CN115528422A - 一种柔性天线及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信技术领域，公开了一种柔性天线，包括贴片部分和馈电部分，所述贴片部分的底部与所述馈电部分的顶部连接；所述贴片部分包括第一介质基板和金属合金贴片，所述金属合金贴片嵌入所述第一介质基板中，所述第一介质基板采用PDMS有机材料，所述金属合金贴片采用EGaIn材料；所述馈电部分包括第二介质基板，所述第二介质基板采用PDMS有机材料。该柔性天线相比较传统天线而言具有可形变的特性，其形状可随工作环境要求做出改变，从而达到可适应多种工作条件。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体而言，涉及一种柔性天线及其加工方法。
背景技术
目前，通信系统中多采用固体天线，而随着通信设备向着小型化、多功能化和多频段方向发展，固体天线往往很难兼顾小尺寸、宽频带和可形变等一系列优异性能。所以在某些特定的工作环境中，传统天线已经很难满足上述各种需求。
由于固态金属天线在受力弯曲时其结构会起皱，甚至破裂，导致天线功能失效。因此，固态技术天线无法应用于设备表面弯曲。JH So等人在2009年发现镓铟合金(EutecticGallium-Indium,EGaIn)在室温下呈液态，且具备天线所需的电特性，是一种可替代铜的新形天线材料，并制作了一款形状可逆和机械可调的液态天线，辐射效率可达到铜天线的90％。(So JH,Thelen J,Qusba A,et al.Reversibly deformable and mechanicallytunable fluidic antennas[J].Advanced Functional Materials,2009,19(22):3632-3637.)Liu等人表明采用EGaln作为材料制成的天线具有铜材质所不具备的特性，如反复弯折不会导致材料“疲劳”，以及在受到外力作用被截断或弯曲时具有自我修复能力。(Liu T,Sen P,Kim CJ,et al.Characterization of nontoxic liquid-metal alloy Galinstanfor applications in microdevices[J].Journal of MicroelectromechanicalSystems,2012,21(2):443-450.)以此达到天线可工作于不同角度的弯曲表面，而其工作性能基本保持优良的目的。
有鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：固态金属天线在受力弯曲时易损坏，不能适应多变的工作条件。目的在于提供一种柔性天线及其加工方法，采用液态金属介质代替天线辐射单元所使用的固体金属材料，且介质基板采用柔性有机材料，使天线的形状可随工作环境要求做出改变，从而达到可适应多种工作条件的目的。
本发明通过下述技术方案实现：
一方面，本发明提供一种柔性天线，包括贴片部分和馈电部分，所述贴片部分的底部与所述馈电部分的顶部连接；所述贴片部分包括第一介质基板和金属合金贴片，所述金属合金贴片嵌入所述第一介质基板中，所述第一介质基板采用PDMS有机材料，所述金属合金贴片采用EGaIn材料；所述馈电部分包括第二介质基板，所述第二介质基板采用PDMS有机材料。
进一步的，所述金属合金贴片包括U形槽；所述馈电部分包括金属接地面和馈电线路，所述金属接地面位于所述第二介质基板的顶部，所述馈电线路位于所述介质基板的下部，所述金属接地面的顶部与所述第一介质基板的底部连接；所述金属接地面包括耦合槽，所述耦合槽的中心与所述金属合金贴片的中心重合；所述馈电线路包括微带线、1/4波长阻抗转换器和馈电端口，所述微带线的一端连接所述馈电端口，所述微带线的另一端连接所述1/4波长阻抗转换器。
进一步的，所述金属合金贴片为矩形，所述耦合槽为H形槽，所述H形槽的槽缝中心与所述金属合金贴片的中心重合。
进一步的，所述柔性天线还包括泡沫柱，所述泡沫柱的一端连接所述第一介质基板的底部，所述泡沫柱的另一端连接所述金属接地面的顶部。
进一步的，所述馈电端口位于所述第二介质基板的一侧面的中心位置，所述微带线位于所述第二介质基板的底部中心位置。
进一步的，所述第一介质基板、所述金属合金贴片、所述U形槽、所述第二基板、所述金属接地面、所述H形槽、所述微带线、所述1/4波长阻抗转换器和所述泡沫柱的尺寸可调，所述尺寸包括长、宽和高；所述金属合金贴片与所述第一介质基板底部之间的距离可调。
另一方面，本发明提供一种柔性天线的加工方法，包括以下步骤：选择由PDMS有机材料制成的第一介质基板第二介质基板；在所述第一介质基板内嵌入材质为EGaIn的金属合金贴片，得到柔性天线的贴片部分；在所述第二介质基板上设置馈电线路，得到柔性天线的馈电部分；将所述贴片部分的底部与所述馈电部分的顶部连接，得到完整的柔性天线。
进一步的，所述柔性天线的加工方法还包括以下步骤：在所述金属合金贴片上开设U形槽；在所述第二介质基板的顶部覆盖金属接地面，将所述金属接地面的顶部与所述第一介质基板的底部连接，在所述金属接地面上开设耦合槽，将所述耦合槽的中心与所述金属合金贴片的中心对齐；将所述金属合金贴片加工为矩形，将所述耦合槽加工为H形，将H形的耦合槽的槽缝中心与矩形金属合金贴片的中心对齐；在所述第一介质基板的底部和所述金属接地面的顶部之间添加泡沫柱。
进一步的，在所述第二介质基板上设置馈电线路包括以下步骤：在所述第二介质基板的一侧面的中心位置开设馈电端口，在所述第二介质基板的底部中心位置安装微带线，在所述第二介质基板上安装1/4波长阻抗转换器；将所述微带线的一端与所述馈电端口连接，将所述微带线的另一端与所述1/4波长阻抗转换器连接。
进一步的，所述柔性天线的加工方法还包括以下步骤：调整所述第一介质基板、所述金属合金贴片、所述U形槽、所述第二基板、所述金属接地面、所述耦合槽、所述微带线、所述1/4波长阻抗转换器和所述泡沫柱的尺寸；调整所述金属合金贴片与所述第一介质基板底部之间的距离。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、采用EGaIn材料的金属合金贴片代替传统天线辐射单元所使用的固体金属材料，且贴片部分和馈电部分的介质基板均采用PDMS柔性有机材料，使得该柔性天线相比较传统天线而言具有可形变的特性，因此该柔性天线的形状可随工作环境要求做出改变，从而达到可适应多种工作条件的目的。
2、通过在金属合金贴片上开设U形槽，在金属接地面上开设耦合槽，增加了该柔性天线的带宽。
3、该柔性天线的各部分结构的尺寸可调，可实现对天线所需频段进行优化和改善天线的阻抗匹配特性。
4、通过在第一介质基板的底部与金属接地面的顶部之间添加泡沫柱，一方面起到支撑和连接作用；另一方面不改变天线的性能；再一方面使二者之间形成空气层，从而减小馈电网络对辐射单元的影响，使得此馈电方式与同轴线馈电方式相比不需要垂直互联，可简化制作工艺且保持印刷电路技术的特性，与直接接触馈电方式相比，其口径耦合馈电具有更多的计数参数，可供设计者灵活选择。
5、采用H形的耦合槽使该柔性天线的匹配程度和损耗均达到最优。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例1提供的一种柔性天线结构的侧视图；
图2为本发明实施例1提供的一种柔性天线结构的俯视图；
图3为本发明实施例1提供的一种柔性天线结构的仰视图；
图4为本发明实施例1提供的一种柔性天线的金属接地面的结构示意图；
图5为本发明实施例1提供的一种柔性天线的反射系数曲线；
图6为本发明实施例1提供的一种柔性天线在弯曲约15°时反射系数曲线图；
图7为本发明实施例1提供的一种柔性天线在弯曲约30°时反射系数曲线图；
图8为本发明实施例1提供的一种柔性天线在弯曲约45°时反射系数曲线图；
图9为本发明实施例1提供的一种柔性天线在1.9GHz和5.0GHz的匹配阻抗图；
图10为本发明实施例1提供的一种柔性天线在1.9GHz的辐射方向图；
图11为本发明实施例1提供的一种柔性天线在5.0GHz的辐射方向图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-贴片部分，2-馈电部分，3-泡沫柱，11-第一介质基板，12-金属合金贴片，21-第二介质基板，22-金属接地面，23-馈电线路，121-U形槽，221-耦合槽，231-微带线，232-1/4波长阻抗转换器，233-馈电端口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
由于传统天线的辐射单元使用的是固体金属材料，而固态金属天线在受力弯曲时其结构会起皱，甚至破裂，导致天线功能失效，使得传统天线不能适用于表面弯曲的设备，以及其他多变的工作条件。
为解决解决上述问题，本实施例提供了一种柔性天线及其加工方法，采用液态金属介质代替天线辐射单元所使用的固体金属材料，且介质基板采用柔性有机材料，使天线的形状可随工作环境要求做出改变，从而达到可适应多种工作条件的目的。
具体的，该柔性天线的整体结构如图1所示，包括贴片部分1和馈电部分2，贴片部分1的底部与馈电部分2的顶部连接。其中，贴片部分1由一块第一介质基板11和一块金属合金贴片12组成。该金属合金贴片12嵌入在该第一介质基板11中。并且，该第一介质基板11采用PDMS有机材料，金属合金贴片12采用EGaIn材料。另外，馈电部分2由一块第二介质基板21和一个馈电线路23组成。同样的，该第二介质基板21也采用PDMS有机材料。
由于本实施例提供的一种柔性天线辐射单元使用的是EGaIn材料(镓铟金属合金，常温下为液态，电导率为3.4×104S/m，导电性能良好)的金属合金贴片，由于EGaIn材料在室温下呈液态，具备天线所需的电特性，是一种可替代铜的新形天线材料，其辐射效率可达到铜天线的90％。因此，采用EGaln作为材料制成的天线具有铜材质所不具备的特性，如反复弯折不会导致材料“疲劳”，以及在受到外力作用被截断或弯曲时具有自我修复能力。另外，贴片部分和馈电部分的介质基板均采用PDMS柔性有机材料(聚二甲基硅氧烷，介电常数约为2.67，损耗正切角为0.0375)，使用PDMS柔性有机材料的介质基板用于承载金属合金贴片和馈电线路，使得该柔性天线相比较传统天线而言具有可形变的特性。因此采用EGaIn材料的金属合金贴片代替传统天线辐射单元所使用的固体金属材料，并使用PDMS柔性有机材料的介质基板用于承载金属合金贴片和馈电线路，使得该柔性天线的形状可随工作环境要求做出改变，从而达到可适应多种工作条件的目的。
需补充说明的是，本实施例中，第一介质基板的一侧开设有一柱状孔径，用以注射EGaIn材料。
为有效增加该柔性天线的带宽，本实施例中金属合金贴片采用开槽的方式。如图2所示，该金属合金贴片的形状为矩形，在金属合金贴片12的矩形区域内开设有一个U形槽121。通过开U形槽改变了原先的电流路径，形成两个相对独立的电流回路，从而实现天线可工作于两个频段。
相应的，馈电部分采用的微带槽耦合馈电的馈电方式。具体的，如图1所示，馈电部分2由一块金属接地面22和一个馈电线路23组成，并且金属接地面22位于第二介质基板21的顶部，馈电线路23位于介质基板21的下部，金属接地面22的顶部与第一介质基板11的底部连接，该金属接地面采用金属镍(介电常数为1，导电率为1.45×107S/m)。如图3所示，金属接地面22上开设有耦合槽221，该耦合槽221的中心与所述金属合金贴片12的中心重合。如图4所示，馈电线路23包括一条微带线231和一个1/4波长阻抗转换器232，第二介质基板21的一侧面的中心位置还开设有一个馈电端口233。该微带天线位于第二介质基板21的底部中心位置，并且微带线231的一端连接所述馈电端口233，微带线231的另一端连接所述1/4波长阻抗转换器232。因为微带线中电流被槽所切断，激励槽产生辐射，进而将能量耦合到辐射贴片中。
需注意的是，从图1中可以看出，本实施例中贴片部分与馈电部分之间是隔开的，二者之间形成了一空气层。该空气层是通过在第一介质基板的底部与金属接地面的顶部之间添加泡沫柱的方式形成的。
在贴片部分与馈电部分之间添加空气层的目的是为解决因PDMS材料的损耗较大而导致天线的损耗较大的问题。因此通过添加空气层来降低天线整体损耗，从而减小馈电网络对辐射单元的影响，使得此馈电方式与同轴线馈电方式相比不需要垂直互联，可简化制作工艺且保持印刷电路技术的特性，与直接接触馈电方式相比，其口径耦合馈电具有更多的计数参数，可供设计者灵活选择，进而提升天线工作效率。而选用泡沫柱的原因是：一方面起到支撑和连接作用；另一方面不改变天线的性能。
空气层的高度越高天线的整体损耗越低，但是随着空气层的增加，天线的匹配程度也会随之降低。因此，本实施例对天线的馈电结构进行了相应优化，如图3所示，将金属接地面上的耦合槽的形状设置为H形槽，使得天线的匹配程度和损耗均达到最优值。
此外，本实施例中，第一介质基板11、金属合金贴片12、U形槽121、第二基板21、金属接地面22、H形槽、微带线231、1/4波长阻抗转换器232和泡沫柱3的尺寸(长、宽和高)均可调；金属合金贴片12与第一介质基板11底部之间的距离也可调。通过调节柔性天线的各部分结构的尺寸可调，可实现对天线所需频段进行优化和改善天线的阻抗匹配特性。
需补充说明的是，本实施例提供的一种柔性天线，其整体尺寸及各部分结构的尺寸如下：
| 名称 | 尺寸 |
| 天线整体 | 长80mm，宽80mm，高4.5mm |
| 第一介质基板 | 长80mm，宽80mm，高2mm |
| 矩形贴片 | 长36.9mm，宽25mm，与第一介质基板底部的距离为5mm |
| U形槽 | 整体宽2mm，两侧臂长16mm，中间臂长16mm |
| 第二介质基板 | 长80mm，宽80mm，高2mm |
| 微带线 | 长4.85mm，宽18mm |
| 1/4波长阻抗转换器 | 长1.95mm，宽22mm |
| H形槽 | 两侧臂：宽5mm，高20mm；中间臂：长20mm，宽5mm |
综上，本实施例提供的一种柔性天线采用EGaIn材料的金属合金贴片代替传统天线辐射单元所使用的固体金属材料，且贴片部分和馈电部分的介质基板均采用PDMS柔性有机材料，使得该柔性天线相比较传统天线而言具有可形变的特性，因此该柔性天线的形状可随工作环境要求做出改变，从而达到可适应多种工作条件的目的；通过在金属合金贴片上开设U形槽，在金属接地面上开设耦合槽，增加了该柔性天线的带宽；该柔性天线的各部分结构的尺寸可调，可实现对天线所需频段进行优化和改善天线的阻抗匹配特性；通过在第一介质基板的底部与金属接地面的顶部之间添加泡沫柱，一方面起到支撑和连接作用；另一方面不改变天线的性能；再一方面使二者之间形成空气层，从而减小馈电网络对辐射单元的影响，使得此馈电方式与同轴线馈电方式相比不需要垂直互联，可简化制作工艺且保持印刷电路技术的特性，与直接接触馈电方式相比，其口径耦合馈电具有更多的计数参数，可供设计者灵活选择；采用H形的耦合槽使该柔性天线的匹配程度和损耗均达到最优。
利用上述柔性天线进行试验，得到了如图5所示的天线反射系数曲线，如图6至图8所示的天线分别在弯曲约15°、30°和45°时反射系数曲线，如图9所示的天线在1.9GHz和5.0GHz的匹配阻抗图，以及如图10和如11所示的天线在1.9GHz和5.0GHz的辐射方向图。
从而反映出本实施例体用的一种柔性天线的工作频带满足了1.66-2.17GHz，3.34-3.48GHz和4.00-6.69GHz三个频段，可同时满足3G的1.88GHz-1.9GHz、2.01GHz-2.025GHz，4G的1.88GHz-1.9GHz，5G的3.3GHz-3.4GHz、3.4GHz-3.6GHz、4.8GHz-5 GHz和WLAN的5.8GHz的多工作频段。
实施例2
与实施例1对应的，本实施例提供一种柔性天线的加工方法，包括以下步骤：
步骤1：选择由PDMS有机材料制成的第一介质基板第二介质基板。
步骤2：在第一介质基板内嵌入材质为EGaIn的金属合金贴片，得到柔性天线的贴片部分。
步骤3：在第二介质基板上设置馈电线路，得到柔性天线的馈电部分。
步骤4：将所贴片部分的底部与馈电部分的顶部连接，得到完整的柔性天线。
其中，在所述第二介质基板上设置馈电线路包括以下步骤：
步骤3.1：在第二介质基板的一侧面的中心位置开设馈电端口，在第二介质基板的底部中心位置安装微带线，在第二介质基板上安装1/4波长阻抗转换器。
步骤3.2：将微带线的一端与馈电端口连接，将微带线的另一端与1/4波长阻抗转换器连接。
进一步的，在得到柔性天线的整体结构的基础上继续执行以下步骤：
步骤5：在金属合金贴片上开设U形槽。
步骤6：在第二介质基板的顶部覆盖金属接地面，将金属接地面的顶部与第一介质基板的底部连接。
步骤7：在金属接地面上开设耦合槽，将耦合槽的中心与金属合金贴片的中心对齐。
步骤8：将所金属合金贴片加工为矩形，将耦合槽加工为H形，将H形的耦合槽的槽缝中心与矩形金属合金贴片的中心对齐。
步骤9：在所第一介质基板的底部和金属接地面的顶部之间添加泡沫柱。
步骤10：调整第一介质基板、金属合金贴片、U形槽、第二基板、金属接地面、耦合槽、微带线、1/4波长阻抗转换器和泡沫柱的尺寸；调整金属合金贴片与第一介质基板底部之间的距离。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种柔性天线，其特征在于，包括贴片部分(1)和馈电部分(2)，所述贴片部分(1)的底部与所述馈电部分(2)的顶部连接；所述贴片部分(1)包括第一介质基板(11)和金属合金贴片(12)，所述金属合金贴片(12)嵌入所述第一介质基板(11)中，所述第一介质基板(11)采用PDMS有机材料，所述金属合金贴片(12)采用EGaIn材料；所述馈电部分(2)包括第二介质基板(21)，所述第二介质基板(21)采用PDMS有机材料。
2.根据权利要求1所述的一种柔性天线，其特征在于，所述金属合金贴片(12)包括U形槽(121)；所述馈电部分(2)包括金属接地面(22)和馈电线路(23)，所述金属接地面(22)位于所述第二介质基板(21)的顶部，所述馈电线路(23)位于所述介质基板(21)的下部，所述金属接地面(22)的顶部与所述第一介质基板(11)的底部连接；所述金属接地面(22)包括耦合槽(221)，所述耦合槽(221)的中心与所述金属合金贴片(12)的中心重合；所述馈电线路(23)包括微带线(231)、1/4波长阻抗转换器(232)和馈电端口(233)，所述微带线(231)的一端连接所述馈电端口(233)，所述微带线(231)的另一端连接所述1/4波长阻抗转换器(232)。
3.根据权利要求2所述的一种柔性天线，其特征在于，所述金属合金贴片(12)为矩形，所述耦合槽(221)为H形槽，所述H形槽的槽缝中心与所述金属合金贴片(12)的中心重合。
4.根据权利要求2或3所述的一种柔性天线，其特征在于，包括泡沫柱(3)，所述泡沫柱(3)的一端连接所述第一介质基板(11)的底部，所述泡沫柱(3)的另一端连接所述金属接地面(22)的顶部。
5.根据权利要求2或3所述的一种柔性天线，其特征在于，所述馈电端口(233)位于所述第二介质基板(21)的一侧面的中心位置，所述微带线(231)位于所述第二介质基板(21)的底部中心位置。
6.根据权利要求3所述的一种柔性天线，其特征在于，所述第一介质基板(11)、所述金属合金贴片(12)、所述U形槽(121)、所述第二基板(21)、所述金属接地面(22)、所述H形槽、所述微带线(231)、所述1/4波长阻抗转换器(232)和所述泡沫柱(3)的尺寸可调，所述尺寸包括长、宽和高；所述金属合金贴片(12)与所述第一介质基板(11)底部之间的距离可调。
7.一种柔性天线的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
选择由PDMS有机材料制成的第一介质基板第二介质基板；
在所述第一介质基板内嵌入材质为EGaIn的金属合金贴片，得到柔性天线的贴片部分；在所述第二介质基板上设置馈电线路，得到柔性天线的馈电部分；
将所述贴片部分的底部与所述馈电部分的顶部连接，得到完整的柔性天线。
8.根据权利要求7所述的一种柔性天线的加工方法，其特征在于，还包括以下步骤：
在所述金属合金贴片上开设U形槽；
在所述第二介质基板的顶部覆盖金属接地面，将所述金属接地面的顶部与所述第一介质基板的底部连接，在所述金属接地面上开设耦合槽，将所述耦合槽的中心与所述金属合金贴片的中心对齐；
将所述金属合金贴片加工为矩形，将所述耦合槽加工为H形，将H形的耦合槽的槽缝中心与矩形金属合金贴片的中心对齐；
在所述第一介质基板的底部和所述金属接地面的顶部之间添加泡沫柱。
9.根据权利要求7或8所述的一种柔性天线的加工方法，其特征在于，在所述第二介质基板上设置馈电线路包括以下步骤：
在所述第二介质基板的一侧面的中心位置开设馈电端口，在所述第二介质基板的底部中心位置安装微带线，在所述第二介质基板上安装1/4波长阻抗转换器；
将所述微带线的一端与所述馈电端口连接，将所述微带线的另一端与所述1/4波长阻抗转换器连接。
10.根据权利要求7或8所述的一种柔性天线的加工方法，其特征在于，还包括以下步骤：
调整所述第一介质基板、所述金属合金贴片、所述U形槽、所述第二基板、所述金属接地面、所述耦合槽、所述微带线、所述1/4波长阻抗转换器和所述泡沫柱的尺寸；
调整所述金属合金贴片与所述第一介质基板底部之间的距离。
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|---|---|---|---|
| CN202211259167.0A CN115528422A (zh) | 2022-10-14 | 2022-10-14 | 一种柔性天线及其加工方法 |
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| CN108808220A (zh) * | 2018-06-07 | 2018-11-13 | 南京理工大学 | 一种采用波导馈电的宽频带微带阵列天线 |
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2022
- 2022-10-14 CN CN202211259167.0A patent/CN115528422A/zh active Pending
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