靈活蝴蝶結(jié)天線的設(shè)計(jì)

1、 靈活蝴蝶結(jié)天線的設(shè)計(jì)、仿真、制造和測試摘要本文主要提及兩種不同的新型靈活蝴蝶結(jié)天線的設(shè)計(jì)、仿真、制造和測試，包括傳統(tǒng)的蝴蝶結(jié)天線和減少金屬化改造的蝴蝶結(jié)天線。這些天線安裝在由亞利桑拿州國家大學(xué)（ASU）的柔性顯示器中心（FDC）制造的柔性襯底上?；迨菬岱€(wěn)定的聚乙烯萘鄰苯二甲酸(PEN)，這可使天線更穩(wěn)定。天線是由一個(gè)微帶到共面的饋電網(wǎng)絡(luò)不平衡變壓器供電。觀察顯示，大部分電流密度是相對常規(guī)蝴蝶結(jié)天線的邊緣定義的。而金屬的減少就是基于這種觀察。因此，傳統(tǒng)蝴蝶結(jié)天線的三角形部分的中心不顯著影響其性能地被移除。對于蝴蝶結(jié)元素安裝在平面和曲面，用HFSS仿真天線的返回?fù)p失和輻射模式，分別將仿真結(jié)果與

2、測量結(jié)果作比較。比較結(jié)果表明，對于兩種情況下的仿真和測量之間有一個(gè)優(yōu)良的協(xié)議。此外，通過仿真和測量得出，改進(jìn)的蝴蝶結(jié)天線的輻射性能經(jīng)驗(yàn)證更接近傳統(tǒng)的蝴蝶結(jié)。索引術(shù)語蝴蝶結(jié)天線，寬帶天線，可彎曲式天線，熱穩(wěn)定聚乙烯萘領(lǐng)苯二甲酸(PEN)，微帶到共面巴倫饋電網(wǎng)絡(luò)。 I、介紹亞利桑拿州國家大學(xué)（ASU）的柔性顯示器中心（FDC）成立于2004年，是學(xué)術(shù)界、工業(yè)和政府的合體，主要目的是培養(yǎng)有創(chuàng)新表現(xiàn)的新一代和開發(fā)靈活的、重量輕、低功耗和結(jié)實(shí)的電子電路1。由于對靈活和重量輕的電子系統(tǒng)的需求日益增加，柔性顯示器中心旨在開發(fā)材料和結(jié)構(gòu)的平臺(tái)，平臺(tái)允許靈活背板電子和顯示組件相結(jié)合，這些顯示組件對于大規(guī)模生產(chǎn)是

3、比較經(jīng)濟(jì)的2。在低溫環(huán)境下，對柔性塑料基板兼容的薄膜晶體管的處理為柔性電路開辟了一條新路。例如，可編程邏輯陣列可實(shí)現(xiàn)對微控制器3的控制邏輯，這顯示數(shù)字邏輯是很容易實(shí)現(xiàn)的。此外，揮發(fā)性和非揮發(fā)性數(shù)字記憶和綜合顯示的源極驅(qū)動(dòng)器4已經(jīng)成功的被制造出來，包括一系列的數(shù)字積木如計(jì)數(shù)器、觸發(fā)器和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元庫。此外，為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性和第一次正確的電路設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)的集成電路產(chǎn)業(yè)設(shè)計(jì)工具,砂的做法被廣泛應(yīng)用于柔性電路設(shè)計(jì)5中。柔性電子還承諾新的應(yīng)用領(lǐng)域包括重量輕、堅(jiān)固的地區(qū)、大面積傳感陣列檢測X射線、放射性粒子（中子）和生物化學(xué)劑。大面積陣列可能會(huì)覆蓋飛機(jī)的機(jī)翼，可以探測空氣壓力/流量以增強(qiáng)性能或者探測微小裂痕形

4、成以預(yù)診斷。如果當(dāng)服務(wù)被需要而不是定期、費(fèi)時(shí)的檢查時(shí)大型設(shè)備只能從服務(wù)中移除，那么可觀的成本節(jié)約是可能的。其他潛在的應(yīng)用包括監(jiān)視傷口或一種醫(yī)療分診補(bǔ)丁進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控患者生命體征的愈合的“智能”醫(yī)療繃帶。這種技術(shù)的一種自然延伸的對共形天線的設(shè)計(jì)、制作和測試是極大的興趣。目前，柔性顯示器中心是針對天線結(jié)構(gòu)的引入，可以與其他靈活的集成電路元件協(xié)同作用?？蓮澢教炀€，作為柔性電子電路的一部分，可能有一個(gè)廣泛的應(yīng)用在可以使天線與人體軀干集成的無線通信中。與液態(tài)金屬零件組合的柔性線偶極子天線6和噴墨印刷天線7的設(shè)計(jì)已經(jīng)在文獻(xiàn)中報(bào)道了。文獻(xiàn)6中的天線是可逆形變，而且它們可以通過拉伸和釋放它們機(jī)械調(diào)諧。文獻(xiàn)7中

5、的噴墨印刷天線是一個(gè)適形射頻模塊的一部分。一種具有比線性偶極子天線更寬帶寬的靈活蝴蝶結(jié)天線的設(shè)計(jì)已經(jīng)被文獻(xiàn)9和10的作者報(bào)道出。這種靈活蝴蝶結(jié)天線的輻射特性已經(jīng)在文獻(xiàn)11中討論，當(dāng)該天線被彎曲成圓筒狀。此外，大多數(shù)蝴蝶結(jié)天線的金屬化可以在不顯著影響輻射性能時(shí)被移除12。在本文中，對傳統(tǒng)的和改進(jìn)的蝴蝶結(jié)天線進(jìn)行的工作已經(jīng)得到改進(jìn)，并且它與文獻(xiàn)10-12中的報(bào)道想比較。除了天線的輻射特性，饋電結(jié)構(gòu)和對天線輻射性能的導(dǎo)體損失的影響也進(jìn)行了討論。關(guān)于輻射性能的曲率的影響也得到了研究。本文的結(jié)構(gòu)如下。在第二部分中，對柔性顯示器中心基板的基本性質(zhì)的廣泛討論和制造工藝一起被概述。接著在第三部分中，介紹天線和

6、它們反饋電路的設(shè)計(jì)方法。在第四部分中，介紹回波損耗、振幅輻射方向圖和增益的仿真與測量。這些天線用Ansys HFSS13建模和仿真，同時(shí)仿真結(jié)果與在亞利桑拿州國家大學(xué)電磁波暗室（EMAC）進(jìn)行的測量結(jié)果進(jìn)行比較。對于天線安裝在平面和曲面表面時(shí)，天線的輻射性能的不同也在本部分研究。最后，結(jié)束語總結(jié)。 II、柔性基板由于兼容性問題，天線的制造過程幾乎與薄膜晶體管的制作過程相同。因此，薄膜晶體管制作的討論也將披露出天線制作的要點(diǎn)。另一方面，薄膜晶體管制作的細(xì)節(jié)超出了本文的范圍。因此，只有其制作方向?qū)⒃谶@里被總結(jié)。柔性顯示器中心的顯示技術(shù)主要基于可以用塑料基板制造的非晶硅（a-Si:H）薄膜晶體管。傳

7、統(tǒng)意義上講，顯示器已經(jīng)被用經(jīng)過高溫沉積過程的玻璃制造出來，這是一個(gè)成熟的技術(shù)。然而，玻璃本身易碎而沉重，這使得它不適合便攜式，也不方便現(xiàn)場使用。在過去的幾年里，已經(jīng)出現(xiàn)了大量的關(guān)于降低非晶硅薄膜晶體管加工溫度以適應(yīng)與塑料基板(熱穩(wěn)定的聚萘二甲酸或PEN)兼容和用標(biāo)準(zhǔn)加工設(shè)備處理柔性基材的開發(fā)工作。薄膜晶體管是在180如熱穩(wěn)定的聚萘二甲酸的柔性基板上處理的。柵極金屬和電解質(zhì)分別是鉬和氮化硅。源極/漏極金屬濺射在一個(gè)N維的非晶體硅-鋁雙層上。銦錫氧化物（ITO）和鉬的金屬化隨后被應(yīng)用。圖1顯示了一個(gè)低溫非晶體硅的薄膜晶體管工藝的截面示意圖。由于設(shè)計(jì)一種新的制作工藝是昂貴且耗時(shí)的，特別是對天線而言，

8、它們必須同時(shí)被處理并制作成有薄膜晶體管和其它電路的相同晶片。因此，用于制作天線的材料要和用于制作薄膜晶體管的材料相同。然而，一些薄膜晶體管的有關(guān)步驟對于天線來說是忽略的。如前所述，基板是薄的塑料（熱穩(wěn)定的聚萘二甲酸），這允許天線更靈活?；迳细采w著一層非常薄的氧化硅層，該層是柵極電介質(zhì)14。用于饋電網(wǎng)絡(luò)、不平衡變壓器和天線元件的導(dǎo)電材料是鋁。圖2顯示了一種柔性基板的簡化模型，它通過HFSS軟件庫的資料更接近于實(shí)際基板的電性能。圖1：柔性顯示器中心的低溫非晶體硅的薄膜晶體管工藝的截面示意圖。柵極電介質(zhì)是氮化硅。有三個(gè)金屬層。圖2：最接近于實(shí)際基板電性能的柔性基板的簡化模型。 III、天線設(shè)計(jì)使用

9、柔性基板的天線設(shè)計(jì)是亞利桑拿州國家大學(xué)柔性顯示器中心的一項(xiàng)新的研究課題。因此一個(gè)寬帶元素被選來啟動(dòng)這項(xiàng)研究。一個(gè)蝴蝶結(jié)天線第一個(gè)被選來設(shè)計(jì)，是因?yàn)榕c線天線和印刷偶極子天線相比較，蝴蝶結(jié)天線的基本幾何結(jié)構(gòu)、寬帶特性和多樣應(yīng)用更適合。此外，蝴蝶結(jié)天線預(yù)計(jì)比傳統(tǒng)天線更定向，因?yàn)槠渚哂休^大的散熱面積15。它們也同樣可以應(yīng)用在貼片天線的小型化應(yīng)用中來實(shí)現(xiàn)較低工作頻率而不增加整體補(bǔ)丁區(qū)16。由于其吸引力的特性，印刷蝴蝶結(jié)天線已經(jīng)在的15-24中研究。哪些文獻(xiàn)基本上有三種類型：微型貼片（16、17）；共面（15、18、20）；雙面（21-24）。在這些類型的天線中，共面蝴蝶結(jié)天線需要一個(gè)平衡饋電網(wǎng)絡(luò)，以便它

10、們可以在不平衡變壓器的幫助下用微帶線或共面導(dǎo)波供電。雖然它們需要一個(gè)額外的不平衡變壓器，但是作者選擇了共面蝴蝶結(jié)天線因?yàn)樗m應(yīng)于柔性顯示器中心的利益和制造過程。共面導(dǎo)波（CPW）-耦合微帶線不平衡變壓器包括可以抑制非共面導(dǎo)波模式和平衡線路20,25,26的基于不平衡變壓器不連續(xù)性的空氣橋。這些空氣橋可以阻礙天線的靈活性。而且，不能被焊接的空氣橋和天線的鋁痕跡之間的連接，這可能是有問題的。因此，作者選擇用微帶線向蝴蝶結(jié)天線饋電，雖然別的饋電設(shè)計(jì)更適合天線制作過程。兩種不同天線的設(shè)計(jì)與制作：傳統(tǒng)的和有減少金屬化設(shè)計(jì)的概述蝴蝶結(jié)天線。后者包含一個(gè)概述傳統(tǒng)蝴蝶結(jié)天線的條形。因此，從這點(diǎn)出發(fā)，前者和新

11、的蝴蝶結(jié)天線將分別被表示為固體和輪廓蝴蝶結(jié)天線。A、固體蝴蝶結(jié)天線 印刷蝴蝶結(jié)天線的設(shè)計(jì)過程和矩形微帶貼片天線的設(shè)計(jì)是相似的。有一組通過為文獻(xiàn)8中的矩形貼片修改半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方程獲得的一系列設(shè)計(jì)方程。主導(dǎo)TM10模型的蝴蝶結(jié)貼片諧振頻率可以通過下列方程16,17獲得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) 在這組設(shè)計(jì)方程中，基片的厚度、相對介電

12、常數(shù)和有效介電常數(shù)分別表示為h,r和e。其他幾何參數(shù)在圖3中定義。雖然這些方程是從微型貼片蝴蝶結(jié)天線推導(dǎo)出，他們被用來獲得一個(gè)共面蝴蝶結(jié)天線的初始設(shè)計(jì)。后來，天線設(shè)計(jì)進(jìn)行微調(diào)，然后通過數(shù)值模擬確定。在初始值和最終值之間有一個(gè)微小的差異，這是由于設(shè)計(jì)方程的不確定性和微帶到共面饋電網(wǎng)絡(luò)不平衡變壓器的存在性。圖3：包括固體蝴蝶結(jié)和不平衡變壓器的整體結(jié)構(gòu)的幾何設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。B、輪廓蝴蝶結(jié)天線 固體蝴蝶結(jié)天線表明的電流密度用HFSS經(jīng)行仿真，正如期望觀察到的，電流密度的大部分集中在蝴蝶結(jié)天線的邊緣。另一方面，朝向元件三角形部分內(nèi)部的電流密度的大小正如圖4所示的一樣低。這是趨于向邊緣移動(dòng)的金屬表面電子斥力的結(jié)

13、果。由于表面電流的絕大部分都集中在邊緣，如果大多數(shù)金屬化從三角中心移除則天線的性能在增益、帶寬和中心頻率無顯著改變。事實(shí)上，這是一種在用去除板的內(nèi)部以減輕重量和風(fēng)阻的鋸齒形平面設(shè)計(jì)的對數(shù)周期天線中可觀察到的現(xiàn)象。因此，在這些觀察的指引下，一個(gè)新的蝴蝶結(jié)天線的設(shè)計(jì)如圖5所示。在這個(gè)新的設(shè)計(jì)中，天線是由寬度0.2mm的條狀制成，概括了傳統(tǒng)的蝴蝶結(jié)天線。 在一些應(yīng)用中，天線金屬零件的總表面積可以成為一個(gè)主要的設(shè)計(jì)約束。因此，通過使用一個(gè)較少金屬的天線來獲得指定的輻射性能可能更為重要，正如在對數(shù)周期天線的情況下，有時(shí)以降低增益為代價(jià)。另一方面，我們減少天線的金屬的基本目的是加快成型和制作過程。天線金屬

14、含量的減少通過連續(xù)印刷技術(shù)使得制造更快速。雖然薄膜晶體管的制作和噴墨打印機(jī)的電路提供了低成本和快速成型，但是大型模型用這種方式填充事有問題的。因此，減少其他固體天線的金屬金量加速原型制作同時(shí)利用較少的鍍金屬。圖4：不同頻率的蝴蝶結(jié)天線表面的電流密度。最強(qiáng)的表面電流集中在蝴蝶結(jié)的表面。（a）f=7.0 GHz,(b)f=7.4 GHz,(c)f=7.8 GHz.圖5：輪廓蝴蝶結(jié)天線模型。大部分的金屬化從三角形中心轉(zhuǎn)移到幾塊原型制作過程中。C、微帶到共面饋電網(wǎng)絡(luò)不平衡變壓器 正如前面所提到的，為了正確的給蝴蝶結(jié)天線饋電，微帶到共面饋電網(wǎng)絡(luò)（CPFN）轉(zhuǎn)型是必要的。為了達(dá)到這個(gè)目的，設(shè)計(jì)出一個(gè)微帶到

15、共面饋電網(wǎng)絡(luò)非平衡變壓器，它提供了在耦合微帶線上的奇數(shù)模式同時(shí)抑制偶數(shù)模式27,28。這不平衡變壓器引入在耦合微帶線接近中心頻率之間有180相位差。移相器長度是不平衡變壓器設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。微帶線的兩個(gè)分支長度應(yīng)加以調(diào)整，這樣它們的差值等于在中心頻率的導(dǎo)波波長的四分之一28。另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是能調(diào)整以優(yōu)化不平衡變壓器性能的共面帶線之間的差距27。不平衡變壓器的設(shè)計(jì)參數(shù)是通過數(shù)值模擬進(jìn)行優(yōu)化的。不平衡變壓器包含四個(gè)部分。第一部分是50微帶線部分，其具有0.32mm線寬度。第二部分是帶寬0.84mm的25微帶線部分，其可以作為阻抗轉(zhuǎn)換器。第三部分是不對稱三通結(jié)合點(diǎn)，其最小損失地均分移相器兩臂間的功率。

16、最后，最后一部分是引入在耦合微帶線間180相位差的移相器。不平衡變壓器被設(shè)計(jì)為在整個(gè)工作頻帶有一個(gè)幾乎恒定的回波和插入損耗特性。不平衡變壓器的回波和插入損耗如圖6所示。很明顯，在兩個(gè)輸出端口插入損耗略大于3dB由于功率分配，同時(shí)不平衡變壓器的兩個(gè)分支間的功率幾乎平分。不平衡變壓器的回波損耗在整個(gè)頻帶中保持在910dB之間。不平衡變壓器性能的另一個(gè)重要參數(shù)是相位差，如圖7所示，主要是移相器的兩個(gè)分支間。當(dāng)相位差為180時(shí)，不平衡變壓器的中心頻率為7.48GHz。然而，這是在有耦合微帶線的不平衡變壓器和天線的負(fù)荷后改變的。雖然不平衡變壓器就功率分配是寬頻帶，但這是在沒有相位差情況下。不平衡變壓器兩

17、臂間的相位差在頻率間隔6.5-8.5GHz間線性地從203改變到155。相移的快速改變對輻射元件的整體性能有重要作用。實(shí)際上，這些不平衡變壓器類型是已知的窄帶微型器件。包括天線和不平衡變壓器在內(nèi)的整個(gè)制作結(jié)構(gòu)照片如圖8所示。圖詳細(xì)的介紹了它們的靈活性。圖6：不平衡變壓器的回波和插入損耗。它被設(shè)計(jì)為在整個(gè)工作頻帶里有一個(gè)幾乎恒定的回波和插入損耗特性。圖7：不平衡變壓器兩個(gè)輸出部分間的相位差。圖8：靈活蝴蝶結(jié)天線：（a）固體蝴蝶結(jié)天線。（b）輪廓蝴蝶結(jié)天線。 IV、仿真和測量 在柔性顯示器中心設(shè)備中制作天線后，回波損耗、輻射模式和天線增益在亞利桑拿州國家大學(xué)電磁波暗室測量。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，仿

18、真結(jié)果要與測量結(jié)果進(jìn)行比較。另外，輪廓蝴蝶結(jié)的測量和仿真回波損耗、中心頻率和帶寬增益與固體蝴蝶結(jié)相比較。最初，當(dāng)天線水平時(shí)測量和仿真。最后，天線被彎曲成圓筒形式，研究靈活性對天線輻射性能的影響。A、平板天線 天線是通過與不平衡變壓器微帶傳輸帶側(cè)邊相連的一個(gè)同軸電纜饋電。一個(gè)銅帶被作為微帶線的接地面。為穩(wěn)定同軸電纜到微帶過渡，一個(gè)金屬支架焊接在接地面，如圖9所示。然而，通過實(shí)驗(yàn)及數(shù)值驗(yàn)證表面，結(jié)構(gòu)對天線中心頻率有重要作用。這個(gè)問題將在后面章節(jié)詳細(xì)介紹。在這種情況下，由于焊接的缺點(diǎn)，接地面和介紹對整體系統(tǒng)電容的支撐結(jié)構(gòu)之間有一個(gè)小差距。因此，額外電容導(dǎo)致仿真和測量回波損耗間頻率偏移。圖9：天線的饋

19、電結(jié)構(gòu)和金屬支撐。一個(gè)銅帶被作為微帶線的接地面。天線通過同軸電纜供電。同軸電纜和微帶線間的連接是用三角黃銅支撐的支撐結(jié)構(gòu)。最初，在不考慮天線的金屬支撐結(jié)構(gòu)和傳導(dǎo)損耗情況下，對測量和仿真回波損耗進(jìn)行了比較。這導(dǎo)致所測量和仿真的數(shù)據(jù)的回波損耗特性差異。然而，當(dāng)考慮天線的支撐結(jié)構(gòu)和表面阻抗時(shí)，仿真值和測量值間有一個(gè)很好的協(xié)議，如圖10所示。固體和輪廓蝴蝶結(jié)的中心頻率分別為7.66GHz和7.40GHz，同時(shí)回波損耗最小化。圖10：仿真和測量回波損耗的比較：（a）固體蝴蝶結(jié)，（b）輪廓蝴蝶結(jié)。值得注意的是，對于15dB的回波損耗水平（VSWR<1.5:1），固體蝴蝶結(jié)的帶寬在不平衡變壓器加入后從

20、15%下降到8.75%。這是由于相對于頻率而言，相移的快速變化。觀察再次證實(shí)，不平衡變壓器是寬帶設(shè)計(jì)的關(guān)鍵設(shè)備，同時(shí)它決定了總體設(shè)計(jì)的帶寬。同樣重要的是接地面對天線回波損耗的影響。經(jīng)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)證實(shí)，銅帶長度諧振頻率處的回波損耗有顯著作用。另一方面，諧振頻率獨(dú)立于接地面長度。如果接地面剛好在不平衡變壓器和耦合微帶線的連接點(diǎn)被截面，則諧振頻率處的回波損耗結(jié)果約是17dB。因此，為得到一個(gè)合理的回波損耗水平，接地面應(yīng)在連接點(diǎn)后被截?cái)?。圖10中，固體和輪廓蝴蝶結(jié)的中心頻率明顯不同。輪廓蝴蝶結(jié)中心頻率的輕微降低歸因于沿三角形中心部分分布的表面電流密度的低強(qiáng)度性。然而，由于在三角形中心的金屬從輪廓蝴蝶結(jié)中

21、移除，表面電流被限制沿著三角形外形前進(jìn)。流過三角形中心的表面電流的障礙物增加了輪廓設(shè)計(jì)的平均距離。因此，輪廓蝴蝶結(jié)比固體蝴蝶結(jié)用電時(shí)間長，這導(dǎo)致中心頻率降低。實(shí)際上，如果用一個(gè)條帶將三角形的垂直邊連接到它的定點(diǎn)，如圖11所示，新的組合將會(huì)在輪廓和固體設(shè)計(jì)的中心頻率間產(chǎn)生共鳴，這是因?yàn)樗鼮殡娏魈峁┝艘粋€(gè)額外通路。正如圖12可以觀察到，新天線的仿真諧振頻率為7.52GHz,它介于7.40GHz的輪廓蝴蝶結(jié)天線和7.66GHz的固體蝴蝶結(jié)天線間。 圖11：在輪廓和固體蝴蝶結(jié)天線間產(chǎn)生共鳴的新的天線組合。 圖12：如圖11的新的天線組合與輪廓和固體蝴蝶結(jié)天線的仿真回波損耗特性的比較。除了回波損耗，天線

22、的仿真和測量振幅輻射方向圖在三維中進(jìn)行：H主要平面（x-z面），E主要平面（x-y面）和二次E面（y-z面）。模型就測量中心頻率（7.40GHz的輪廓蝴蝶結(jié)和7.66GHz的固體蝴蝶結(jié)）在圖13表示，在圖14比較。二次E面（y-z面）被定義為一個(gè)沿著E場平行于它的但不經(jīng)過整個(gè)場域最大值的平面。坐標(biāo)系統(tǒng)與圖3相同?？梢钥闯觯瑢?shí)測和仿真輻射圖在三維各個(gè)面相一致。雖然二次E面的模式接近于一個(gè)理想偶極子模式，但在主E面和主H面的模式明顯失真。模型的后波瓣比前波瓣大約低10dB。這種差異是由于“推動(dòng)”輻射模式遠(yuǎn)離它和朝向蝴蝶結(jié)的接地面的存在。這種結(jié)構(gòu)也可被認(rèn)為一個(gè)由蝴蝶結(jié)偶極子和接地面的二元八木天線。接

23、地面作為八木天線的反射器，它有一個(gè)降低的反向輻射。因此，峰值增益的方向遠(yuǎn)離接地面。因?yàn)榻拥孛鎯H位于饋電網(wǎng)絡(luò)下方，該天線被允許輻射到兩個(gè)半球面；天線位于平面的上面和下方。圖13：固體蝴蝶結(jié)天線仿真和測量的歸一化輻射方向圖比較在：（a）主H面（x-z面）；（b）主E面（x-y面）；（c）二次E面（y-z面）。圖14：輪廓蝴蝶結(jié)天線仿真和測量的歸一化輻射方向圖比較在：（a）主H面（x-z面）；（b）主E面（x-y面）；（c）二次E面（y-z面）。絕對增益和其他輻射參數(shù)總結(jié)在表格I中。列于表I的增益的方向?yàn)?90和=0。然而，比列表增益高0.1dB的總峰值增益發(fā)生在=80和=100。類似于輪廓設(shè)計(jì)的中

24、心頻率的下降，天線增益也略有下降。正如預(yù)期設(shè)想的，這一下降是由于基于金屬減少的輪廓蝴蝶結(jié)天線的較小有效孔徑。表I中的分?jǐn)?shù)寬帶是基于15dB或者更大的回波損耗（VSWR<1.5:1）?？煽吹?，輪廓蝴蝶結(jié)天線的帶寬比固體蝴蝶結(jié)天線的略大，但這是可以忽略不計(jì)的。因此，天線的帶寬基本相同。導(dǎo)體損耗對輻射效率有很大影響。正如之前提到的，在制造過程使用的金屬層是極薄的鋁。由于在工作頻率帶寬內(nèi)鋁的厚度遠(yuǎn)小于它的趨膚深度（工作在7.5GHz的鋁的趨膚深度約為9m），導(dǎo)體損耗對天線的輻射效率發(fā)揮重要的作用。測得的薄鋁的表面阻抗為0.18/平方。另一方面，比柔性顯示器中心金屬厚的接地面和支撐結(jié)構(gòu)分別用銅和黃

25、銅組成。因此，因接地面和支撐結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體損失相對于薄鋁是微不足道的。為了看到表面阻抗對天線絕對增益的影響，固體蝴蝶結(jié)的厚度增加到兩倍的趨膚深度（約為2m），同時(shí)進(jìn)行一個(gè)額外仿真。固體蝴蝶結(jié)天線的增益變?yōu)?.1dBi，這比較天線的測量增益大。這一結(jié)果驗(yàn)證了柔性顯示器中心金屬的損耗行為和天線的相對低的絕對增益。 表I固體和輪廓蝴蝶結(jié)天線的輻射參數(shù)的比較 固體蝴蝶結(jié) 輪廓蝴蝶結(jié)中心頻率（GHz） 7.66 7.40仿真增益（dBi） 2.5 1.8實(shí)測增益（dBi） 2.5 1.7分?jǐn)?shù)帶寬（%） 8.75 8.92B、彎曲天線 到目前為止，我們只討論了當(dāng)蝴蝶結(jié)天線持平時(shí)的輻射特性。然而，我們天線的顯著

26、優(yōu)勢和新奇的地方是他們的靈活性，它可使柔性顯示器中心基板和蝴蝶結(jié)元素很好的應(yīng)用在共形天線。因此，我們的天線在彎曲時(shí)的輻射性能特別令人感興趣。為研究這一點(diǎn)，類似于持平情況，彎曲天線的回波損耗、輻射模型和絕對增益在其被彎曲到不同半徑的柱面形式時(shí)被檢查，同時(shí)結(jié)果同平坦天線相比。為了能彎曲天線同時(shí)不損壞基板上的導(dǎo)電跡線，需要一個(gè)新的可以使天線自由彎曲的支撐結(jié)構(gòu)。為此，用圓柱狀黃銅作為支撐結(jié)構(gòu)。黃銅管是小直徑同時(shí)被焊接到0.085"（2.16mm）半剛性同軸電纜的外導(dǎo)體上。黃銅管被焊接到同軸電纜的一部分被削減，這使得上部分更接近同軸電纜的中心導(dǎo)體。銀漆被用來連接不平衡變壓器的銅帶接地面和黃銅管

27、以及同軸電纜的中心導(dǎo)體和天線饋電點(diǎn)。新的幾何圖如圖15所示，圖中黃銅管支撐著柔性基板同時(shí)形成接地路徑。這種結(jié)構(gòu)允許靈活基板繞著同軸線的軸自由彎曲。這也最大限度地減少本質(zhì)脆弱的天線的暴露金屬化的失真的可能性。然而，與三角形支撐相比，圓筒形支撐引入了一個(gè)對整體系統(tǒng)的電感。該電感可歸于在圓筒狀銅管內(nèi)循環(huán)的電流，這就像一個(gè)螺線管循環(huán)。因此，固體蝴蝶結(jié)天線的中心頻率變?yōu)?.24GHz，這比7.40GHz的設(shè)計(jì)頻率低。圖15：靈活蝴蝶結(jié)天線的饋電/支持幾何的側(cè)視圖標(biāo)示意圖。圖16對比了平坦和彎曲天線的仿真回波損耗。很明顯，天線的中心頻率不隨著曲率明顯變化，因?yàn)閺澢桓淖冊氐碾婇L度。然而，傳輸線的特性阻抗

28、若隨著彎曲而改變，則影響著整個(gè)系統(tǒng)的輻射特性29。圖16：對不同程度彎曲的蝴蝶結(jié)天線的仿真回波損耗的比較。當(dāng)曲率半徑比天線尺寸大的時(shí)候，天線的回波損耗幾乎獨(dú)立于曲率半徑。經(jīng)過仿真，固體蝴蝶結(jié)通過一個(gè)2"（50.8mm）的曲率半徑的聚苯乙烯彎曲，如圖17所示，同時(shí)其回波損耗被測量。由于聚苯乙烯的介電常數(shù)非常接近統(tǒng)一，則材料的介電加載保持在最低限度。彎曲天線與平坦天線的仿真和實(shí)測回波損耗在圖18進(jìn)行比較。很明顯，對于支撐結(jié)構(gòu)的兩種類型，測量值和仿真值之間有一致性。此外，如預(yù)期設(shè)想，在平坦和彎曲天線的回波損耗之間無顯著差異。天線的中心頻率保持基本不變。然而，在諧振頻率處回波損耗有將近4dB

29、的增加。圖17：彎曲的固體蝴蝶結(jié)天線的測試裝置。圖18：有圓筒狀支撐結(jié)構(gòu)的平面和彎曲蝴蝶結(jié)天線的回波損耗的比較。圖19顯示了彎曲天線在主平面的仿真和實(shí)測歸一化輻射方向圖。很明顯，仿真值和實(shí)測值相吻合。除了彎曲天線在二次E面的零點(diǎn)填充，模型的形狀基本相同。在二次E面的零點(diǎn)填充是因?yàn)楹Y(jié)的整體表面不平行于主軸，否則一個(gè)理想的零點(diǎn)已經(jīng)形成。除了歸一化方向模式，平坦和彎曲天線的絕對增益非常接近。天線在每一個(gè)主平面的實(shí)測已得增益列于表II。最大值對于主E面和主H面在=90，=0，對于二次E面發(fā)生在=0°。圖19：平面和彎曲蝴蝶結(jié)天線的歸一化輻射方向圖的比較：(a)主H面（x-z面）；（b）主

30、E面（x-y面）；（c）二次E面（y-z面）。在圖19中可觀察到，雖然在主E面和主H面模式中有一些漣漪，但在二次E面模式中是非常流暢的。雖然二次E面是平面切割，其具有平行于饋電電纜的旋轉(zhuǎn)軸，但射頻電纜不會(huì)神人到測量的平面，因此由于電纜散射而使在模型中無漣漪。主E面和主H面的旋轉(zhuǎn)軸垂直于天線基板的平面。射頻電纜的部分是在測量的平面上，導(dǎo)致散射、建設(shè)性和破壞性干擾以及測量值的波紋疊加。對于彎曲輪廓蝴蝶結(jié)天線進(jìn)行相同的測量和仿真并得到類似的行為。因此，由于空限制，彎曲輪廓蝴蝶結(jié)天線的這些結(jié)果在這里不再重復(fù)。 表II平坦和彎曲蝴蝶結(jié)天線的實(shí)測已得增益 增益（dBi） 主H面 主E面 二次E面平坦 2.

31、6 2.6 0.3彎曲 2.6 2.6 -0.6 V、總結(jié)兩種蝴蝶結(jié)天線用亞利桑拿州國家大學(xué)的柔性顯示器中心的獨(dú)特柔性材料設(shè)計(jì)和制作的，它們是傳統(tǒng)的和用金屬減少技術(shù)的新型天線。HFSS仿真值和在亞利桑拿州國家大學(xué)電磁波暗室的測量值進(jìn)行比較。輻射方向圖、回波損耗和絕對增益的比較顯示測量值和HFSS仿真值相吻合。固體和輪廓蝴蝶結(jié)天線的回波損耗和輻射參數(shù)的比較驗(yàn)證了這兩種天線的輻射性能無明顯差異。輪廓蝴蝶結(jié)天線的諧振頻率低于固體蝴蝶結(jié)天線，這是由于其增加的電長度。此外，如預(yù)期設(shè)想，輪廓蝴蝶結(jié)天線的增益小于固體蝴蝶結(jié)天線增益的。然而，修改后的天線可更迅速用串行印刷技術(shù)成型。因此，在天線的增益和減少的金

32、屬化間有一個(gè)權(quán)衡值。增益的略微下降是可以接受的，這是對于需要一些少金屬化和快速成型的應(yīng)用而言。經(jīng)驗(yàn)證，柔性顯示器中心金屬的導(dǎo)電損耗在天線的增益中起著重要作用。天線的性能可以通過在制作過程中用一個(gè)較厚的導(dǎo)體進(jìn)行改進(jìn)。用于穩(wěn)定同軸微帶傳輸線連接的支撐結(jié)構(gòu)的類型對天線的諧振頻率有影響。雖然，由于接地面和黃銅間的間隔，三角形支撐引入了一個(gè)導(dǎo)致諧振頻率增加的電容，但是圓筒狀銅管有電感作用。電感的產(chǎn)生是由于銅管內(nèi)部的電流循環(huán)。因此，天線的諧振頻率在新的支撐結(jié)構(gòu)裝配后降低。最后，經(jīng)觀察，如果曲率半徑比天線尺寸大，那么平坦和彎曲天線的回波損耗和輻射方向圖非常接近。在柔性基板上設(shè)計(jì)蝴蝶結(jié)天線的肯定的結(jié)果表明，柔

33、性顯示器中心的技術(shù)對于重構(gòu)靈活性天線陣列是一個(gè)有希望的候選者。參考文獻(xiàn)1 G. B. Raupp, S. M. ORourke, D. R. Allee, S. Venugopal, E. J. Bawolek, D. E. Loy, S. K. Ageno, B. P. OBrien, S. Rednour, and G.E. Jabbour, “Flexible reflective and emissive display integration and manufacturing (invited paper),” Cockpit Future Displ. Def. Secur. v

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51、.New York: Wiley, 1999.Ahmet Cemal Durgun (S09) received the B.S.E.E.and M.S.E.E. degrees from Middle East Technical University, Turkey, Ankara, in 2005 and 2008,respectively, where he completed the double major programin mathematicsandreceivedthe B.S.degree in 2006. He is currently working toward t

52、he Ph.D.degree at Arizona State University, Tempe.His research interests include flexible antennas,high impedance surfaces and computational electromagnetics.Constantine A. Balanis (S62M68SM74F86LF04) received the B.S.E.E. degree from Virginia Polytechnic Institute and State University (VirginiaTech

53、), Blacksburg, in 1964, the M.E.E. degree from the University of Virginia, Charlottesville, in 1966,and the Ph.D. degree in electrical engineering from Ohio State University, Columbus, in 1969.From 19641970 he was with the NASA Langley Research Center, Hampton, VA, and from 19701983 he was with the

54、Department of Electrical Engineering, West Virginia University, Morgantown.Since 1983 he has been with the Department of Electrical Engineering, Arizona State University, Tempe, where he is now Regents Professor. His research interests are in computational electromagnetics, flexible antennas and hig

55、h impedance surfaces, smart antennas, and multipath propagation. He is the author of Antenna Theory: Analysis and Design (Wiley, 2005, 1997, 1982), Advanced Engineering Electromagnetics (Wiley, 2011, 1989) and Introduction to Smart Antennas (Morgan and Claypool, 2007), and editor of Modern Antenna H

56、andbook (Wiley, 2008) and for the Morgan & Claypool Publishers, series on Antennas and Propagation, and series on Computational Electromagnetics.Dr. Balanis is a Life Fellow of the IEEE. He received in 2004 a Honorary Doctorate from the Aristotle University of Thessaloniki, the 2005 IEEE Antennas and Propagation Society Chen-To Tai Distinguished Educator Award, the 2000