一种立式的柔性可拉伸天线及其制作方法

文档序号:10514383阅读:681来源:国知局
一种立式的柔性可拉伸天线及其制作方法【专利摘要】一种立式的柔性可拉伸天线,属于天线
技术领域
。包括可拉伸基板、图形化的金属/柔性介质基板、同轴电缆,所述图形化的金属/柔性介质基板包括天线结构和支撑结构,所述图形化的金属/柔性介质基板通过支撑结构与可拉伸基板连接,并通过支撑结构中的金属层与同轴电缆馈电,以实现天线与收发信机之间的电信号能量传输,所述天线结构在可拉伸基板上为拱形结构。本发明提供的立式可拉伸天线在使用时不会破坏天线结构,且在大幅度拉伸和弯曲下仍能实现高频信号的稳定传播,实现了在较大的拉伸条件下天线性能的稳定性,从而保证了可穿戴通讯系统通讯效果的稳定性;制作方法简单,成本低,易于实现大规模工业化生产。【专利说明】一种立式的柔性可拉伸天线及其制作方法
技术领域
[0001]本发明属于天线
技术领域
,具体涉及一种立式的柔性可拉伸天线及其制作方法。【
背景技术
】[0002]可穿戴式柔性天线具有柔软、易弯曲和可扭转等优点,已广泛应用于可穿戴通讯领域。常规的柔性天线只具备可弯曲性而不具备可拉伸性,使得其在应用中存在诸多限制,因此,研究和制作可拉伸天线对柔性天线的发展和应用具有至关重要的作用。[0003]目前,对可拉伸天线的研究主要是基于可拉伸衬底以及天线结构的形状进行的。Song,L等(Song,L.,Myers,A.C.,Adams,J.J.&Zhu,Y.Stretchableandreversiblydeformablerad1frequencyantennasbasedonsilvernanowires.ACSappliedmaterials&interfaces6,4248-4253(2014))在PDMS柔性基底上利用银纳米线制作拉伸性达I5%的可拉伸天线,天线中心频率从2.96GHz漂移到3.06GHz,Z等(Li,Z.etal.Rat1nalDesignofaPrintable,HighlyConductiveSilicone-basedElectricalIyConductiveAdhesiveforStretchableRad1-FrequencyAntennas.AdvancedFunct1nalMaterials25,464-470(2015))公开了一种高电导率娃胶的天线结构,在其使用范围内拉伸性可达60%C3Liu,Q等(Liu,Q.,Ford,K.L.,Langley,R.,Robinson,A.&Lacour,S.1nAntennasandPropagat1n(EUCAP),20126thEuropeanConferenceon.168-171(IEEE))公开了一种拉伸性为20%的倒F形天线。Hussain,A.M(Hussain,A.M.etal.Metal/PolymerBasedStretchableAntennaforConstantFrequencyFar-FieldCommunicat1ninWearableElectronics.AdvancedFunct1nalMaterials25,6565-6575,do1:10.1002/adfm.201503277(2015))公开了一种拉伸性为30%的半圆形弹黃状天线。Fan,J.A等(Fan,J.A.etal.Fractaldesignconceptsforstretchableelectronics.NatureCommunicat1ns5,do1:10.1038/ncomms4266(2014))公开了一种拉伸性为30%的自相似分形天线结构。上述天线仅具备小幅度的可拉伸性,在可穿戴通讯领域应用时会存在很多限制,因此研制能适应较大形变的天线显得尤为重要。【
发明内容】[0004]本发明针对【
背景技术
】存在的缺陷,提出了一种立式的柔性可拉伸天线及其制作方法,有效解决了柔性天线拉伸性能差、制作成本高、穿戴过程中性能不稳定的问题。本发明可拉伸天线采用立式结构,使用时不会破坏天线结构,且在大幅度拉伸和弯曲下仍能实现高频信号的稳定传播;制作方法简单,成本低,易于实现大规模工业化生产。[0005]本发明的技术方案如下:[0006]—种立式的柔性可拉伸天线,包括可拉伸基板、图形化的金属/柔性介质基板、同轴电缆,所述图形化的金属/柔性介质基板包括天线结构和支撑结构,所述图形化的金属/柔性介质基板通过支撑结构与可拉伸基板连接,并通过支撑结构中的金属层与同轴电缆馈电,以实现天线与收发信机之间的电信号能量传输,所述天线结构在可拉伸基板上为拱形结构。[0007]进一步地,所述立式的柔性可拉伸天线在制作时,首先将图形化的金属/柔性介质基板中的支撑结构固定于预拉伸至一定程度的可拉伸基板上,然后释放可拉伸基板,图形化的金属/柔性介质基板即会在可拉伸基板上拱起,形成立式的柔性可拉伸天线。[0008]进一步地,所述图形化的金属/柔性介质基板中的天线结构的拱起高度可通过控制可拉伸基板的预拉伸程度进行控制。[0009]进一步地,所述天线结构的拱起高度为[0010]进一步地,所述图形化的金属/柔性介质基板中的柔性介质基板为不可拉伸基板。[0011]进一步地,所述可拉伸基板为杨氏模量为1kPa?1MPa的高分子固化物,具体为PDMS(聚二甲基娃氧烧)、ecofIex(脂肪族芳香族无规共聚酯)等。[0012]进一步地,所述可拉伸基板的厚度为0.2-5mm。[0013]进一步地,所述图形化的金属/柔性介质基板包括一段蛇形结构和两段条形结构组成的天线结构,以及两个哑铃状结构组成的支撑结构,所述两个哑铃状结构的中间部分的一侧通过条形结构实现与蛇形结构的连接,另一侧设置一槽形,用于与可拉伸基板进行粘贴固定。如图3所示,图形化的金属/柔性介质基板的支撑结构中,U,L2,L3,L4为l-10mm,L5为0.5_5mm;天线结构中,LS3-30mm,W2S0.4-4mm,wiS0.2_2mm,d为0.2_2mm,D为3.2_32mm。[0014]进一步地,所述天线结构为左右对称结构;所述支撑结构为上下对称结构,用于实现天线结构与基板之间的连接、支撑天线结构以及与同轴电缆之间进行馈电。[0015]进一步地,所述图形化的金属/柔性介质基板是在聚酰亚胺等柔性介质基板上通过蒸发或溅射等方法制备金属膜,然后通过机械雕刻或激光刻蚀等方法形成天线结构和支撑结构得到;或者首先将聚酰亚胺等柔性介质基板通过机械雕刻或激光刻蚀等方法形成天线结构和支撑结构,然后再通过蒸发或溅射等方法在其上制备金属膜,得到图形化的金属/柔性介质基板。[0016]进一步地,所述同轴电缆包括内导体、介质层、外导体和保护层,其一端为SMA母头,另一端为裸线,支撑结构的金属层通过裸线部分与同轴电缆连接;所述内导体的裸露部分<1mm,介质层裸露l_2mm,外导体裸露2-100mm。[0017]进一步地,所述同轴电缆的内导体与支撑结构的金属层通过银浆或银漆粘接,或者通过焊锡点焊接。[0018]—种立式的柔性可拉伸天线的制作方法,包括以下步骤:[0019]步骤1:将可拉伸基板预拉伸至一定程度;[0020]步骤2:制作图形化的金属/柔性介质基板,然后将图形化的金属/柔性介质基板中的支撑结构固定于步骤I预拉伸至一定程度的基板上;[0021]步骤3:释放可拉伸基板,图形化的金属/柔性介质基板即会在可拉伸基板上拱起,从而得到立式的柔性可拉伸天线。[0022]本发明的有益效果为:[0023]1、本发明提供的立式可拉伸天线在使用时不会破坏天线结构,且在大幅度拉伸和弯曲下仍能实现高频信号的稳定传播,实现了在较大的拉伸条件下天线性能的稳定性,从而保证了可穿戴通讯系统通讯效果的稳定性。[0024]2、本发明立式可拉伸天线的制作方法简单,成本低,易于实现大规模工业化生产。【附图说明】[0025]图1为本发明提供的一种立式的柔性可拉伸天线的结构示意图;其中,I为可拉伸基板,2为天线结构,3为支撑结构,4为支撑结构馈电区域,5为同轴电缆;[0026]图2为实施例的柔性可拉伸天线的制备流程示意图;[0027]图3为实施例的柔性可拉伸天线中图形化的金属/柔性介质基板的示意图;[0028]图4为实施例的柔性可拉伸天线在不同拉伸程度下(拉伸0%、拉伸100%、拉伸200%)SII参数随频率变化的曲线图。【具体实施方式】[0029]下面结合附图和实施例,详述本发明的技术方案。[0030]如图1所示,为本发明提供的一种立式的柔性可拉伸天线的结构示意图,包括可拉伸基板、图形化的金属/柔性介质基板、同轴电缆,所述图形化的金属/柔性介质基板包括天线结构和支撑结构,所述图形化的金属/柔性介质基板通过支撑结构与可拉伸基板固定连接,并通过支撑结构中的金属层与同轴电缆馈电,以实现天线与收发信机之间的电信号能量传输,所述天线结构在可拉伸基板上为拱形结构。[0031]进一步地,所述图形化的金属/柔性介质基板的支撑结构通过点胶的方法粘贴到预拉伸的基板上,固定后释放预拉伸,图形化的金属/柔性介质基板拱起,即可在可拉伸基板上形成立式的柔性可拉伸天线。[0032]进一步地,所述同轴电缆包括内导体、介质层、外导体和保护层,其一端为SMA母头,另一端为裸线,支撑结构的金属层通过裸线部分与同轴电缆连接;所述内导体的裸露部分<1mm,介质层裸露l_2mm,外导体裸露2-100mm。[0033]进一步地,所述支撑结构中的金属层与同轴电缆的内导体焊接作为馈电,焊接点一端为支撑结构中的金属层,另一端为同轴电缆的内导体。[0034]实施例[0035]本实施例立式的柔性可拉伸天线的基板为ecoflex(脂肪族芳香族无规共聚酯),厚度为1.835mm;图形化的金属/柔性介质基板中的柔性介质基板为75μηι厚的聚酰亚胺,金属为50nm厚的金;如图3所示,图形化的金属/柔性介质基板的支撑结构中:Li=Imm,12=1mm,T,3=1mmΛλ=1mm,Ls=0.5mm,天线结构中:L=3mm,W2=0.4mm,wi=0.2mm,d=0.2mm,D=3.2mm0[0036]如图2所示,实施例立式的柔性可拉伸天线的制作方法,具体包括以下步骤:[0037]步骤1、将ecoflex的A胶和B胶按照体积比为1:1的比例混合,在0.1Torr的真空环境下放置3?1min以除去气泡;然后倒入培养皿中静置24小时后,切割为2.5cmX2.5cm的大小,得到可拉伸基板,其厚度为1.835mm;[0038]步骤2、图形化的柔性介质基板的制备:将厚度为75μπι的聚酰亚胺膜粘到热释放胶带上,然后放入机械雕刻机的切割垫上,采用机械雕刻法形成天线结构和支撑结构的图形;[0039]步骤3、将步骤2得到的带图形化的聚酰亚胺膜的热释放胶带从切割垫上剥离;[0040]步骤4、在步骤3得到的图形化的聚酰亚胺膜表面采用磁控溅射法制备厚度为50nm的金层;[0041]步骤5、将镀完金膜的聚酰亚胺膜放入烘箱中90°C保温20min,通过机械剥离的方法将热释放胶带剥离,得到图形化的金属/柔性介质基板;[0042]步骤6、将步骤I得到的可拉伸基板采用单轴拉伸夹具拉伸至200%,得到预拉伸基板;[0043]步骤7、将步骤5得到图形化的带金层的聚酰亚胺膜粘贴于步骤6预拉伸基板上:将图形化的带金层的聚酰亚胺膜中的支撑结构部分采用点胶方法粘贴于预拉伸基板上,静置24小时,即可实现支撑结构与预拉伸基板的固定,其中,点胶时使用的胶为ecoflex的A胶和B胶按照体积比为1:1的比例混合得到的;[0044]步骤8、选取长度为1.2mm的一端为SMA母头、另一端为裸线的同轴电缆,将裸线的一端进行逐层剥离,同轴电缆的内导体的裸露部分1mm,介质层裸露2mm,外导体裸露30mm;将同轴电缆的外导体悬空,内导体采用点焊或银浆连接上述支撑结构表面的金属层;[0045]步骤9、将预拉伸基板释放,图形化的金属/柔性介质基板拱起,即可得到本发明所述立式的柔性可拉伸天线。[0046]将实施例制得的立式的柔性可拉伸天线分别拉伸到0%、拉伸100%、拉伸200%后,测试其性能。图4为实施例的柔性可拉伸天线在不同拉伸程度下(拉伸0%、拉伸100%、拉伸200%)S11参数随频率变化的曲线图;由图4可知,当实施例的柔性可拉伸天线的拉伸程度为200%时,其使用的中心频率稳定在5.61GHz,且带宽不发生变化。而目前报道的可拉伸天线最大拉伸性为120%,且中心频率和带宽不稳定,因此,本发明提供的立式的柔性可拉伸天线在较大的拉伸强度下仍具有良好的稳定性,适用于可穿戴天线领域。【主权项】1.一种立式的柔性可拉伸天线,包括可拉伸基板、图形化的金属/柔性介质基板、同轴电缆,所述图形化的金属/柔性介质基板包括天线结构和支撑结构,所述图形化的金属/柔性介质基板通过支撑结构与可拉伸基板连接,并通过支撑结构中的金属层与同轴电缆馈电,所述天线结构为拱形结构。2.根据权利要求1所述的立式的柔性可拉伸天线,其特征在于,所述立式的柔性可拉伸天线在制作时,首先将图形化的金属/柔性介质基板中的支撑结构固定于预拉伸的可拉伸基板上,然后释放可拉伸基板,图形化的金属/柔性介质基板即会在可拉伸基板上拱起,形成立式的柔性可拉伸天线。3.根据权利要求1所述的立式的柔性可拉伸天线,其特征在于,所述可拉伸基板为杨氏模量为IOkPa?IOMPa的高分子固化物。4.根据权利要求1所述的立式的柔性可拉伸天线,其特征在于,所述可拉伸基板为PDMSI^ecoflex05.根据权利要求1所述的立式的柔性可拉伸天线,其特征在于,所述天线结构的拱起高度为0mm-5mmo6.根据权利要求1所述的立式的柔性可拉伸天线,其特征在于,所述图形化的金属/柔性介质基板包括一段蛇形结构和两段条形结构组成的天线结构,以及两个哑铃状结构组成的支撑结构,所述两个哑铃状结构的中间部分的一侧通过条形结构与蛇形结构连接,另一侧设置一槽形,用于与可拉伸基板进行粘贴固定。7.—种立式的柔性可拉伸天线的制作方法,包括以下步骤:步骤1:将可拉伸基板预拉伸;步骤2:制作图形化的金属/柔性介质基板,然后将图形化的金属/柔性介质基板中的支撑结构固定于步骤I预拉伸的基板上;步骤3:释放可拉伸基板,图形化的金属/柔性介质基板即会在可拉伸基板上拱起,得到立式的柔性可拉伸天线。【文档编号】H01Q1/12GK105870573SQ201610342913【公开日】2016年8月17日【申请日】2016年5月20日【发明人】林媛,颜卓程,潘泰松,姚光,黄振龙,高敏【申请人】电子科技大学
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