基于喷墨打印的柔性贴片天线设计应用*

王龙飞 ，郭铜民，Baljit Singh

(1.陕西国防工业职业技术学院 机械工程学院, 陕西 西安 710300; 2.马来西亚玛拉工艺大学 机械工程学院, 马来西亚 莎阿南 40170; 3.陕西工商职业学院 中德机电工程学院，陕西 西安 710061)

0 引 言

柔性电子技术具有广阔的应用前景，包括医疗设备、可穿戴电子设备、通信设备、汽车和航空航天传感器等。目前柔性电子关键的制备技术包括：光刻技术、软刻蚀技术、喷墨打印技术和卷对卷印刷技术等，柔性电子关键制备技术在成本效率、快速成型和定制方面具有天然优势。其中的喷墨打印技术是一种无掩模、节省材料和完全添加的技术，它允许多种导电油墨沉积在广泛的柔性基材上。

基于喷墨打印的贴片天线可折叠、可弯曲、能适应多种复杂工作表面。科研人员设计出了一种X波段宽带高效堆叠微带贴片天线[1]，可应用于合成孔径雷达中，通过降低天线的介质损耗和有效介电常数,提升天线的带宽和效率。杨慧春等[2]在FR4介质基板上设计了微型贴片天线，添加加载单元，设计U形辐射结构，有效提升贴片天线的辐射特性。

柔性电子器件/组件在使用过程中，为符合底层结构，其经常被拉伸、弯曲、折叠或扭曲。在这种变形的情况下, 笔者重点对喷墨打印的柔性贴片天线[3]的机电特性进行研究，基于ABAQUS有限元分析软件，通过分析其在外部载荷条件下的工作稳定性，设计和制造出符合生产及使用要求的高性能柔性电子元件，对柔性贴片天线的实际应用具有非常重要的指导意义。

1 贴片天线试样设计与制造

柔性贴片天线模型结构设计如图1所示，最下面为铜层，模拟工作载体。在铜层上面使用PVAL(No.7302)液体胶水粘接聚氯乙烯(PVC)基板层，起到应变隔绝的作用。在PVC基板层上面粘接硅胶层，建立有源器件银层的可拉伸基础，防止银层开裂，影响系统稳定性。使用PCB3310银浆，喷墨打印过程沿着垂直方向和水平方向交替进行，以保证银浆打印的均匀性，每道工序完成之后，均在加热台上加热烘干30 min，完成贴片天线和馈线的喷墨打印全过程。

图1 贴片天线结构设计图 图2 贴片天线样品及几何尺寸

贴片天线设计尺寸为50×60 mm，馈线的长度为10 mm，天线样品与几何尺寸参数如图2所示。底部铜层厚度为0.1 mm，粘有硅胶层的PVC层厚度为0.3 mm，硅胶层的厚度为0.1 mm，最上部的银墨层厚度为1 mm。测量贴片天线在不同弯曲曲率下的电阻，如图3所示，电阻数值测量值如表1所列，从表1得知电阻变化较小，满足并实现了柔性喷墨打印的可弯曲性与良好的延展性。

图3 贴片天线不同曲率下电阻测量图

表1 不同曲率条件下贴片电线电阻测量值

2 贴片天线机械特性分析

2.1 PVC层厚度对固有频率和振型的影响

在ABAQUS有限元分析软件中，建立贴片天线模型，模型各层参数如表2所列[3]。对模型施加一边固定，一边自由振动的边界条件，观察试件中间层PVC板厚度对整个结构频率和振型的影响。为了保证模型数据的准确性，银层及其他层的网格大小均为0.3 mm。

表2 贴片天线各层材料参数

PVC层厚度对于模型结构固有频率[4-5]的影响，如图4所示。PVC层取不同的厚度，包括：0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8和2.1七个厚度，从图4观察得知，贴片天线的各阶固有频率的大小随着PVC层厚度的增加而增大，模态越小，固有频率越接近，随着模态的增加，固有频率呈现线性增加趋势。同一模态下，随着中间PVC层厚度的增加，结构的固有频率也会增加，如表3所列。

图4 贴片天线不同PVC层厚度下前5阶模态频率

表3 不同PVC层厚度下格模态对应固有频率

通过仿真实验，发现随着PVC层厚度的增加，1～5阶振型图无变化，但位移U大小有变化，现分析结构前5阶模态的振型图变化情况，取0.3 mm 模型进行分析。如图5所示。观察图5得知：1阶模态图变形较小，模型结构无明显变化；2阶模态结构上方有弯曲，下方变化较小；3阶模态结构下方有弯曲，上方变化较小；4阶模态结构上下均有外凸弯曲；5阶模态成S型弯曲且最下方成水平弯曲。

图5 0.3 μm PVC厚度模型前5阶振型

2.2 贴片天线谐响应分析

PVC层最开始的设计厚度为0.3 mm，故选择表3第一行数据进行结构谐响应[6-7]分析，输入开始频率0，终点频率124 153，模型上端固定，下端中间位置施加1 000 N的集中力，得到结构的最终谐响应分析结果，如图6所示。从图6观察可知，馈线与银层接触处位移变化较大，故选择第一个观察点a，再选择接近中心区域的第二个观察点b，以及位于a、b直线上的第三个观察点c。

图6 贴片天线谐响应分析图 图7 贴片天线位移响应幅频曲线

分析频率与位移XYdata数据发现，位于0～124 153 Hz范围内的283个观测点中，前130观测点数据变化较为明显，后153个观测点频率位移响应较小，模型结构在前130观测点范围内，有位移响应最大值。提取前a、b、c三点前130个观测点对应位移数值，频率0～1 200 Hz，得到a、b、c三点在不同频率下的位移响应，如图7所示。

分析a、b、c三点频率位移曲线图，观察得知，模型结构在480 Hz频率位置处有位移最大值，a点位移值约为4.3 mm，b、c两点位移变化较为接近，约为3 mm，因此贴片天线在使用过程中，应避免此频率区间。

3 结 语

文中以喷墨打印的柔性贴片天线为研究对象，测量其在不同弯曲曲率条件下的电阻，分析PVC厚度对结构固有频率和振型的影响，研究结构在1 000 N集中力作用下的谐响应。结果表明该结构具有良好的可弯曲性；随着中间层厚度的增加，结构的固有频率增加而模态形状不变；在1 000 N外力作用下，480 Hz频率处有最大位移变化量。该研究可为贴片天线的实际应用提供一定的指导作用，随着柔性电子生产技术的提高，贴片天线将有着更加广阔的应用前景。