CN113644414B

CN113644414B - 天线装置及其制备方法、以及通信装置

Info

Publication number: CN113644414B
Application number: CN202110774521.2A
Authority: CN
Inventors: 解兆谦; 宋珍; 郭旭
Original assignee: Dalian University of Technology; Qiantang Science and Technology Innovation Center
Current assignee: Dalian University of Technology; Qiantang Science and Technology Innovation Center
Priority date: 2021-07-08
Filing date: 2021-07-08
Publication date: 2022-05-06
Anticipated expiration: 2041-07-08
Also published as: CN113644414A

Abstract

本发明公开了一种天线装置及其制备方法、以及通信装置，天线装置包括柔性基底和设置在所述柔性基底上的导线线圈，所述导线线圈由一圈或两圈以上导线绕成，相邻两圈所述导线之间有间隔，所述导线线圈包括交替连接的多个连接段和多个变形段，所述连接段与所述柔性基底固定连接，所述变形段向所述柔性基底所在平面外拱起弯曲。本发明能够显著提高导线线圈所能承受的柔性基底的最大变形量。

Description

天线装置及其制备方法、以及通信装置

技术领域

本发明涉及天线技术领域，更具体地，涉及一种天线装置及其制备方法、以及通信装置。

背景技术

NFC(Near Field Communication，即近距离无线通讯)技术，是一种非接触式识别和互联技术，可以在移动设备、消费类电子产品、PC和智能控件工具间进行近距离无线通信，与其他非接触式技术相同，均通过环形天线之间的磁感应来实现通信。

现有技术中，天线装置包括柔性基底和设置于柔性基底上的导线线圈，导线线圈由一圈或两圈以上导线绕成，相邻导线间隔设置，导线的整个表面均粘合在柔性基底上，通过将导线设置为折线型或波浪线型，以提供较大延展性。但是，上述结构中，由于导线紧贴柔性基底，柔性基底发生拉伸时，导线本身也被拉伸，常用金属(铜和金)导线的弹性极限应变大约为0.3％，断裂应变约为5％，难以适配柔性基底的较大拉伸，易发生断裂，导致无法有效实现其通讯功能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种天线装置及其制备方法、以及通信装置，提高导线线圈所能承受的柔性基底的最大变形量，避免导线断裂。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种天线装置，包括柔性基底和设置在所述柔性基底上的导线线圈，所述导线线圈由一圈或两圈以上导线绕成，相邻两圈所述导线之间有间隔，所述导线线圈包括交替连接的多个连接段和多个变形段，所述连接段与所述柔性基底固定连接，所述变形段向所述柔性基底所在平面外拱起弯曲。

本发明还提供了一种天线装置的制备方法，包括以下过程：

预拉伸柔性基底，得到呈预拉伸状态的柔性基底；

提供导线线圈，所述导线线圈由一圈或两圈以上导线绕成，相邻所述导线间隔设置，所述导线线圈包括间隔设置的多个连接段和连接相邻两所述连接段的变形段；

将所述导线线圈的所述连接段固定至所述呈预拉伸状态的柔性基底上，此时，所述变形段呈无应力的平直状态；

松开所述呈预拉伸状态的柔性基底，所述呈预拉伸状态的柔性基底恢复原状，带动所述连接段运动，使得所述变形段由无应力的平直状态向所述柔性基底所在平面外拱起弯曲。

本发明还提供了一种包括上述天线装置的通信装置。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

本发明实施例通过使变形段向柔性基底所在平面外拱起弯曲，当柔性基底发生拉伸时，变形段的拱起高度降低，使得变形段两端的两个连接段之间的距离发生与柔性基底拉伸相适应的变化，导线的材料并未发生拉伸，不仅能够避免导线发生断裂，影响通讯功能，而且相比现有技术中的导线均粘合在柔性基底的技术方案，能够显著提高导线线圈所能承受的柔性基底的最大变形量，导线线圈所能承受的柔性基底的最大变形量理论上可为柔性基底的最大弹性变形。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1是本发明一具体实施例的天线装置的结构示意图。

图2是图1所示结构的侧视结构示意图。

图3是图1所示结构中的导线线圈的一组连接段和变形段的俯视截面图。

图4是图3所示结构的横截面图。

图5是导线线圈固定于呈预拉伸状态的柔性基底的结构示意图。

图6是本发明一具体实施例的天线装置在单向拉伸0、10％和20％时的电感与频率的关系图。

图7是图6所采用的天线装置在单向拉伸0、10％和20％时的品质因子与频率的关系图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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做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。

参考图1～图4，本发明公开了一种天线装置，包括柔性基底10和设置在柔性基底10上的导线线圈20，导线线圈20由一圈或两圈以上导线203绕成，相邻两圈导线203之间有间隔，导线线圈20包括交替连接的多个连接段201和多个变形段202，连接段201与柔性基底10固定连接，变形段202向柔性基底10所在平面外拱起弯曲。由于变形段202向柔性基底10所在平面外拱起弯曲，当柔性基底10发生拉伸时，相邻两个连接段201之间的距离变长，带动变形段202的拱起高度降低，导线203的材料并未因柔性基底10拉伸而发生附加的拉伸。本发明不仅能够避免导线203发生断裂，影响通讯功能，而且相比现有技术中的导线203均粘合在柔性基底10的技术方案，能够显著提高导线线圈20所能承受的柔性基底10的最大变形量，导线线圈20所能承受的柔性基底10的最大变形量理论上可为柔性基底10的最大弹性变形。

各变形段的长度可以相同，也可以不相同，各连接段的长度可以相同，也可以不相同。

参考图3和图4，在一具体实施例中，变形段202的长度和连接段201的长度满足以下公式：

其中，ε_max为导线203的最大应变，

a为导线203的厚度，e为变形段202的长度，f为变形段202和连接段201的长度和，ε_pre等于使得变形段202与柔性基底10完全贴合时的柔性基底10的拉伸应变。满足上述公式，可以使变形段202向面外拱起，提高导线线圈20所能承受的柔性基底10的最大变形量，同时，变形段202的面外拱起变形也不会导致导线203断裂。可以根据上述公式调节a、e、f的值，也可以用a、e、f的值来计算ε_max，查看a、e、f的设置是否满足要求。

在一具体实施例中，导线线圈20的形状可以为圆形、椭圆形或方形等。

参考图1，在本具体实施例中，导线线圈20的形状为方形，方形的四角均设置为连接段201，四条边上还间隔设置有连接段201。

在一具体实施例中，导线203的厚度为5μm～20μm。现有技术中的导线203均粘合在柔性基底10的技术方案中，当柔性基底10发生弯曲时，粘合在柔性基底10表面的导线203也发生弯曲，且导线203最大应变发生在导线203最外侧，最大应变的值与导线203的厚度呈正相关，因此导线203越厚，在柔性基底10发生弯曲时，导线203越容易断裂。现有技术中通常需要减薄导线203来防止导线203断裂，但减薄导线203会提高导线203电阻，损失信号传输性能。本发明中，由于通过向面外拱起的结构来适配柔性基板的变形，导线203本身并未发生因柔性基地的变形而发生拉伸，因此，并不要求通过减薄导线203来防止导线203断裂。背景部分提到的现有技术中的折线型或波浪线型导线的厚度通常仅为2μm～5μm，天线的品质因子小于10，天线电阻较大，天线传输性能不佳。

柔性基底10可以为低模量高延展材料，低模量高延展材料的模量小于20MPa，低模量高延展材料的延展率大于20％，具体的，可以为聚二甲基硅氧烷材料(PDMS，Polydimethylsiloxane)、铂催化硅橡胶(Dragonskin或Ecoflex)等。

在一具体实施例中，导线203的材料为金属，金属能够提供更稳定的天线信号传输性能，较优的，导线203为铜导线或金导线，具有较好的导电性能。

在一具体实施例中，还包括封装体204，封装体204用于封装导线线圈20，以保护导线。

在一具体实施例中，封装体204的材料为绝缘塑料，具体的，可以为PI等。

本发明还提供了一种上述天线装置的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：预拉伸柔性基底10，得到呈预拉伸状态的柔性基底101。

在一具体实施例中，采用方形线圈，则需采用双轴等值拉伸的方式拉伸柔性基底10，即在两个相互正交的方向上施加同样的应变，记为ε′_pre。

步骤2：提供导线线圈20，导线线圈20由一圈或两圈以上导线203绕成，相邻导线203间隔设置，导线线圈20包括间隔设置的多个连接段201和连接相邻两连接段201的变形段202。

在一具体实施例中，采用方形线圈，四个角点处均为连接段201，且角点间也设置有连接段201。

步骤3：将导线线圈20的连接段201固定至呈预拉伸状态的柔性基底101上，此时，变形段202呈无应力的平直状态，如图5所示。

通过粘结等方式将导线线圈20的所有连接段201均固定至呈预拉伸状态的柔性基底101上。在固定过程中，应使变形段202呈无应力的平直状态。

步骤4：松开呈预拉伸状态的柔性基底101，呈预拉伸状态的柔性基底101恢复原状，带动连接段201运动，使得变形段202由平直状态向柔性基底10所在平面外拱起弯曲。

变形段202的长度和连接段201的长度满足以下公式：

其中，ε_max为导线203的断裂应变，

a为导线203的厚度，e为变形段202的长度，f为变形段202和连接段201的长度和，ε′_pre为呈预拉伸状态的柔性基底101的拉伸应变，ε′_pre与上文中的ε_pre值相同。

在一具体实施例中，天线装置包括柔性基底10和设置在柔性基底PDMS上的铜导线线圈20，导线线圈20由四圈导线绕成，导线线圈20由封装体封装，导线线圈20的形状为方形(29.75mm×29.75mm)，方形的四角均为连接段，方形的四边上的各连接段长度相同，四边上的各变形段的长度也相同，如图1所示。其中，导线的宽度为100μm，相邻两根导线之间的间距为60μm，变形段的长度为4mm，连接段的长度为0.75mm，导线的厚度为10μm，封装体的厚度为14μm。制备该天线装置时，预拉伸柔性基底的正交双向的预拉伸应变均为40％，将上述参数的导线线圈20的各连接段粘结至预拉伸的柔性基底后，松开预拉伸的柔性基底，得到天线装置。

单向拉伸天线装置，分别测试单向拉伸应变为0、10％和20％下的天线的性能，如图6和图7所示，可见，单向拉伸应变为10％和20％时，和0应变下的天线相比，天线的电感和品质因子均无明显变化，说明：即使20％的应变，也能提供稳定的信号传输性能。

本发明还公开了一种通信装置，包括上述的天线装置以及芯片，导线线圈20的头、尾部分别与芯片电连接，用于传输能量和信号。通信装置可以应用于可穿戴设备，适用于人体(如皮肤、心脏和大脑)等柔性复杂应用场景，从而绕过传统NFC硬质的限制，更为方便地实现连续、高质量信息和能量传递。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种天线装置的制备方法，其特征在于，包括以下过程：

预拉伸柔性基底，得到呈预拉伸状态的柔性基底；

松开所述呈预拉伸状态的柔性基底，所述呈预拉伸状态的柔性基底恢复原状，带动所述连接段运动，使得所述变形段由无应力的平直状态向所述柔性基底所在平面外拱起弯曲；

其中，所述变形段的长度和所述连接段的长度满足以下公式：

其中，ε_max为所述导线的最大应变，

a为所述导线的厚度，e为所述变形段的长度，f为所述变形段和所述连接段的长度和，ε′_pre为所述呈预拉伸状态的柔性基底的拉伸应变。

2.一种如权利要求1所述的方法制备的天线装置，其特征在于，包括柔性基底和设置在所述柔性基底上的导线线圈，所述导线线圈由一圈或两圈以上导线绕成，相邻两圈所述导线之间有间隔，所述导线线圈包括交替连接的多个连接段和多个变形段，所述连接段与所述柔性基底固定连接，所述变形段向所述柔性基底所在平面外拱起弯曲。

3.根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，所述变形段的长度和所述连接段的长度满足以下公式：

其中，ε_max为所述导线的最大应变，

a为所述导线的厚度，e为所述变形段的长度，f为所述变形段和所述连接段的长度和，ε_pre等于使得所述变形段与所述柔性基底完全贴合时的所述柔性基底的拉伸应变。

4.根据权利要求3所述的天线装置，其特征在于：所述导线线圈的形状为圆形、椭圆形或方形。

5.根据权利要求4所述的天线装置，其特征在于，当所述导线线圈的形状为方形时，所述方形的四角均设置为所述连接段。

6.根据权利要求2～5中任意一项所述的天线装置，其特征在于，所述导线的厚度为5μm～20μm；所述柔性基底的材料为低模量高延展材料，所述低模量高延展材料的模量小于20MPa，所述低模量高延展材料的延展率大于20％；所述导线的材料为金属。

7.根据权利要求2～5中任意一项所述的天线装置，其特征在于，还包括封装体，所述封装体用于封装所述导线线圈。

8.根据权利要求7所述的天线装置，其特征在于，所述封装体的材料为绝缘塑料。

9.一种通信装置，其特征在于，包括如权利要求2～8中任意一项所述的天线装置。