪器、温度控制器，然后设定起始温度值、目标温度值、温度变化速度，温度变化速度是指温度随时间的升高速度或降低速度。优先地，温度变化速度的绝对值为0.5℃/min~3℃/min。更优先地，温度变化速度的绝对值为0.5℃/min~1℃/min。
当温控容器的温度达到设定起始温度值时，温度控制器将调控温控容器的温度由起始温度值线性地向目标温度值变化，天线频率特性测试仪器开始测量柔性微波天线的工作频率特性，天线频率特性测试仪器可以以设定的时间间隔来重复测量柔性微波天线的工作频率特性。优先地，天线频率特性测试仪器以设定的时间间隔1s-5s来重复测量柔性微波天线的工作频率特性。
当温控容器的温度达到目标温度值时，天线频率特性测试仪器停止测量工作。
可选地，天线频率特性测试仪器采用矢量网络分析仪AgilentE8363C。
温控容器的温度随时间线性地变化（升高或降低），而由于部件的热容特性，热量在测试平台与柔性微波天线之间传播，存在一定的热滞性，因此，在测试的某个时刻，计算机接收到的温度控制器的温度值，并不等于柔性微波天线在该时刻的真实的温度值，而是存在一定的偏差。在任意一个时刻，温度控制器显示的温度值均与真实的温度值存在一个温度偏差值。例如，温度控制器显示的当前温度值为28℃，正在测试的柔性微波天线的真实温度值实际为27.2℃，这是由于热滞的缘故。通常，在测试温度范围内，由于仪器各个部件的热容值可视为不变，因此，这样的偏差通常也可视作一个常数，属于测量系统的系统误差。为了纠正这一系统误差，由计算机在接收数据时自动地补偿这一温度偏差值，在作出补偿后，即对应地得到柔性微波天线的真实的温频特性。
这一温度偏差值可在事先作出标定。

Claims (9)

1.一种柔性微波天线的制造方法，包括以下步骤：
（1）采用计算机进行柔性微波天线的仿真设计，得到柔性微波天线的理论结构尺寸参数；
（2）采用常温湿法工艺将步骤（1）中已完成结构设计的柔性微波天线制造出来；
（3）将步骤（2）中得到的柔性带通天线，进行电学性能测试和/或机械性能测试，若测试结果偏离预计值，则调整参数，返回步骤（1）和/或（2），重新制造柔性微波天线；若测试结果符合预计值，则将步骤（1）和（2）中的参数固定下来，采用常温湿法工艺进行柔性微波天线的批量生产；
所述常温湿法工艺为：聚酰亚胺薄膜在KOH 溶液中表面改性，在AgNO3溶液（阿拉丁公司，上海）中离子交换，以及在H2O2 溶液中的还原反应，最终实现聚酰亚胺薄膜的表面金属化。
2.如权利要求1所述的柔性微波天线的制造方法，其特征在于：所有步骤均在室温下进行。
3.如权利要求1所述的柔性微波天线的制造方法，其特征在于：所述步骤（1）中通过HFSS仿真软件进行柔性微波天线的仿真设计。
4.如权利要求1所述的柔性微波天线的制造方法，其特征在于：所述步骤（2）中还具体包括：将处理过的聚酰亚胺薄膜粘贴在一张A4纸上，然后使用打印机将碳墨打印在聚酰亚胺膜上作为金属银还原的掩膜层；接着，将印有掩膜图案的聚酰亚胺薄膜浸入H2O2溶液中确保银离子完全还原为银。
5.一种柔性微波天线的温频特性的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
（a）将权利要求1所述步骤（3）制造得到的柔性微波天线无褶皱地黏贴与温控容器的测试平台上，并通过射频电缆将柔性微波天线连接至天线频率特性测试仪器，以供测试柔性微波天线的工作频率特性；天线频率特性测试仪器和温度控制器均连接至计算机，在整个测量过程中，由计算机实时记录测试数据及温度值；
采用温度控制器来调控温控容器的温度；温度控制器具备函数控制温度的功能，尤其是控制温度随时间线性变化（升高温度或降低温度）的功能；
（b）开启天线频率特性测试仪器、温度控制器，然后设定起始温度值、目标温度值、温度变化速度，温度变化速度是指温度随时间的升高速度或降低速度；
（c）当温控容器的温度达到设定起始温度值时，温度控制器将调控温控容器的温度由起始温度值线性地向目标温度值变化，天线频率特性测试仪器开始测量柔性微波天线的工作频率特性，天线频率特性测试仪器以设定的时间间隔来重复测量柔性微波天线的工作频率特性；
（d）当温控容器的温度达到目标温度值时，天线频率特性测试仪器停止测量工作；计算机得到柔性微波天线的温频特性；
温控容器的温度随时间线性地变化（升高或降低），而由于部件的热容特性，热量在测试平台与柔性微波天线之间传播，存在一定的热滞性，因此，在测试的某个时刻，计算机接收到的温度控制器的温度值，并不等于柔性微波天线在该时刻的真实的温度值，而是存在一定的偏差；在任意一个时刻，温度控制器显示的温度值均与真实的温度值存在一个温度偏差值；这是由于热滞的缘故；通常，在测试温度范围内，由于仪器各个部件的热容值可视为不变，因此，这样的偏差通常也可视作一个常数，属于测量系统的系统误差；为了纠正这一系统误差，由计算机在接收数据时自动地补偿这一温度偏差值，在作出补偿后，即对应地得到柔性微波天线的真实的温频特性。
6.如权利要求5所述的测试方法，其特征在于：天线频率特性测试仪器和温度控制器均连接至计算机，在整个测量过程中，由计算机实时记录测试数据及温度值。
7.如权利要求5所述的测试方法，其特征在于：天线频率特性测试仪器采用矢量网络分析仪AgilentE8363C。
8.如权利要求5所述的测试方法，其特征在于：采用温度控制器来调控温控容器的温度；优先地，通过温度控制器来控制温控容器的温度随时间线性地升高温度；开启天线频率特性测试仪器、温度控制器，然后设定起始温度值、目标温度值、温度变化速度，温度变化速度是指温度随时间的升高速度或降低速度；优先地，温度变化速度的绝对值为0.5℃/min~3℃/min；更优先地，温度变化速度的绝对值为0.5℃/min~1℃/min；优先地，天线频率特性测试仪器以设定的时间间隔1s-5s来重复测量柔性微波天线的工作频率特性。
9.如权利要求5所述的测试方法，其特征在于：所述温度偏差值在测量前先作出标定。
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