柔性天線技術(shù)綜述
發(fā)表時間：2024-06-12 文章來源：
得益于第五代移動無線通信（5G）的高速、大容量以及低時延的優(yōu)勢，物聯(lián)網(wǎng)（IOT）正慢慢進(jìn)入各行各業(yè)，如下圖1所示。 圖1 5G與物聯(lián)網(wǎng)之間的連接架構(gòu)。下一代物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備在小型化上已經(jīng)有了長足的發(fā)展，其目前瓶頸在于設(shè)備的柔性。柔性電子設(shè)備具有重量輕、可便攜、便宜、環(huán)境友好和一次性的優(yōu)點(diǎn)。圖2展現(xiàn)了在柔性電子設(shè)備領(lǐng)域的多種應(yīng)用。柔性無線設(shè)備作為通信設(shè)備，其天線設(shè)計也起著居中輕重的作用。
柔性無線設(shè)備的市場正在迅速增長，部分原因是對健康監(jiān)測系統(tǒng)和日常生活無線設(shè)備(如手機(jī)、筆記本電腦等)的可穿戴和植入式設(shè)備的需求。柔性天線是實(shí)現(xiàn)體內(nèi)生命體征監(jiān)測、器官功能調(diào)節(jié)、神經(jīng)接口、連續(xù)步態(tài)分析、顱內(nèi)傳感器、藥物輸送系統(tǒng)和其他功能的主要組成部分。為了將設(shè)備集成到以曲線表面和動態(tài)變化運(yùn)動為特征的人體上，設(shè)備必須具有共形特性和物理柔性，甚至可拉伸。由于表征其抗彎曲變形的薄膜結(jié)構(gòu)的彎曲剛度大致與其厚度的立方成正比，因此減小結(jié)構(gòu)的厚度是柔性/可彎曲天線的有效手段。
天線的選擇和設(shè)計取決于工作環(huán)境、傳輸功率和工作頻段。此外，天線的性能取決于所使用的材料、所采用的制造技術(shù)的類型和基板特性。在此背景下，本文綜述了柔性天線所使用的導(dǎo)電材料、介質(zhì)基板、柔性天線不同制造技術(shù)及其應(yīng)用的研究趨勢，指出了柔性天線研究面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向。
線主要由導(dǎo)電材料和介質(zhì)基板組成。介質(zhì)基板的選擇基于其介電常數(shù)、機(jī)械變形的耐受性、小型化特性和外部環(huán)境中的耐久性。而導(dǎo)電材料（導(dǎo)電率）決定了天線的輻射性能。
在柔性天線中，天線走線方式和具有優(yōu)異導(dǎo)電性能的材料是實(shí)現(xiàn)天線高增益、效率和帶寬的關(guān)鍵。納米顆粒油墨（銀和銅）因其高導(dǎo)電性，通常用于制造柔性天線。除了納米顆粒，除了納米粒子，電紡材料，如鍍鎳/鍍銀，F(xiàn)lectron(鍍銅尼龍織物)和非織造導(dǎo)電織物(NWCFs)一般用于柔性天線。
圖3顯示了用不同導(dǎo)電材料制作的天線。聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)和聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)等導(dǎo)電聚合物似乎是柔性和可穿戴天線的有前途的材料。通過添加碳納米管、石墨烯和碳納米顆粒，導(dǎo)電聚合物的低導(dǎo)電性得到了改善。石墨烯的柔性天線由于其良好的導(dǎo)電性和優(yōu)異的機(jī)械性能而前景廣闊。柔性天線的性能在很大程度上依賴于制造的導(dǎo)電走線，這些導(dǎo)電走線在保持導(dǎo)電性的同時具有抗變形能力。為了適應(yīng)機(jī)械應(yīng)變和變形而不降低天線的性能，不同的可拉伸導(dǎo)電材料利用摻雜來提高其導(dǎo)電性。下表列出了用于制造柔性天線的不同導(dǎo)電材料及其導(dǎo)電性值。
用于柔性天線的介質(zhì)基板需要擁有極小的介質(zhì)損耗、低介電常數(shù)、低熱膨脹系數(shù)和高導(dǎo)熱系數(shù)。低介電常數(shù)的考量是為了提高天線的輻射性能而犧牲了尺寸，若有小型化的需求，則介質(zhì)基板的介電常數(shù)需要增大。超薄柔性玻璃、金屬箔和聚合物材料經(jīng)常出現(xiàn)在柔性材料的介質(zhì)基板中。其中，薄玻璃雖然具有可彎曲性，但其固有的脆性限制了其應(yīng)用。金屬箔可以承受高溫，并提供無機(jī)材料沉積在其上，但材料的表面粗糙度和高成本限制了其應(yīng)用。聚合物材料是柔性天線應(yīng)用的最佳材料，其中包括:(1)熱塑性半結(jié)晶聚合物: 聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)；(2)熱塑性非晶體聚合物: 聚碳酸酯(PC)和聚醚砜(PES)；(3)高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）材料:聚酰亞胺(PI)。
用于可穿戴目的的柔性天線具有獨(dú)特特點(diǎn)，如放置位置不能明顯，不同環(huán)境下的天線性能穩(wěn)定性，機(jī)械穩(wěn)定性以經(jīng)受住洗滌和熨燙等嚴(yán)苛考驗(yàn)。同時，由于具有低成本和易于制造的特點(diǎn)，紙質(zhì)襯底已成為柔性天線的首選材料。表2顯示了用于柔性天線制造的常用基板及其介電常數(shù)、介電損耗和厚度值。圖4顯示了不同基板上的柔性天線原型。
圖4 天線模型：a）聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），（B）聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）[70]，（c）聚酰亞胺，（d）液晶聚合物（LCP），和（e）紙基底。
柔性材料需要仔細(xì)選擇，以承受物理變形條件，如彎曲，拉伸，甚至扭曲，同時保持其功能。柔性天線需要低損耗介電材料作為其基底，并需要高導(dǎo)電材料作為導(dǎo)體，以實(shí)現(xiàn)有效的EM輻射接收/傳輸。
噴墨打印技術(shù)（Inkjet printing）是一種非接觸式的微米級印刷過程，可通過直接噴射納米尺寸的溶液在柔性或硬質(zhì)基底上實(shí)現(xiàn)。在印刷方面，使用納米顆粒金屬油墨、石墨烯納米片油墨、金屬有機(jī)油墨。打印技術(shù)可分為兩種類型:按需滴墨(DoD)和連續(xù)噴墨。液滴按需打印頭使用壓電或熱元件對油墨施加加壓脈沖，在需要時從噴嘴中驅(qū)動液滴。印刷質(zhì)量由噴射波形、噴嘴的噴射電壓、噴射頻率、墨盒溫度、壓板溫度(基材放置的位置)和圖案分辨率控制。天線設(shè)計打印完成后，需要進(jìn)行燒結(jié)，去除溶劑和封蓋劑，獲得導(dǎo)電性。噴墨印刷柔性天線的打印分辨率取決于基板的表面粗糙度。對于光滑的基材，如聚酰亞胺，PET, PEN, LCP，相紙等，可以實(shí)現(xiàn)出色的圖案分辨率。對于可穿戴的柔性基材，如編織的電子紡織品，通常具有不均勻的表面，高分辨率實(shí)現(xiàn)仍然是一個挑戰(zhàn)。對于可穿戴/柔性天線的制造，主要采用拼接、刺繡和基片集成波導(dǎo)基(SIW)方法。絲網(wǎng)印刷是制造柔性電子產(chǎn)品的一種簡單、快速、經(jīng)濟(jì)、可行的方法，通過在PET、紙張和紡織基板等低成本、柔性基板上印刷導(dǎo)電油墨或漿料。編織篩網(wǎng)具有不同的厚度和線密度。刮板刀片向下驅(qū)動，迫使絲網(wǎng)與承印物接觸，從而產(chǎn)生印刷圖案。因此，通過在所貼承印物上的屏幕的暴露區(qū)域噴射油墨形成所需的圖案。與化學(xué)蝕刻的減法工藝相反，它也是一種像噴墨印刷一樣的加法工藝，這使得它更具成本效益和環(huán)境友好性。與其他柔性天線制造技術(shù)相比，絲網(wǎng)印刷具有成本效益。然而，該方法存在分辨率依賴于襯底表面質(zhì)量、層控制受限、導(dǎo)電層厚度控制不足等局限性。圖6顯示了使用絲網(wǎng)印刷工藝和樣品原型的柔性天線的制造。
圖5 絲網(wǎng)印刷天線的示意圖。
3D打印技術(shù)能快速制造各種材料的復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)，聚合物、金屬、陶瓷甚至生物組織等柔性材料都能用作3D打印。聚合物，如熱固性和熱塑性塑料，為最常見的3D打印材料。常見的聚合物打印技術(shù)有熔融沉積建模(FDM)、立體光刻(SLA)、光處理(DLP)和材料噴射(MJ)。最常見的3D打印技術(shù)是FDM。在FDM中，長絲被送入打印機(jī)的噴頭，加熱噴嘴的電機(jī)驅(qū)動長絲熔化它。然后，打印機(jī)將熔化的材料放置在一個精確的位置，在那里冷卻并固化。天線的輻射體用可拉伸的銀導(dǎo)電膏刷涂(圖6b)。該天線在平面和彎曲條件下的無線性能令人滿意。特定比吸收率(SAR)模擬驗(yàn)證了其在可穿戴應(yīng)用中的應(yīng)用。該天線阻抗帶寬為990 MHz (1.94-2.93 GHz)， 2.45 GHz時峰值增益為−7.2 dBi。
圖6 3D打印天線的例子。(a)基于NinjaFlex基板的方形貼片天線， (B)基于3d打印基板的刷涂式可穿戴天線，(c)3d射頻識別(RFID)標(biāo)簽天線，(d) 3d打印柔性倒f天線(IFA)。
化學(xué)蝕刻，通常伴隨著光刻，出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，作為印刷電路板(PCB)工業(yè)的一個分支，是使用光刻膠和蝕刻劑制造金屬圖案的過程，以磨出選定的腐蝕性區(qū)域。對于復(fù)雜的高分辨率設(shè)計的精確制造，它是所有其他制造技術(shù)中的最佳選擇。利用光刻技術(shù)可以制造復(fù)雜和精細(xì)的天線。然制造工藝涉及危險化學(xué)品，高端昂貴的潔凈室設(shè)備，光罩和優(yōu)秀化學(xué)人才，限制了其在制造柔性天線中的應(yīng)用。用于制造柔性天線的特殊制造技術(shù)可以分為以下幾類：（1）基于SIW的技術(shù)，如圖7所示;（2）刺繡，如圖8所示;（3）使用導(dǎo)電紡織紗線在非導(dǎo)電紡織基底上刺繡天線的導(dǎo)電圖案;（4）在非導(dǎo)電紡織材料上的噴墨和絲網(wǎng)印刷。
圖8 基于刺繡和拼接的柔性天線。(a)新型混合繡編紡織集成波導(dǎo)(TIW)天線，(b)繡紋刺繡布局和刺繡天線的刺繡超材料天線制造工[129]，(c)基于縫紉機(jī)和銅帶制作的開槽貼片天線的自制電子紡織品。
對于低于12 GHz的柔性天線應(yīng)用，RFID標(biāo)簽或智能卡系統(tǒng)通常使用超高頻(UHF)頻段的柔性天線進(jìn)行設(shè)計。柔性天線的超寬帶應(yīng)用包括WiMAX、WiFi、5G低頻和ISM無線電頻段之一。在UHF頻譜中，智能卡和RFID標(biāo)簽的天線占主導(dǎo)地位。柔性RFID標(biāo)簽用于非侵入式傳感器應(yīng)用，如醫(yī)療系統(tǒng)中的患者跟蹤，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備，托兒中心，濕度和溫度傳感已經(jīng)被大量報道。另一種常用的天線類型是超寬帶(UWB)天線。2002年，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)定義了3.1至10.6 GHz的超寬帶頻譜，以滿足更高數(shù)據(jù)速率的需求。作為無線體域網(wǎng)絡(luò)(WBAN)的一個分支，體中心通信的發(fā)展促使研究人員將重點(diǎn)放在柔性寬帶和超寬帶天線上。超寬帶天線具有電氣尺寸小、成本低、功率譜密度低、數(shù)據(jù)速率高等優(yōu)勢。由于較低的頻譜密度，天線不容易受到其他信號的干擾。用紡織基板制成的超寬帶天線可以用于人體應(yīng)用，因?yàn)樗鼘θ梭w的影響最小。根據(jù)英國無線電協(xié)會（RSGB）規(guī)定，12 GHz以上是Ku波段，這些高頻波段主要用于雷達(dá)，衛(wèi)星通信，天文觀測，射電天文學(xué)和微波遙感。圖8所示是適用于12GHz以上應(yīng)用的柔性天線。
天線的小型化極致追求就是在不以天線性能為代價而實(shí)現(xiàn)小型化，但真正實(shí)現(xiàn)卻非常困難。在柔性天線領(lǐng)域，應(yīng)用的方法主要分為三大類。
1、基于材料的小型化。最常見的就是利用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板，但此方法通常會以犧牲天線輻射性能為代價。
2、基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的小型化。彎曲、分形技術(shù)也經(jīng)常被應(yīng)用于柔性天線的小型化中。
3、電磁帶隙（EBG）技術(shù)等超表面技術(shù)。新開發(fā)的電磁帶隙（EBG）結(jié)構(gòu)由于其能夠在不損害輻射效率的情況下減小天線的物理結(jié)構(gòu)而受到關(guān)注，如圖9所示。人工磁導(dǎo)體（AMC）和高阻抗表面（HIS）被用于設(shè)計低剖面天線。
隨著醫(yī)療技術(shù)不斷發(fā)展，旨在提高人們生活質(zhì)量，并在醫(yī)療領(lǐng)域?qū)嵤┪磥淼奈锫?lián)網(wǎng)技術(shù)。植入式天線系統(tǒng)傳輸和存儲記錄的生理參數(shù)，進(jìn)行實(shí)時通信。因此，柔性天線在植入式天線應(yīng)用中發(fā)揮著巨大的作用，受到研究人員的極大關(guān)注，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。對于植入式天線的設(shè)計，其基本要求是體積小、適合人體放置、帶寬大、高柔性、比吸收率低（SAR）。由于人體各種組織和器官的介電常數(shù)不同，天線設(shè)計具有挑戰(zhàn)性。先前有研究將柔性折疊槽偶極子天線嵌入PDMS中植入人體，如圖10b所示。
可攝入醫(yī)療設(shè)備(imd)是醫(yī)療領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要組成部分。因此，對于監(jiān)測設(shè)備和給藥系統(tǒng)以及監(jiān)測患者的內(nèi)部情況，需要特殊類型的柔性天線。
無線imd已廣泛用于診斷目的，特別是胃腸道(GI)的可視化。由于胃腸道中的消化器官具有不同的電學(xué)特性，因此用于這些應(yīng)用的天線需要具有寬帶特性。近年來，無線系統(tǒng)中出現(xiàn)了各種各樣的天線。然而，重金屬主要用于制造這些天線，當(dāng)膠囊破裂時，它們對人類的健康有潛在的危害。因此，水天線在診斷和治療中顯得更安全。無線膠囊內(nèi)窺鏡(Wireless capsule endoscopy, WCE)是一種記錄消化道圖像的醫(yī)學(xué)應(yīng)用技術(shù)（圖11）。與傳統(tǒng)方法如食管胃十二指腸鏡或結(jié)腸鏡檢查相比，該方法具有多種優(yōu)點(diǎn)。
對于柔性天線來說，同時考慮厚度、性能和柔性，選擇合適的基板總是一個權(quán)衡。除上述因素外，天線貼片設(shè)計、陣列配置、功分傳輸線對天線性能也有很大影響。為了驗(yàn)證任何柔性天線在實(shí)際情況下的性能，需要評估測量中機(jī)械應(yīng)力引起的柔性和彎曲性。柔性天線必須經(jīng)歷機(jī)械變形，如彎曲或拉伸。它降低了天線的性能，如頻移、改變增益和輻射方向圖、極化。為了有效地實(shí)現(xiàn)可靠物聯(lián)網(wǎng)連接，需要柔性天線具有可接受的性能。表3顯示了過去3年（2018-2020年）不同柔性天線的性能比較。
設(shè)計柔性天線的第一個挑戰(zhàn)是找到合適的基板。與傳統(tǒng)的基片(如FR4或Rogers)相比，其介電常數(shù)約為3-10，損耗正切為0.001-0.02，典型的柔性基片具有低介電常數(shù)，盡管這種低介電常數(shù)值有助于實(shí)現(xiàn)更大的帶寬和輻射效率，但當(dāng)需要小型化時，它又是個問題。對于柔性紡織天線，厚度不均勻是另一個需要解決的問題。電紡基材易碎，易受流體吸收。紙質(zhì)柔性天線面臨的問題是損耗系數(shù)較高，導(dǎo)致天線效率低，阻抗失配。雖然它是一種低剖面天線，但由于不連續(xù)性和缺乏魯棒性，所以很難應(yīng)用到高彎曲率的場景中。聚合物基襯底是解決這些問題的好選擇，但聚合物基天線可能出現(xiàn)的一個問題是因過度彎曲或扭曲，會導(dǎo)致基板上出現(xiàn)裂紋。這將影響天線的導(dǎo)電性，并增加擊穿的風(fēng)險。此外，聚合物的低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度使它們無法在高溫應(yīng)用中使用。不過，陶瓷基板可以是一種可承受高溫并可用于靈活應(yīng)用的替代品。
這種限制可以通過在彈性體(如PDMS)表面嵌入非常薄的金屬納米線來克服，使其具有高導(dǎo)電性和可拉伸性。由于制造和設(shè)計的復(fù)雜性，它不太適合低成本、高柔性的應(yīng)用。如果在彈性體制造的微流體通道中使用液態(tài)金屬(LM)代替固體金屬絲，它將使天線具有可重構(gòu)性。
設(shè)計柔性天線的另一個挑戰(zhàn)是確定合適的導(dǎo)電材料，使其能夠承受不同的彎曲和扭轉(zhuǎn)條件，并具有合理的電阻值，而不影響天線的輻射效率。
未來的柔性天線應(yīng)該具有低輪廓、低損耗、易于與射頻前端系統(tǒng)集成、能夠控操縱輻射方向圖，甚至實(shí)現(xiàn)更寬帶寬的圓極化�；诔牧系娜嵝蕴炀�是一項(xiàng)相對較新的發(fā)展，由于其輕量化、高魯棒性和可重構(gòu)性等特點(diǎn)，已經(jīng)在商業(yè)市場上得到了應(yīng)用。
由于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、體域網(wǎng)絡(luò)(BAN)和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等無線應(yīng)用的需求增加，未來無線解決方案的柔性天線預(yù)計將在寬頻率范圍內(nèi)工作。有不同的天線設(shè)計方法，多頻段設(shè)計往往是必要的，此外，設(shè)計應(yīng)確保天線的特性在彎曲條件下保持一致。可重構(gòu)天線有不同類型，包括極化可重構(gòu)天線、頻率可重構(gòu)天線和方向圖可重構(gòu)�？芍貥�(gòu)天線的顯著優(yōu)點(diǎn)是它能夠根據(jù)最終用戶的應(yīng)用需求切換頻段。超寬帶（UWB）技術(shù)允許使用具有傳輸功率控制的頻譜覆蓋來實(shí)現(xiàn)高效的帶寬利用。通過限制發(fā)射功率，使設(shè)備工作在3.1-10.6 GHz范圍內(nèi)，不產(chǎn)生干擾。因此，超寬帶技術(shù)對無線室內(nèi)和可穿戴應(yīng)用具有吸引力。除了天線體積小、靈活、能夠在各種無線標(biāo)準(zhǔn)下工作之外，一些應(yīng)用還要求設(shè)備無需電池和電線。使用整流天線可以用來開發(fā)自主設(shè)備，整流天線的工作原理是收集無線電發(fā)射機(jī)發(fā)射的射頻能量。毫米波通信系統(tǒng)有望解決當(dāng)前無線系統(tǒng)中的阻塞、低帶寬和高延遲問題。5G技術(shù)有望解決這些問題，并提供更高的信道容量和更寬的帶寬，以確保更高的數(shù)據(jù)速率。許多智能設(shè)備預(yù)計將具有高速不間斷的互聯(lián)網(wǎng)連接，這些設(shè)備可能具有不規(guī)則的形狀。對于這種類型的應(yīng)用，需要可以安裝在共形結(jié)構(gòu)上的柔性和可伸展的天線。許多新穎和未來的解決方案，如集成可穿戴設(shè)備，家用電器，行業(yè)解決方案，機(jī)器人，自動駕駛汽車和其他解決方案，預(yù)計將受益于5G網(wǎng)絡(luò)，柔性天線是實(shí)現(xiàn)利用5G技術(shù)的未來無線解決方案的關(guān)鍵組件。
柔性天線是一個非常吸引人的領(lǐng)域，并且涉及電氣工程、材料科學(xué)和機(jī)械工程等多個學(xué)科。柔性天線是實(shí)現(xiàn)柔性電子設(shè)備的關(guān)鍵部件之一，是當(dāng)前和未來無線通信和傳感應(yīng)用的理想選擇，主要是由于其重量輕，外形尺寸小，制造成本低，并且能夠適應(yīng)非平面表面。天線制造材料的選擇基于應(yīng)用偏好，例如環(huán)境。高導(dǎo)電性材料，如銀納米顆粒油墨、銅帶或包層、導(dǎo)電聚合物、PDMS嵌入導(dǎo)電纖維和石墨烯基材料，通常用于實(shí)現(xiàn)天線走線。Kapton聚酰亞胺、PET、PEN、PANI、液晶聚合物、電紡織品和紙已優(yōu)選作為柔性基底。柔性天線在12 GHz以下和12 GHz以上不同頻段的應(yīng)用表明了柔性天線的多功能性。已經(jīng)討論了不同的小型化技術(shù)，并存在挑戰(zhàn)和限制。具有可植入和可攝取功能的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的柔性天線顯示了其在醫(yī)療保健設(shè)備的前景。彎曲、拉伸和接近人體對柔性天線性能的影響已被討論。最后，考慮到基板和導(dǎo)電材料的材料挑戰(zhàn)，討論了設(shè)計和實(shí)現(xiàn)柔性天線的挑戰(zhàn)。作為物聯(lián)網(wǎng)，BAN和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的一部分，用于未來無線系統(tǒng)的柔性天線已經(jīng)進(jìn)行了綜述。討論了柔性天線的最新研究，重點(diǎn)是通過能量收集實(shí)現(xiàn)功率可持續(xù)性。盡管柔性天線存在局限性，但這些非剛性設(shè)備可以設(shè)計成滿足未來對緊湊型無線解決方案的需求，以適應(yīng)任何曲率的表面。
掃一掃關(guān)注我們 
