許多天線在機(jī)械上既簡單又復(fù)雜。機(jī)械天線通常只有一個或兩個組件,一個介質(zhì)層(可以是整個天線)和一個導(dǎo)電層。本常見問題集首先簡要回顧了介電材料及其對天線性能的重要性。然后,本文探討了與5G手機(jī)的先進(jìn)天線、靈活電子設(shè)備的天線有關(guān)的發(fā)展,以及在可穿戴天線中使用碳納米天線的可能性。

介電材料的選擇會影響天線的力學(xué)性能和熱性能。選擇的范圍很廣:聚苯乙烯泡沫或蜂窩結(jié)構(gòu)具有較低的介電常數(shù)(1至2之間),玻璃纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯(聚四氟乙烯)具有相對的介電常數(shù)(2至4之間),陶瓷、石英和氧化鋁的值甚至更高。具有高介電常數(shù)和低介電損耗的材料可以自己用來制造天線。

在設(shè)計微型天線時,使用具有高介電常數(shù)的材料是很重要的,因?yàn)闀a(chǎn)生頻率縮短效應(yīng)。陶瓷因其介電損耗低、介電常數(shù)高而具有吸引力。但它們很脆,很難使用。在天線的設(shè)計中,陶瓷代替純陶瓷被用于聚合矩陣和復(fù)合材料。使用陶瓷時的另一個挑戰(zhàn)是介電常數(shù)不可能很容易(如果有的話)適應(yīng)具體的應(yīng)用需要。當(dāng)用于基質(zhì)或復(fù)合材料時,陶瓷的用量可以調(diào)整,從而使材料的介電常數(shù)得到優(yōu)化。在這些電介質(zhì)中使用了廣泛的陶瓷濃度和粒徑,顆粒范圍從0到0不等。混合物中的陶瓷含量在10%到70%之間.近年來,陽極氧化氧化鋁被開發(fā)用于5G型手機(jī)的微型天線。

AAO和5G

5g手機(jī)的設(shè)計者總是面臨尋找更有空間效率的天線的挑戰(zhàn)。5G手機(jī)是高密度的組件,限制了天線可用空間和位置的自由度。使天線小型化特別重要。

最近一個針對5G手機(jī)的設(shè)計將一個介質(zhì)層放置在一個鋁表面上使用AOO。然后將天線置于介質(zhì)上。所設(shè)想的基于aaa的結(jié)構(gòu)減小了天線的尺寸(1.87毫米(0.18毫米) 0 ) × 2.34 mm (0.22 λ 0 )。與目前用于制造天線的聚碳酸酯(CER=3.5)或F4襯底(CER=4.4)等其他介電材料相比,美國航空公司的介電常數(shù)(CER)更高,為6.7。這種方法增加了設(shè)計自由度,因?yàn)樗軌蚓_控制介電層的尺寸,并在金屬襯底上產(chǎn)生介電層。該AOO天線的增益為5.02DBI,共振為29千兆赫。

高介電常數(shù)是這個天線的小尺寸和良好性能的必要條件。在目前手機(jī)設(shè)計中使用的鋁金屬框架中,可以將該介電層和接地層作為一個單元進(jìn)行制造,從而進(jìn)一步提高了天線的設(shè)計自由度。基于aaa的天線可集成到移動電話的金屬中間框架中,便于在有限的空間內(nèi)建造大規(guī)模天線陣列 (Figure 1) .

圖1基于aaa的5g天線集成到移動電話中。

除了手機(jī)手機(jī),5G還被用于許多可穿戴的設(shè)備,如物聯(lián)網(wǎng)、個性化醫(yī)療平臺、健身監(jiān)視器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、游戲和各種通信設(shè)備。這些可穿戴的需要非剛性,靈活的天線。這些天線材料的選擇是復(fù)雜的。

靈活電子產(chǎn)品的靈活天線

影響靈活天線材料選擇的因素包括:設(shè)備將使用的環(huán)境、與剛性和/或非剛性天線無縫集成的必要性、大規(guī)模生產(chǎn)的適宜性、成本等。為了確保在增益、效率和帶寬方面的適當(dāng)性能,必須要有高電導(dǎo)率,并使用銀或銅納米顆粒墨水、銅帶、導(dǎo)電聚合物、聚二甲基硅氧烷嵌入導(dǎo)電織物和石墨基材料等材料。

可用于生產(chǎn)靈活的天線。銅和銀NP油墨都有足夠的電導(dǎo)率來制造天線,銀較少腐蝕,在許多應(yīng)用中是首選的。除了NP油墨外,非織造導(dǎo)電織物和電子紡織材料,如鎳/銀鍍銀閃散器(銅涂層尼龍織物)也被用于彈性天線。銅帶、銅包覆物和黏性銅已經(jīng)使用,但由于缺乏環(huán)境堅固性和易腐蝕性,不受青睞。電介質(zhì)和基板是材料發(fā)展的其他重要領(lǐng)域。有許多底物選擇,包括卡普頓聚酰亞胺、聚苯胺、PIN、PET、液晶聚合物、紡織品和電子紙 (Figure 2) .

圖2:制作的天線原型:(a)聚對苯二甲酸乙酯(PET),(b)聚對苯二甲酸乙酯(PEN),(c)聚酰亞胺,(d)液晶聚合物(LCP)和(e)紙張襯底。

為低頻率應(yīng)用和12千兆赫以上的使用開發(fā)了靈活天線。彎曲、拉伸和接近人體可以顯著影響彈性天線的性能。設(shè)計具有較高帶寬或改進(jìn)對稱性的天線有助于確保在各種挑戰(zhàn)條件下的性能 .

可穿戴的cnt天線

利用金屬導(dǎo)電油墨制造可穿戴天線的效用有限。這些墨水會隨著時間的推移而氧化并失去性能。此外,它們可能是沉重的和相對靈活的。開發(fā)靈活天線的一個途徑是利用石墨烯和碳納米管等混合碳結(jié)構(gòu)。這些材料結(jié)合了強(qiáng)機(jī)械性能,高耐腐蝕性,低密度,高電導(dǎo)率,高熱穩(wěn)定性。CNT由于具有高流動性和低生產(chǎn)成本,因此特別具有吸引力。導(dǎo)電的CNT可懸浮在纖維素納米晶墨水中,并以逐層印刷在織物上,直至形成多層 (Figure 3).

圖3:已經(jīng)開發(fā)了一個屏幕打印程序,以建立基于CNT的天線的多層。

采用多壁碳納米管的聚氨酯復(fù)合材料,進(jìn)行了單獨(dú)的研制。與上面描述的基于CNT的天線一樣,這些天線是通過建立一系列的層來制造的。設(shè)計了一個雙頻帶單極和一個雙頻帶F-天線,以便在2.45和5.18千兆赫的頻帶中運(yùn)行。天線的載體襯底為2毫米厚聚丙烯(PP),作為提高天線性能的地面平面。

天線進(jìn)給是PP襯底上短50分段和FR4襯底上長18毫米50分段的組合。 (Figure 4) .PP的地面層和微帶線由35英寸厚的自粘銅箔組成。采用導(dǎo)電銀化合物,在PP襯底上的微帶線與FR4之間,以及聚氨酯/MTCNT復(fù)合材料與微帶之間建立了電氣連接。單極天線包括一個簡單的LC匹配電路,以改進(jìn)S。 11 .F-天線不使用匹配,因?yàn)榭梢酝ㄟ^優(yōu)化L,L來實(shí)現(xiàn)50電子阻抗。 1, 我和我 2 尺寸。

圖4:這些基于CNN的天線的天線傳輸連接PP和FR4基板。

單極天線的增益分別為-10.0和5.5的DBI,分別為2.45千兆赫頻帶和5.18千兆赫頻帶。與單極復(fù)合材料的厚度相比,F-天線的增益更小,因?yàn)樗褂昧溯^薄的聚氨酯/McNWT復(fù)合材料層。

概括的

天線小型化是一個活躍的發(fā)展領(lǐng)域。許多工作的重點(diǎn)是提高介電材料的性能,例如用于5G手機(jī)天線矩陣的ao。各種基材(電介質(zhì))和導(dǎo)體組合已被開發(fā)用于靈活電子學(xué)所需的柔性天線。最近的工作重點(diǎn)是在可穿戴材料中使用基于CNT的天線。天線小型化的發(fā)展有賴于材料科學(xué)和電子學(xué)的發(fā)展。