CN114552180B - 天线结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
天线结构及其制备方法。本申请的天线结构，包括柔性介质层、辐射单元和接地单元；柔性介质层中填充液态金属层以形成辐射单元与接地单元，辐射单元靠近柔性介质层的厚度方向上的一侧表面，接地单元靠近柔性介质层的厚度方向上的另一侧表面。本申请的天线结构的制备方法，提供一柔性介质层，在柔性介质层内部形成第一孔道层和第二孔道层，第一孔道层靠近柔性介质层的厚度方向上的一侧表面，第二孔道层靠近柔性介质层的厚度方向上的另一侧表面；在第一孔道层和第二孔道层中分别注入液态金属，形成天线结构的辐射单元和接地单元，得到天线结构。本申请的天线结构整体具备柔性，辐射单元和接地单元随柔性介质层弯曲时不易断裂分层，具有良好的抗疲劳特性。
Description
技术领域
本申请涉及天线技术领域，具体涉及一种天线结构及其制备方法。
背景技术
随着现代科学技术的快速发展，天线在医疗、移动通信、航空航天等领域有着越来越广泛的应用，人们对天线的要求也与日俱增。柔性天线因具有轻、薄、柔，易共形的特点，正成为研究的热门。柔性天线具有较高的隐蔽性，对侦察及船舰隐身等有着重要意义；在航天领域，柔性天线能够与航天服无缝融合，可大大减少笨重的设备；生活中，由柔性天线和可穿戴计算机系统制成的智能衣服受到越来越多的关注。天线在传输和接收信号时，需要一定的方向性和效率，但天线作为信息传输的主要器件，其辐射特性受外界环境影响较大，如金属环境和人体环境对电磁波的吸收，将改变天线的传输特性，降低天线效率。此外，天线需要一定的剖面高度以增加天线效率，但剖面高度增加又将增加天线的弯曲应力，导致天线结构破坏而功能失效。
发明内容
针对上述技术问题，本申请提供一种天线结构及其制备方法，天线结构整体具备柔性，辐射单元和接地单元随柔性介质层弯曲时不易断裂分层，具有良好的抗疲劳特性。
为解决上述技术问题，本申请提供一种天线结构，包括柔性介质层、辐射单元和接地单元；所述柔性介质层中填充液态金属层以形成所述辐射单元与所述接地单元，所述辐射单元靠近所述柔性介质层的厚度方向上的一侧表面，所述接地单元靠近所述柔性介质层的厚度方向上的另一侧表面。
可选地，所述柔性介质层呈空心圆柱体状，所述辐射单元靠近所述柔性介质层的外侧表面，所述接地单元靠近所述柔性介质层的内侧表面。
可选地，所述辐射单元和/或所述接地单元为金属网格结构，所述金属网格状结构包括网格状孔道和填充所述网格状孔道的液态金属。
可选地，所述辐射单元的网格线宽为0.1mm～2mm，所述辐射单元的面积为0.25mm2～9mm2；所述接地单元的网格线宽为0.1mm～2mm，所述接地单元的面积小于或等于9mm2。
可选地，所述柔性介质层的厚度为1mm～2mm，所述柔性介质层的模量小于或等于10MPa。
本申请还提供一种天线结构的制备方法，包括以下步骤：
a.提供一柔性介质层，在所述柔性介质层内部形成第一孔道层和第二孔道层，所述第一孔道层靠近所述柔性介质层的厚度方向上的一侧表面，所述第二孔道层靠近所述柔性介质层的厚度方向上的另一侧表面；
b.在所述第一孔道层和所述第二孔道层中分别注入液态金属，形成所述天线结构的辐射单元和接地单元，以得到所述天线结构。
可选地，所述a步骤，包括：
形成内部包覆第一牺牲层与第二牺牲层的柔性介质薄膜，所述第一牺牲层靠近所述柔性介质薄膜的厚度方向上的一侧表面，所述第二牺牲层靠近所述柔性介质薄膜的厚度方向上的另一侧表面；
除去所述第一牺牲层与所述第二牺牲层，得到具有所述第一孔道层和所述第二孔道层的所述柔性介质层。
可选地，所述第一孔道层和所述第二孔道层均呈网格状。
可选地，所述b步骤，包括：
在所述第一孔道层和所述第二孔道层中分别注入液态金属，形成所述天线结构的辐射单元和接地单元；
弯曲所述柔性介质层呈空心圆柱体状，以得到所述天线结构。
可选地，所述b步骤中，所述在所述第一孔道层和第二孔道层中分别注入液态金属之前，还包括：
对所述第一孔道层和所述第二孔道层的孔道表面进行等离子体处理。
本申请的天线结构，包括柔性介质层、辐射单元和接地单元；柔性介质层中填充液态金属层以形成辐射单元与接地单元，辐射单元靠近柔性介质层的厚度方向上的一侧表面，接地单元靠近柔性介质层的厚度方向上的另一侧表面。本申请的天线结构的制备方法，提供一柔性介质层，在柔性介质层内部形成第一孔道层和第二孔道层，第一孔道层靠近柔性介质层的厚度方向上的一侧表面，第二孔道层靠近柔性介质层的厚度方向上的另一侧表面；在第一孔道层和第二孔道层中分别注入液态金属，形成天线结构的辐射单元和接地单元，得到天线结构。本申请的天线结构整体具备柔性，辐射单元和接地单元随柔性介质层弯曲时不易断裂分层，具有良好的抗疲劳特性。
附图说明
图1是根据第一实施例示出的天线结构的展开状态示意图；
图2是根据第一实施例示出的天线结构的剖面示意图；
图3是根据第一实施例示出的天线结构的弯曲状态示意图；
图4是根据第一实施例示出的辐射单元的网格示意图；
图5是根据第一实施例示出的接地单元的网格示意图；
图6是根据第二实施例示出的天线结构的制备方法的流程示意图；
图7是根据第二实施例示出的柔性介质薄膜的结构示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点及功效。
在下述描述中，参考附图，附图描述了本申请的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本申请的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。
虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。
再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
第一实施例
图1是根据第一实施例示出的天线结构的展开状态示意图。图2是根据第一实施例示出的天线结构的剖面示意图。如图1和图2所示，本实施例的天线结构，包括柔性介质层10、辐射单元11和接地单元12。柔性介质层10中填充液态金属层以形成辐射单元11与接地单元12，辐射单元11靠近柔性介质层10的厚度方向上的一侧表面，接地单元12靠近柔性介质层10的厚度方向上的另一侧表面。
本实施例的天线结构，通过在柔性介质层10的中填充液态金属形成辐射单元11与接地单元12，有效降低了柔性介质层10、辐射单元11和接地单元12的模量，使得器件整体成柔性，具有较好的抗疲劳特性。选用液态金属作为辐射单元11和接地单元12，并封装在柔性介质层10的上下表面，使辐射单元11和接地单元12随柔性介质层10弯曲后不会出现断裂和分层的问题，具有更好的弯曲性能。本实施例的天线结构具有360度弯曲的特性，且从平面到弯曲过程，天线的工作频率偏移≤50MHz，天线增益大于1dBi，驻波比＜2，工作性能稳定。
可选地，柔性介质层10的厚度为1mm～2mm，柔性介质层的模量小于或等于10MPa，以保证天线结构的具有一定工作效率的同时具备柔性。柔性介质层可选用柔性较好的聚合物材料制作，如PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)、TPU(ThermoplasticUrethane，热塑性聚氨酯弹性体)、ecoflex(脂肪族芳香族无规共聚酯)、PET(Polyethyleneterephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PI(Polyimide，聚酰亚胺)等柔性薄膜材料。
辐射单元11和接地单元12可通过封装在柔性介质层10中微孔道内的液态金属制成，有效增加天线的弯曲特性。其中，液态金属指的是熔点低于30℃的金属或合金材料，如以低熔点金属镓(熔点29.8℃，沸点2204℃)为基础的室温液态金属合金材料，本实施例可选用镓铟合金、镓铟锡合金等液态金属制作辐射单元11和接地单元12。
图3是根据第一实施例示出的天线结构的弯曲状态示意图。如图3所示，柔性介质层10弯曲360度后呈空心圆柱体状，辐射单元11靠近柔性介质层10的外侧表面，接地单元12靠近柔性介质层10的内侧表面。
由于图1中的天线结构产生的辐射信号具有很强的方向性，可通过弯曲改变其辐射角度，如弯曲90度、180度、360度等，使得器件的工作方式由定向辐射转变成全向辐射，向周围发射信号。此外，由于生物环境具有导电、介电损耗和介电常数大等特点，影响了与生物体共形天线的辐射特性，同时天线也会对生物体产生辐射，而本实施例中的天线结构被穿戴使用时，接地单元12靠近人体一侧，接地单元12在辐射单元11的背面，减缓了器件与生物体环境的互相影响，使得器件具有稳定的性能，同时降低了器件对人体的比吸收率，提升了器件的工作效率。
可选地，辐射单元11和/或接地单元12为金属网格结构，金属网格状结构包括网格状孔道和填充网格状孔道的液态金属，在保证器件信号强度的前提下节省制作成本。
图4是根据第一实施例示出的辐射单元的网格示意图。图5是根据第一实施例示出的接地单元的网格示意图。如图4和图5所示，辐射单元11的网格的长度和接地单元12的网格的长度相匹配，辐射单元11的网格的宽度小于或等于接地单元12的网格的宽度，在保证辐射单元11产生足够信号强度的前提下，使接地单元12更好的阻隔辐射单元11和人体，避免辐射单元11的辐射信号和生物体辐射互相影响。网格可以为正方形、长方形、菱形、平行四边形等形状。具体地，辐射单元11的网格线宽可为0.1mm～2mm，辐射单元11的面积可为0.25mm2～9mm2；接地单元12的网格线宽可为0.1mm～2mm，接地单元12的面积小于或等于9mm2。当然，为了实现更好的阻隔效果，也可以将接地单元12设计成整面填充液态金属的形式。
本实施例的天线结构，包括柔性介质层、辐射单元和接地单元；柔性介质层中填充液态金属层以形成辐射单元与接地单元，辐射单元靠近柔性介质层的厚度方向上的一侧表面，接地单元靠近柔性介质层的厚度方向上的另一侧表。本实施例的器件整体具备柔性，辐射单元和接地单元随柔性介质层弯曲时不会断裂分层，具有良好的抗疲劳特性。
第二实施例
图6是根据第二实施例示出的天线结构的制备方法的流程示意图。如图6所示，本实施例的天线结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤a，提供一柔性介质层，在柔性介质层内部形成第一孔道层和第二孔道层，第一孔道层靠近柔性介质层的厚度方向上的一侧表面，第二孔道层靠近柔性介质层的厚度方向上的另一侧表面。
可选地，步骤a，包括：
形成内部包覆第一牺牲层与第二牺牲层的柔性介质薄膜，第一牺牲层靠近柔性介质薄膜的厚度方向上的一侧表面，第二牺牲层靠近柔性介质薄膜的厚度方向上的另一侧表面；
溶解第一牺牲层与第二牺牲层，得到具有第一孔道层和第二孔道层的柔性介质层。
本实施例中，在模具中注入聚合物薄膜的预聚体溶液，在真空干燥箱中进行预固化(60～100℃，0.5～2小时)后，得到如图7所示的第一柔性薄膜20，厚度为a。将第一柔性薄膜20从模具取出，在第一柔性薄膜20表面设置与第一孔道层和/或第二孔道层状相同的金属牺牲层后放入模具，金属牺牲层的材质可为铜、铝等，得到如图7所示的第一牺牲层21和第二牺牲层22。其中，第一孔道层和第二孔道层均呈网格状，第一牺牲层21和第二牺牲层22相应地呈网格状。接着，在第一柔性薄膜20的上下表面分别注入聚合物薄膜的预聚体溶液，然后在真空干燥箱中进行预固化(60～100℃，0.5～2小时)后，得到如图7所示的柔性介质薄膜，包括厚度为a的第一柔性薄膜20、厚度为b的第二柔性薄膜23和厚度为c的第三柔性薄膜24，即柔性介质薄膜的整体厚度为a+b+c。当然，也可在第一柔性薄膜20的表面依次制作第二柔性薄膜23和第三柔性薄膜24，即在第一柔性薄膜20的上表面设置第一牺牲层21后浇注聚合物薄膜的预聚体溶液，固化后得到第二柔性薄膜23。之后在第一柔性薄膜20的下表面设置第二牺牲层22后浇注聚合物薄膜的预聚体溶液，固化后得到第三柔性薄膜24。
然后，将柔性介质薄膜脱模后取出，并放入酸性溶液，将第一牺牲层21和第二牺牲层22溶解去除，形成带有第一孔道层和第二孔道层的柔性介质层，第一孔道层和第二孔道层之间的距离大于或等于1mm。柔性介质层的总厚度小于或等于2mm，模量小于或等于10MPa，使柔性介质层整体具有柔性。
步骤b，在第一孔道层和第二孔道层中分别注入液态金属，形成天线结构的辐射单元和接地单元，以得到天线结构。
可选地，步骤b，包括：
在第一孔道层和第二孔道层中分别注入液态金属，形成天线结构的辐射单元和接地单元；
弯曲柔性介质层呈空心圆柱体状，以得到天线结构。
可选地，在第一孔道层和第二孔道层中分别注入液态金属之前，还包括：
对第一孔道层和第二孔道层的孔道表面进行等离子体处理。
本实施例中，在对第一孔道层和第二孔道层注入液态金属之前，对第一孔道层和第二孔道层的孔道表面进行高能量的等离子体处理，使孔道表面形成羟基，表面张力大于60达因，使得液态金属在孔道内具有良好的润湿性。等离子体处理过程中，电压为1000～3000V，电流为1A～5A，处理气体为Ar、O2、N2中的一种或多种，处理时间为2～10min。
生物体环境具有导电性，对电磁波较强的屏蔽作用，传统柔性天线由于剖面较小，贴敷于生物体表面时，天线的电磁辐射被屏蔽，降低天线效率，且无法实现全向辐射特性。本实施例制作的天线结构弯曲后，辐射单元呈弧形向四周辐射信号，可以实现全向辐射。天线结构的接地单元置于天线背面，减小生物体对天线的影响，避免了天线与生物体贴附共形时的频率漂移问题。此外，本实施例的天线结构可以做成高剖面环形弯曲微带天线，通过将高剖面的定向辐射的微带天线弯曲360度后与生物体共形，天线的结构形态决定天线与生物体共形时不受生物体影响，且高剖面使得天线具有一定的带宽传输信息。
以下具体列举两个工艺对本申请的天线结构的制备方法进行说明。
工艺1：
采用2mm深度的长方形模具，在模具中注入PDMS预聚体和固化剂，在真空干燥箱中进行预固化，得到第一柔性薄膜。将第一柔性薄膜从模具取出，在其表面设置与第一孔道层和第二孔道层状相同的金属牺牲层后放入模具。在第一柔性薄膜的上下表面分别注入PDMS预聚体，然后在真空干燥箱中进行预固化后，得到柔性介质薄膜。将柔性介质薄膜脱模后取出，并放入酸性溶液，将第一牺牲层和第二牺牲层溶解去除，形成带有第一孔道层和第二孔道层的柔性介质层。对第一孔道层和第二孔道层的孔道表面进行高能量的等离子体处理，在第一孔道层和第二孔道层中分别注入液态金属，形成天线结构的辐射单元和接地单元。弯曲柔性介质层呈空心圆柱体状，得到天线结构。辐射单元与接地单元之间的距离为1mm，天线可以360弯曲形成圆环状，辐射单元的网格为正方形，线宽为1mm，孔隙面积为1mm2，接地单元的网格为正方形，线宽为1mm，孔隙面积为4mm2。天线辐射方向图从定向到全向转变，频率偏移0.03GHz。天线增益为1dBi，驻波比为1.5。
工艺2：
采用3mm深度的长方形模具，在模具中注入TPU预聚体和固化剂，在真空干燥箱中进行预固化，得到第一柔性薄膜。将第一柔性薄膜从模具取出，在其表面设置与第一孔道层和第二孔道层状相同的金属牺牲层后放入模具。在第一柔性薄膜的上下表面分别注入TPU预聚体，然后在真空干燥箱中进行预固化后，得到柔性介质薄膜。将柔性介质薄膜脱模后取出，并放入酸性溶液，将第一牺牲层和第二牺牲层溶解去除，形成带有第一孔道层和第二孔道层的柔性介质层。对第一孔道层和第二孔道层的孔道表面进行高能量的等离子体处理，在第一孔道层和第二孔道层中分别注入液态金属，形成天线结构的辐射单元和接地单元。弯曲柔性介质层呈空心圆柱体状，得到天线结构。辐射单元与地面之间的距离为2mm，天线可以360弯曲形成圆环状，辐射单元的网格为菱形，线宽为2mm，孔隙面积为2mm2，接地面网格为菱形，线宽为2mm，孔隙面积为3mm2。天线辐射方向图从定向到全向转变，频率偏移0.02GHz。天线增益为3dBi，驻波比为1.6。
本申请的天线结构的制备方法，包括以下步骤：提供一柔性介质层，在柔性介质层内部形成第一孔道层和第二孔道层，第一孔道层靠近柔性介质层的厚度方向上的一侧表面，第二孔道层靠近柔性介质层的厚度方向上的另一侧表面；在第一孔道层和第二孔道层中分别注入液态金属，形成天线结构的辐射单元和接地单元，得到天线结构。根据本实施例制作得到的天线结构整体具备柔性，辐射单元和接地单元随柔性介质层弯曲时不易断裂分层，具有良好的抗疲劳特性。
上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种天线结构，其特征在于，包括柔性介质层、辐射单元和接地单元；所述柔性介质层中填充液态金属层以形成所述辐射单元与所述接地单元，所述辐射单元靠近所述柔性介质层的厚度方向上的一侧表面，所述接地单元靠近所述柔性介质层的厚度方向上的另一侧表面；所述辐射单元和所述接地单元为金属网格结构，所述金属网格结构包括网格状孔道和填充所述网格状孔道的液态金属，所述柔性介质层呈空心圆柱体状，所述辐射单元靠近所述柔性介质层的外侧表面，所述接地单元靠近所述柔性介质层的内侧表面。
2.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述辐射单元的网格线宽为0.1mm~2mm，所述辐射单元的面积为0.25mm2~9mm2；所述接地单元的网格线宽为0.1mm~2mm，所述接地单元的面积小于或等于9mm2。
3.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述柔性介质层的厚度为1mm~2mm，所述柔性介质层的模量小于或等于10MPa。
4.一种天线结构的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1至权利要求3任一项所述的天线结构，包括以下步骤：
a. 提供一柔性介质层，在所述柔性介质层内部形成第一孔道层和第二孔道层，所述第一孔道层靠近所述柔性介质层的厚度方向上的一侧表面，所述第二孔道层靠近所述柔性介质层的厚度方向上的另一侧表面，所述第一孔道层和所述第二孔道层均呈网格状；
b. 在所述第一孔道层和所述第二孔道层中分别注入液态金属，形成所述天线结构的辐射单元和接地单元，以得到所述天线结构。
5.根据权利要求4所述的天线结构的制备方法，其特征在于，所述a步骤，包括：
形成内部包覆第一牺牲层与第二牺牲层的柔性介质薄膜，所述第一牺牲层靠近所述柔性介质薄膜的厚度方向上的一侧表面，所述第二牺牲层靠近所述柔性介质薄膜的厚度方向上的另一侧表面；
除去所述第一牺牲层与所述第二牺牲层，得到具有所述第一孔道层和所述第二孔道层的所述柔性介质层。
6.根据权利要求4至5中任一项所述的天线结构的制备方法，其特征在于，所述b步骤，包括：
在所述第一孔道层和所述第二孔道层中分别注入液态金属，形成所述天线结构的辐射单元和接地单元；
弯曲所述柔性介质层呈空心圆柱体状，以得到所述天线结构。
7.根据权利要求4所述的天线结构的制备方法，其特征在于，所述b步骤中，所述在所述第一孔道层和第二孔道层中分别注入液态金属之前，还包括：
对所述第一孔道层和所述第二孔道层的孔道表面进行等离子体处理。
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