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1、 灵活蝴蝶结天线的设计、仿真、制造和测试摘要本文主要提及两种不同的新型灵活蝴蝶结天线的设计、仿真、制造和测试，包括传统的蝴蝶结天线和减少金属化改造的蝴蝶结天线。这些天线安装在由亚利桑拿州国家大学（ASU）的柔性显示器中心（FDC）制造的柔性衬底上。基板是热稳定的聚乙烯萘邻苯二甲酸(PEN)，这可使天线更稳定。天线是由一个微带到共面的馈电网络不平衡变压器供电。观察显示，大部分电流密度是相对常规蝴蝶结天线的边缘定义的。而金属的减少就是基于这种观察。因此，传统蝴蝶结天线的三角形部分的中心不显著影响其性能地被移除。对于蝴蝶结元素安装在平面和曲面，用HFSS仿真天线的返回损失和辐射模式，分别将仿真结果与
2、测量结果作比较。比较结果表明，对于两种情况下的仿真和测量之间有一个优良的协议。此外，通过仿真和测量得出，改进的蝴蝶结天线的辐射性能经验证更接近传统的蝴蝶结。索引术语蝴蝶结天线，宽带天线，可弯曲式天线，热稳定聚乙烯萘领苯二甲酸(PEN)，微带到共面巴伦馈电网络。 I、介绍亚利桑拿州国家大学（ASU）的柔性显示器中心（FDC）成立于2004年，是学术界、工业和政府的合体，主要目的是培养有创新表现的新一代和开发灵活的、重量轻、低功耗和结实的电子电路1。由于对灵活和重量轻的电子系统的需求日益增加，柔性显示器中心旨在开发材料和结构的平台，平台允许灵活背板电子和显示组件相结合，这些显示组件对于大规模生产是
3、比较经济的2。在低温环境下，对柔性塑料基板兼容的薄膜晶体管的处理为柔性电路开辟了一条新路。例如，可编程逻辑阵列可实现对微控制器3的控制逻辑，这显示数字逻辑是很容易实现的。此外，挥发性和非挥发性数字记忆和综合显示的源极驱动器4已经成功的被制造出来，包括一系列的数字积木如计数器、触发器和一个标准单元库。此外，为了实现复杂性和第一次正确的电路设计，标准的集成电路产业设计工具,砂的做法被广泛应用于柔性电路设计5中。柔性电子还承诺新的应用领域包括重量轻、坚固的地区、大面积传感阵列检测X射线、放射性粒子（中子）和生物化学剂。大面积阵列可能会覆盖飞机的机翼，可以探测空气压力/流量以增强性能或者探测微小裂痕形
4、成以预诊断。如果当服务被需要而不是定期、费时的检查时大型设备只能从服务中移除，那么可观的成本节约是可能的。其他潜在的应用包括监视伤口或一种医疗分诊补丁进行远程监控患者生命体征的愈合的“智能”医疗绷带。这种技术的一种自然延伸的对共形天线的设计、制作和测试是极大的兴趣。目前，柔性显示器中心是针对天线结构的引入，可以与其他灵活的集成电路元件协同作用。可弯曲式天线，作为柔性电子电路的一部分，可能有一个广泛的应用在可以使天线与人体躯干集成的无线通信中。与液态金属零件组合的柔性线偶极子天线6和喷墨印刷天线7的设计已经在文献中报道了。文献6中的天线是可逆形变，而且它们可以通过拉伸和释放它们机械调谐。文献7中
5、的喷墨印刷天线是一个适形射频模块的一部分。一种具有比线性偶极子天线更宽带宽的灵活蝴蝶结天线的设计已经被文献9和10的作者报道出。这种灵活蝴蝶结天线的辐射特性已经在文献11中讨论，当该天线被弯曲成圆筒状。此外，大多数蝴蝶结天线的金属化可以在不显著影响辐射性能时被移除12。在本文中，对传统的和改进的蝴蝶结天线进行的工作已经得到改进，并且它与文献10-12中的报道想比较。除了天线的辐射特性，馈电结构和对天线辐射性能的导体损失的影响也进行了讨论。关于辐射性能的曲率的影响也得到了研究。本文的结构如下。在第二部分中，对柔性显示器中心基板的基本性质的广泛讨论和制造工艺一起被概述。接着在第三部分中，介绍天线和
6、它们反馈电路的设计方法。在第四部分中，介绍回波损耗、振幅辐射方向图和增益的仿真与测量。这些天线用Ansys HFSS13建模和仿真，同时仿真结果与在亚利桑拿州国家大学电磁波暗室（EMAC）进行的测量结果进行比较。对于天线安装在平面和曲面表面时，天线的辐射性能的不同也在本部分研究。最后，结束语总结。 II、柔性基板由于兼容性问题，天线的制造过程几乎与薄膜晶体管的制作过程相同。因此，薄膜晶体管制作的讨论也将披露出天线制作的要点。另一方面，薄膜晶体管制作的细节超出了本文的范围。因此，只有其制作方向将在这里被总结。柔性显示器中心的显示技术主要基于可以用塑料基板制造的非晶硅（a-Si:H）薄膜晶体管。传
7、统意义上讲，显示器已经被用经过高温沉积过程的玻璃制造出来，这是一个成熟的技术。然而，玻璃本身易碎而沉重，这使得它不适合便携式，也不方便现场使用。在过去的几年里，已经出现了大量的关于降低非晶硅薄膜晶体管加工温度以适应与塑料基板(热稳定的聚萘二甲酸或PEN)兼容和用标准加工设备处理柔性基材的开发工作。薄膜晶体管是在180如热稳定的聚萘二甲酸的柔性基板上处理的。栅极金属和电解质分别是钼和氮化硅。源极/漏极金属溅射在一个N维的非晶体硅-铝双层上。铟锡氧化物（ITO）和钼的金属化随后被应用。图1显示了一个低温非晶体硅的薄膜晶体管工艺的截面示意图。由于设计一种新的制作工艺是昂贵且耗时的，特别是对天线而言，
8、它们必须同时被处理并制作成有薄膜晶体管和其它电路的相同晶片。因此，用于制作天线的材料要和用于制作薄膜晶体管的材料相同。然而，一些薄膜晶体管的有关步骤对于天线来说是忽略的。如前所述，基板是薄的塑料（热稳定的聚萘二甲酸），这允许天线更灵活。基板上覆盖着一层非常薄的氧化硅层，该层是栅极电介质14。用于馈电网络、不平衡变压器和天线元件的导电材料是铝。图2显示了一种柔性基板的简化模型，它通过HFSS软件库的资料更接近于实际基板的电性能。图1：柔性显示器中心的低温非晶体硅的薄膜晶体管工艺的截面示意图。栅极电介质是氮化硅。有三个金属层。图2：最接近于实际基板电性能的柔性基板的简化模型。 III、天线设计使用
9、柔性基板的天线设计是亚利桑拿州国家大学柔性显示器中心的一项新的研究课题。因此一个宽带元素被选来启动这项研究。一个蝴蝶结天线第一个被选来设计，是因为与线天线和印刷偶极子天线相比较，蝴蝶结天线的基本几何结构、宽带特性和多样应用更适合。此外，蝴蝶结天线预计比传统天线更定向，因为其具有较大的散热面积15。它们也同样可以应用在贴片天线的小型化应用中来实现较低工作频率而不增加整体补丁区16。由于其吸引力的特性，印刷蝴蝶结天线已经在的15-24中研究。哪些文献基本上有三种类型：微型贴片（16、17）；共面（15、18、20）；双面（21-24）。在这些类型的天线中，共面蝴蝶结天线需要一个平衡馈电网络，以便它
10、们可以在不平衡变压器的帮助下用微带线或共面导波供电。虽然它们需要一个额外的不平衡变压器，但是作者选择了共面蝴蝶结天线因为它更适应于柔性显示器中心的利益和制造过程。共面导波（CPW）-耦合微带线不平衡变压器包括可以抑制非共面导波模式和平衡线路20,25,26的基于不平衡变压器不连续性的空气桥。这些空气桥可以阻碍天线的灵活性。而且，不能被焊接的空气桥和天线的铝痕迹之间的连接，这可能是有问题的。因此，作者选择用微带线向蝴蝶结天线馈电，虽然别的馈电设计更适合天线制作过程。两种不同天线的设计与制作：传统的和有减少金属化设计的概述蝴蝶结天线。后者包含一个概述传统蝴蝶结天线的条形。因此，从这点出发，前者和新
11、的蝴蝶结天线将分别被表示为固体和轮廓蝴蝶结天线。A、固体蝴蝶结天线 印刷蝴蝶结天线的设计过程和矩形微带贴片天线的设计是相似的。有一组通过为文献8中的矩形贴片修改半经验设计方程获得的一系列设计方程。主导TM10模型的蝴蝶结贴片谐振频率可以通过下列方程16,17获得fr=c2eL(1.152Rt) (1)Rt=L2(W+2l)+(Wc+2l)(W+2l)(S+2l) (2)l=h0.412(e+0.3)(Wih+0.262)(e-0.258)(Wih+0.813) (3)e=r+12+(r-12)(1+12hWi)-1/2 (4)Wi=(W+Wc2) (5) 在这组设计方程中，基片的厚度、相对介电
12、常数和有效介电常数分别表示为h,r和e。其他几何参数在图3中定义。虽然这些方程是从微型贴片蝴蝶结天线推导出，他们被用来获得一个共面蝴蝶结天线的初始设计。后来，天线设计进行微调，然后通过数值模拟确定。在初始值和最终值之间有一个微小的差异，这是由于设计方程的不确定性和微带到共面馈电网络不平衡变压器的存在性。图3：包括固体蝴蝶结和不平衡变压器的整体结构的几何设计细节。B、轮廓蝴蝶结天线 固体蝴蝶结天线表明的电流密度用HFSS经行仿真，正如期望观察到的，电流密度的大部分集中在蝴蝶结天线的边缘。另一方面，朝向元件三角形部分内部的电流密度的大小正如图4所示的一样低。这是趋于向边缘移动的金属表面电子斥力的结
13、果。由于表面电流的绝大部分都集中在边缘，如果大多数金属化从三角中心移除则天线的性能在增益、带宽和中心频率无显著改变。事实上，这是一种在用去除板的内部以减轻重量和风阻的锯齿形平面设计的对数周期天线中可观察到的现象。因此，在这些观察的指引下，一个新的蝴蝶结天线的设计如图5所示。在这个新的设计中，天线是由宽度0.2mm的条状制成，概括了传统的蝴蝶结天线。 在一些应用中，天线金属零件的总表面积可以成为一个主要的设计约束。因此，通过使用一个较少金属的天线来获得指定的辐射性能可能更为重要，正如在对数周期天线的情况下，有时以降低增益为代价。另一方面，我们减少天线的金属的基本目的是加快成型和制作过程。天线金属
14、含量的减少通过连续印刷技术使得制造更快速。虽然薄膜晶体管的制作和喷墨打印机的电路提供了低成本和快速成型，但是大型模型用这种方式填充事有问题的。因此，减少其他固体天线的金属金量加速原型制作同时利用较少的镀金属。图4：不同频率的蝴蝶结天线表面的电流密度。最强的表面电流集中在蝴蝶结的表面。（a）f=7.0 GHz,(b)f=7.4 GHz,(c)f=7.8 GHz.图5：轮廓蝴蝶结天线模型。大部分的金属化从三角形中心转移到几块原型制作过程中。C、微带到共面馈电网络不平衡变压器 正如前面所提到的，为了正确的给蝴蝶结天线馈电，微带到共面馈电网络（CPFN）转型是必要的。为了达到这个目的，设计出一个微带到
15、共面馈电网络非平衡变压器，它提供了在耦合微带线上的奇数模式同时抑制偶数模式27,28。这不平衡变压器引入在耦合微带线接近中心频率之间有180相位差。移相器长度是不平衡变压器设计的重要参数。微带线的两个分支长度应加以调整，这样它们的差值等于在中心频率的导波波长的四分之一28。另一个关键参数是能调整以优化不平衡变压器性能的共面带线之间的差距27。不平衡变压器的设计参数是通过数值模拟进行优化的。不平衡变压器包含四个部分。第一部分是50微带线部分，其具有0.32mm线宽度。第二部分是带宽0.84mm的25微带线部分，其可以作为阻抗转换器。第三部分是不对称三通结合点，其最小损失地均分移相器两臂间的功率。最后，最后一部分是引入在耦合微带线间180相位差的移相器。不平衡变压器被设计为在整个工作频带有一个几乎恒定的回波和插入损耗特性。不平衡变压器的回波和插入损耗如图6所示。很明显，在两个输出端口插入损耗略大于
