什么材料可以用来制造微型天线

许多天线在机械上既简单又复杂。机械天线通常只有一个或两个组件,一个介质层(可以是整个天线)和一个导电层。本常见问题集首先简要回顾了介电材料及其对天线性能的重要性。然后,本文探讨了与5G手机的先进天线、灵活电子设备的天线有关的发展,以及在可穿戴天线中使用碳纳米天线的可能性。

介电材料的选择会影响天线的力学性能和热性能。选择的范围很广:聚苯乙烯泡沫或蜂窝结构具有较低的介电常数(1至2之间),玻璃纤维增强聚四氟乙烯(聚四氟乙烯)具有相对的介电常数(2至4之间),陶瓷、石英和氧化铝的值甚至更高。具有高介电常数和低介电损耗的材料可以自己用来制造天线。

在设计微型天线时,使用具有高介电常数的材料是很重要的,因为会产生频率缩短效应。陶瓷因其介电损耗低、介电常数高而具有吸引力。但它们很脆,很难使用。在天线的设计中,陶瓷代替纯陶瓷被用于聚合矩阵和复合材料。使用陶瓷时的另一个挑战是介电常数不可能很容易(如果有的话)适应具体的应用需要。当用于基质或复合材料时,陶瓷的用量可以调整,从而使材料的介电常数得到优化。在这些电介质中使用了广泛的陶瓷浓度和粒径,颗粒范围从0到0不等。混合物中的陶瓷含量在10%到70%之间.近年来,阳极氧化氧化铝被开发用于5G型手机的微型天线。

AAO和5G

5g手机的设计者总是面临寻找更有空间效率的天线的挑战。5G手机是高密度的组件,限制了天线可用空间和位置的自由度。使天线小型化特别重要。

最近一个针对5G手机的设计将一个介质层放置在一个铝表面上使用AOO。然后将天线置于介质上。所设想的基于aaa的结构减小了天线的尺寸(1.87毫米(0.18毫米) 0 ) × 2.34 mm (0.22 λ 0 )。与目前用于制造天线的聚碳酸酯(CER=3.5)或F4衬底(CER=4.4)等其他介电材料相比,美国航空公司的介电常数(CER)更高,为6.7。这种方法增加了设计自由度,因为它能够精确控制介电层的尺寸,并在金属衬底上产生介电层。该AOO天线的增益为5.02DBI,共振为29千兆赫。

高介电常数是这个天线的小尺寸和良好性能的必要条件。在目前手机设计中使用的铝金属框架中,可以将该介电层和接地层作为一个单元进行制造,从而进一步提高了天线的设计自由度。基于aaa的天线可集成到移动电话的金属中间框架中,便于在有限的空间内建造大规模天线阵列 (Figure 1) .

 

图1基于aaa的5g天线集成到移动电话中。

除了手机手机,5G还被用于许多可穿戴的设备,如物联网、个性化医疗平台、健身监视器、无线传感器网络、游戏和各种通信设备。这些可穿戴的需要非刚性,灵活的天线。这些天线材料的选择是复杂的。

灵活电子产品的灵活天线

影响灵活天线材料选择的因素包括:设备将使用的环境、与刚性和/或非刚性天线无缝集成的必要性、大规模生产的适宜性、成本等。为了确保在增益、效率和带宽方面的适当性能,必须要有高电导率,并使用银或铜纳米颗粒墨水、铜带、导电聚合物、聚二甲基硅氧烷嵌入导电织物和石墨基材料等材料。

可用于生产灵活的天线。铜和银NP油墨都有足够的电导率来制造天线,银较少腐蚀,在许多应用中是首选的。除了NP油墨外,非织造导电织物和电子纺织材料,如镍/银镀银闪散器(铜涂层尼龙织物)也被用于弹性天线。铜带、铜包覆物和黏性铜已经使用,但由于缺乏环境坚固性和易腐蚀性,不受青睐。电介质和基板是材料发展的其他重要领域。有许多底物选择,包括卡普顿聚酰亚胺、聚苯胺、PIN、PET、液晶聚合物、纺织品和电子纸 (Figure 2) .

 

图2:制作的天线原型:(a)聚对苯二甲酸乙酯(PET),(b)聚对苯二甲酸乙酯(PEN),(c)聚酰亚胺,(d)液晶聚合物(LCP)和(e)纸张衬底。

为低频率应用和12千兆赫以上的使用开发了灵活天线。弯曲、拉伸和接近人体可以显著影响弹性天线的性能。设计具有较高带宽或改进对称性的天线有助于确保在各种挑战条件下的性能 .

可穿戴的cnt天线

利用金属导电油墨制造可穿戴天线的效用有限。这些墨水会随着时间的推移而氧化并失去性能。此外,它们可能是沉重的和相对灵活的。开发灵活天线的一个途径是利用石墨烯和碳纳米管等混合碳结构。这些材料结合了强机械性能,高耐腐蚀性,低密度,高电导率,高热稳定性。CNT由于具有高流动性和低生产成本,因此特别具有吸引力。导电的CNT可悬浮在纤维素纳米晶墨水中,并以逐层印刷在织物上,直至形成多层 (Figure 3).

图3:已经开发了一个屏幕打印程序,以建立基于CNT的天线的多层。

采用多壁碳纳米管的聚氨酯复合材料,进行了单独的研制。与上面描述的基于CNT的天线一样,这些天线是通过建立一系列的层来制造的。设计了一个双频带单极和一个双频带F-天线,以便在2.45和5.18千兆赫的频带中运行。天线的载体衬底为2毫米厚聚丙烯(PP),作为提高天线性能的地面平面。

天线进给是PP衬底上短50分段和FR4衬底上长18毫米50分段的组合。 (Figure 4) .PP的地面层和微带线由35英寸厚的自粘铜箔组成。采用导电银化合物,在PP衬底上的微带线与FR4之间,以及聚氨酯/MTCNT复合材料与微带之间建立了电气连接。单极天线包括一个简单的LC匹配电路,以改进S。 11 .F-天线不使用匹配,因为可以通过优化L,L来实现50电子阻抗。 1, 我和我 2 尺寸。

 

图4:这些基于CNN的天线的天线传输连接PP和FR4基板。

单极天线的增益分别为-10.0和5.5的DBI,分别为2.45千兆赫频带和5.18千兆赫频带。与单极复合材料的厚度相比,F-天线的增益更小,因为它使用了较薄的聚氨酯/McNWT复合材料层。

概括的

天线小型化是一个活跃的发展领域。许多工作的重点是提高介电材料的性能,例如用于5G手机天线矩阵的ao。各种基材(电介质)和导体组合已被开发用于灵活电子学所需的柔性天线。最近的工作重点是在可穿戴材料中使用基于CNT的天线。天线小型化的发展有赖于材料科学和电子学的发展。