許多天線在機械上既簡單又複雜。機械天線通常只有一個或兩個元件,一個介質層(可以是整個天線)和一個導電層。本常見問題集首先簡要回顧了介電材料及其對天線效能的重要性。然後,本文探討了與5G手機的先進天線、靈活電子裝置的天線有關的發展,以及在可穿戴天線中使用碳奈米天線的可能性。
介電材料的選擇會影響天線的力學效能和熱效能。選擇的範圍很廣:聚苯乙烯泡沫或蜂窩結構具有較低的介電常數(1至2之間),玻璃纖維增強聚四氟乙烯(聚四氟乙烯)具有相對的介電常數(2至4之間),陶瓷、石英和氧化鋁的值甚至更高。具有高介電常數和低介電損耗的材料可以自己用來製造天線。
在設計微型天線時,使用具有高介電常數的材料是很重要的,因為會產生頻率縮短效應。陶瓷因其介電損耗低、介電常數高而具有吸引力。但它們很脆,很難使用。在天線的設計中,陶瓷代替純陶瓷被用於聚合矩陣和複合材料。使用陶瓷時的另一個挑戰是介電常數不可能很容易(如果有的話)適應具體的應用需要。當用於基質或複合材料時,陶瓷的用量可以調整,從而使材料的介電常數得到最佳化。在這些電介質中使用了廣泛的陶瓷濃度和粒徑,顆粒範圍從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用於5G型手機的微型天線。
AAO和5G
5g手機的設計者總是面臨尋找更有空間效率的天線的挑戰。5G手機是高密度的元件,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手機的設計將一個介質層放置在一個鋁表面上使用AOO。然後將天線置於介質上。所設想的基於aaa的結構減小了天線的尺寸(1.87毫米(0.18毫米) 0 ) × 2.34 mm (0.22 λ 0 )。與目前用於製造天線的聚碳酸酯(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(CER)更高,為6.7。這種方法增加了設計自由度,因為它能夠精確控制介電層的尺寸,並在金屬襯底上產生介電層。該AOO天線的增益為5.02DBI,共振為29千兆赫。
高介電常數是這個天線的小尺寸和良好效能的必要條件。在目前手機設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行製造,從而進一步提高了天線的設計自由度。基於aaa的天線可整合到行動電話的金屬中間框架中,便於在有限的空間內建造大規模天線陣列 (Figure 1) .
圖1基於aaa的5g天線整合到行動電話中。
除了手機手機,5G還被用於許多可穿戴的裝置,如物聯網、個性化醫療平臺、健身監視器、無線感測器網路、遊戲和各種通訊裝置。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複雜的。
靈活電子產品的靈活天線
影響靈活天線材料選擇的因素包括:裝置將使用的環境、與剛性和/或非剛性天線無縫整合的必要性、大規模生產的適宜性、成本等。為了確保在增益、效率和頻寬方面的適當效能,必須要有高電導率,並使用銀或銅奈米顆粒墨水、銅帶、導電聚合物、聚二甲基矽氧烷嵌入導電織物和石墨基材料等材料。
可用於生產靈活的天線。銅和銀NP油墨都有足夠的電導率來製造天線,銀較少腐蝕,在許多應用中是首選的。除了NP油墨外,非織造導電織物和電子紡織材料,如鎳/銀鍍銀閃散器(銅塗層尼龍織物)也被用於彈性天線。銅帶、銅包覆物和黏性銅已經使用,但由於缺乏環境堅固性和易腐蝕性,不受青睞。電介質和基板是材料發展的其他重要領域。有許多底物選擇,包括卡普頓聚醯亞胺、聚苯胺、PIN、PET、液晶聚合物、紡織品和電子紙 (Figure 2) .
圖2:製作的天線原型:(a)聚對苯二甲酸乙酯(PET),(b)聚對苯二甲酸乙酯(PEN),(c)聚醯亞胺,(d)液晶聚合物(LCP)和(e)紙張襯底。
為低頻率應用和12千兆赫以上的使用開發了靈活天線。彎曲、拉伸和接近人體可以顯著影響彈性天線的效能。設計具有較高頻寬或改進對稱性的天線有助於確保在各種挑戰條件下的效能 .
可穿戴的cnt天線
利用金屬導電油墨製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並失去效能。此外,它們可能是沉重的和相對靈活的。開發靈活天線的一個途徑是利用石墨烯和碳奈米管等混合碳結構。這些材料結合了強機械效能,高耐腐蝕性,低密度,高電導率,高熱穩定性。CNT由於具有高流動性和低生產成本,因此特別具有吸引力。導電的CNT可懸浮在纖維素奈米晶墨水中,並以逐層印刷在織物上,直至形成多層 (Figure 3).
圖3:已經開發了一個螢幕列印程式,以建立基於CNT的天線的多層。
採用多壁碳奈米管的聚氨酯複合材料,進行了單獨的研製。與上面描述的基於CNT的天線一樣,這些天線是透過建立一系列的層來製造的。設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執行。天線的載體襯底為2毫米厚聚丙烯(PP),作為提高天線效能的地面平面。
天線進給是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。採用導電銀化合物,在PP襯底上的微帶線與FR4之間,以及聚氨酯/MTCNT複合材料與微帶之間建立了電氣連線。單極天線包括一個簡單的LC匹配電路,以改進S。 11 .F-天線不使用匹配,因為可以透過最佳化L,L來實現50電子阻抗。 1, 我和我 2 尺寸。
圖4:這些基於CNN的天線的天線傳輸連線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。與單極複合材料的厚度相比,F-天線的增益更小,因為它使用了較薄的聚氨酯/McNWT複合材料層。
概括的
天線小型化是一個活躍的發展領域。許多工作的重點是提高介電材料的效能,例如用於5G手機天線矩陣的ao。各種基材(電介質)和導體組合已被開發用於靈活電子學所需的柔性天線。最近的工作重點是在可穿戴材料中使用基於CNT的天線。天線小型化的發展有賴於材料科學和電子學的發展。