具有纳米级嵌套褶皱结构的柔性天线研究

摘要

随着微电子技术的发展，以柔性材料代替硬质材料作为介质基底的柔性共形天线成为新兴的热门研究方向。柔性天线不仅能与载体很好的共形，而且可以卷曲与展开以节省存放空间，同时可以保持天线性能稳定，为人们的生活提供了便捷。柔性天线易于与曲面共形的特点，在生物医学、智能穿戴、航空航天、军事等领域中涉及小型化电子设备的地方有着广泛的应用前景。本文设计了一款共面波导馈电的柔性天线，并对其进行MEMS工艺制备和测试，主要的研究内容可概括为： (1)基于共面波导馈电天线的基本理论，在Ansys HFSS中仿真设计了天线的结构，并对重要参数进行仿真优化，分析了结构变形及应力/应变对天线频率特性和辐射特性的影响。该柔性天线中心频率为7.5GHz，通过对其形变的仿真可以得出，天线在实现弯曲共形及拉伸变形的过程中，中心频率在7.5GHz处保持不变，辐射效果保持不变。 (2)研究了柔性天线的制备方法及工艺流程，讨论不同介质基底的特征，基于MEMS微机械工艺对该柔性天线进行加工。通过在聚二甲基硅氧烷PDMS上物理沉积一层刚性铜膜的方法，首先PDMS经过预拉伸处理和表面改性处理可使其表面形成褶皱，然后沉积铜膜时的热处理造成PDMS表面二次褶皱，研制出了一款PDMS表面褶皱化的柔性天线。PDMS表面褶皱化的目的是当天线形变后表面的刚性铜膜不会张裂。 (3)测试了天线在弯曲/拉伸时的性能。测试结果发现，当天线无论在弯曲过程还是拉伸过程，测试结果均与仿真相同，回波损耗曲线没有变化，中心频率稳定在7.5GHz附近，辐射方向也没有受到影响。经过柔性度的测试，说明该柔性天线保持了稳定的性能且可恢复，弯曲度可达360°，拉伸度可达40%。 本文针对柔性天线的发展需求，探索柔性天线的设计与实现方法，为柔性天线的共形设计提供了相应的解决方案，为天线与电子设备的集成化提供了参考。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 柔性天线的研究现状

1.2.2 褶皱表面制作工艺的研究现状

1.3 本文研究内容及方法

1.4 论文章节安排

2 共面波导馈电的天线理论

2.1 共面波导天线的原理

2.1.1共面波导天线的阻抗特性

2.1.2 共面波导天线的传输特性

2.2 共面波导天线的主要性能指标

2.2.1 方向性函数及方向图

2.2.2 回波损耗

2.2.3 辐射效率

2.2.4 增益系数

2.3 共面波导馈电的优缺点

2.4 本章小结

3 共面波导馈电天线的仿真分析

3.1 共面波导馈电天线的设计与仿真

3.1.1共面波导馈电天线的结构设计

3.1.2 共面波导馈电天线的仿真优化结果

3.1.3 参数变化对仿真结果的影响

3.2 结构变形对天线的影响分析

3.2.1天线结构的参数化建模

3.2.2 弯曲对天线中心频率的影响

3.2.3 弯曲对天线辐射性能的影响

3.3 拉伸对天线的影响分析

3.3.1拉伸对天线电性能的影响

3.3.2 应力/应变对天线辐射性能的影响

3.4 本章小结

4 柔性天线褶皱表面的制备工艺

4.1 柔性介质基底及其特性研究

4.2 薄膜褶皱生成机理

4.2.1 褶皱结构的生成原理

4.2.2 单层褶皱结构的生成

4.2.3 分层嵌套褶皱结构的生成

4.3 嵌套褶皱形貌工艺的实现

4.3.1工艺方法

4.3.2 工艺参数分析

4.4 本章小结

5 柔性天线的弯曲/拉伸性能测试及结果分析

5.1 柔性天线的频率测试

5.1.1 无形变状态下的频率测试

5.1.2 弯曲状态下的频率测试

5.1.3 拉伸状态下的频率测试

5.2 柔性天线的辐射性能测试

5.2.1 无形变状态下的辐射性能测试

5.2.2 弯曲状态下的辐射性能测试

5.2.3 拉伸状态下的辐射性能测试

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢