СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГИБКОЙ АНТЕННЫ Российский патент 2024 года по МПК H01Q9/20 

Изобретение относится к элементам электрического оборудования, а именно к получению антенн с двумя коллинеарными, достаточно прямолинейными активными элементами, образованными из электропроводящего слоя на основе оксида графена на диэлектрической подложке из полиуретана.

Известен способ изготовления гибких антенн [https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9881398], при котором на 3D принтере последовательно печатают подложку со 100% заполнением из шелковых (BioFila silk) и льняных филаментов с коэффициентами диэлектрической проницаемости ε_r=2,2432 и ε_r=2,6826 на 11,6 ГГц и 7,8 ГГц соответственно. Затем на подложке с помощью 3D принтера печатают электропроводящие элементы антенны из филамента с графеном и к их концам прикрепляют SMA разъем с помощью серебряной эпоксидной смолы.

Коэффициент отражения S₁₁ полученных антенн не ниже -20 дБ.

Недостатками известного способа являются сложность двухэтапной многоуровневой 3D печати,

Известен способ получения гибких антенн методом трафаретной печати на полиимидной подложке (Kapton HN; DuPont; США; толщина 76 мкм) с использованием полуавтоматического трафаретного принтера DEK Horizon 03i (DEK International, Великобритания) [https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/7882657]. Чернила для печати в виде чешуек графена готовят путем формирования графеновых чернил из дисперсий графена и связующего под нагреванием до 75 градусов с соотношением графена к связующему 1:2. Графеновые чернила наносят на подложку методом трафаретной печати с использованием полиуретанового ракеля под углом 45° при скорости печати 50 мм/с с последующей сушкой на воздухе при температуре 100°С в течение 5 минут. Далее печатные структуры подвергают термическому отжигу при температуре 350 °С в течение 30 минут на воздухе и прокатывают под давлением. Толщина электропроводящих элементов составляет 10 мкм, а поверхностное сопротивление равно 4 Ом/кв. Коэффициент отражения S₁₁ полученных антенн не ниже -30 дБ.

Недостатком указанного способа является сложность способа, связанная с формированием графеновых чернил.

Известен, принятый за прототип, способ изготовления гибкой графеновой антенны, состоящей из подложки, излучателя и заземляющего слоя [CN 105119046 A, МПК H01B1/04, H01Q1/36; H01Q1/38; H01Q1/48, опубл. 02.12.2015]. Предварительно изготовленную 3D-печатную форму из акрилонитрилбутадиенстирола (АБС) или полилактида (ПЛА) заполняют перемешанным полидиметилсилоксаном и после затвердевания помещают её в вакуумную сушильную камеру (DZF-6021, Shanghai Suo Pu Instrument Ltd.), где при холодном вакуумировании удаляют пузырьки воздуха и отверждают при комнатной температуре, затем извлекают из формы и получают подложку. Излучатель и заземляющий слой изготавливают из графеновых чернил (Grat-Ink-101N, BGTMaterialsLimited) методом трафаретной печати, сушат до затвердевания при 80ºС в течение 6 минут и прессуют с коэффициентом сжатия 50% для уменьшения поверхностного сопротивления. Далее на поверхность подложки наносят адгезивный агент и приклеивают излучатель с одной стороны подложки и заземляющий слой с другой стороны подложки. После этого к подложке с нанесенным излучателем и заземляющим слоем с помощью проводящего серебряного клея на основе эпоксидной смолы YC-01 (Co., Ltd of Nanjing Heineken) прикрепляют разъем SMA. Поверхностное сопротивление излучателя и заземляющего слоя составляет 3,6 Ом/кв, резонансная частота полученной антенны составляет 2,45 ГГц, коэффициент стоячей волны на резонансной частоте равен 1,28, коэффициент отражения на резонансной частоте составляет - 32 дБ.

Недостатком известного способа является его сложность, плохая адгезия графеновых чернил к подложке и их неустойчивость к механическому воздействию.

Техническим результатом предложенного изобретения является создание способа получения гибкой антенны на подложке из термопластичного полиуретана.

Предложенный способ изготовления гибкой антенны, так же как в прототипе, включает использование подложки из полимерного материала, на одной стороне которой формируют излучающий слой из материала на основе графена, сушку и прикрепление высокочастотного разъема.

Согласно изобретению в качестве подложки из полимерного материала используют подложку из термопластичного полиуретана. Для формирования излучающего слоя используют дисперсию оксида графена с концентрацией 4 мг/мл, которую перемешивают при воздействии ультразвука мощностью 120 Вт, частотой 40 кГц в течение 10 минут и наносят капельным методом на поверхность подложки с плотностью 90 мкл дисперсии на 1 см² поверхности и сушат при комнатной температуре. Затем область полученного покрытия подвергают лазерной обработке с длиной волны 438 нм, с размером лазерного пятна 150х350 мкм, с энергией 175 мДж за импульс, длительностью импульса 0,2 мс, с частотой импульсов 2,8 кГц, при времени обработки одной точки покрытия 1,2 мс, формируя два равных прямоугольника, симметрично расположенных относительно необработанной полосы по середине. Затем промывают в воде и сушат на воздухе при комнатной температуре, получая два прямоугольных электропроводящих излучателя, к близлежащим сторонам которых прикрепляют высокочастотный разъем.

Оксид графена является соединением углерода, кислорода и водорода, получаемым путем окисления графита. Углерод в оксиде графена находится в sp³ гибридизации, что объясняет его диэлектрические свойства. Лазерная обработка покрытия из оксида графена вызывает его частичное или полное восстановление, удаляя кислородсодержащие функциональные группы и переводя углерод в sp² гибридизацию. В результате такой обработки восстанавливается электропроводимость покрытия и формируется восстановленный оксид графена. Кроме того, сфокусированное лазерное излучение нагревает полимерную подложку под покрытием из оксида графена, что вызывает ее плавление с образованием ванны расплава. Под воздействием градиента температур (эффект Марангони) расплав полиуретана перемешивается с восстановленным оксидом графена, и после остывания формируются электропроводящие излучатели, содержащие восстановленный оксид графена, распределенный в полимерной матрице, обладающий гибкостью подложки.

Полученные электропроводящие излучатели гибкой антенны имеют толщину 25 мкм и обладают поверхностным сопротивлением 135 Ом/кв.

По сравнению с прототипом, предложенный способ технологически проще и позволяет получить гибкую антенну, у которой электропроводящие излучатели интегрированы в подложку из полиуретана, что увеличивает их устойчивость к механическому воздействию.

На фиг. 1 показана гибкая антенна, вид сверху, где 1 – подложка из термопластичного полиуретана, 2 – электропроводящие излучатели, 3 – SMA-разъем, прикрепленный на два контакта с помощью серебряной пасты.

На фиг. 2 показан спектр коэффициента отражения (S₁₁) полученной антенны.

На фиг. 3 показан спектр коэффициента стоячей волны полученной антенны.

На фиг. 4 показано изображение сканирующей электронной микроскопии среза гибкой антенны, где 1 – подложка из термопластичного полиуретана, 2 – электропроводящий излучатель.

Использовали водную дисперсию оксида графена с концентрацией 4 мг/мл (Graphenea, Испания). Флакон с дисперсией оксида графена помещали в ультразвуковую ванну мощностью 120 Вт и частотой 40 кГц на 10 минут для лучшей дисперсности. После ультразвуковой ванны дисперсию оксида графена наносили капельным методом на 3D печатную подложку 1 из термопластичного полиуретана (Bestfilament, Россия) из расчета 90 мкл дисперсии на 1 см² поверхности подложки и сушили при комнатной температуре в вытяжном шкафу.

Сухую подложку 1 с нанесенным покрытием из оксида графена поместили внутрь лазерного гравера с длиной волны 438 нм. С помощью линзы настроили фокусное расстояние лазерного диода так, чтобы на поверхности покрытия достигался минимальный размер лазерного пятна, равный 150х350 мкм. Используемая энергия импульса составляла 175 мДж за импульс. Длительность импульса составляла 0,2 мс, частота импульсов была равна 2,8 кГц, время обработки одной точки покрытия составляло 1,2 мс. Для лазерной обработки поверхности подложки с нанесенным покрытием был использован шаблон в виде двух прямоугольников размерами 25х17 мм, которые расположены на расстоянии 2 мм от их больших сторон. После лазерной обработки образец промыли в воде, затем высушили на воздухе при комнатной температуре, получив электропроводящие излучатели 2.

К электропроводящим излучателям 2 с помощью серебряной пасты прикрепили высокочастотный SMA-разъем 3 на два контакта, получив гибкую антенну.

Анализ поверхностного сопротивления электропроводящих излучателей 2 гибкой антенны проводили с помощью микрозондовой станции MST 4000A (MS Tech Korea Co Ltd, Южная Корея). Измерительные зонды располагали в форме квадрата на расстоянии 400 мкм между собой. Электрические характеристики измеряли на потенциостате-гальваностате Р-45Х (Electrochemical instruments, Россия). Электропроводящие излучатели 2 полученной гибкой антенны обладают поверхностным сопротивлением 135 Ом/кв.

Исследование полученной гибкой антенны провели с использованием двухпортового векторного анализатора цепей Arinst VNA-DL 1-8800 MHz (Arinst, Россия). Анализ проводили, оценивая интенсивность резонансного пика антенны и коэффициент стоячей волны в резонансе. Исследование показало (фиг. 2, 3), что антенна обладает коэффициентом отражения S₁₁ = - 26 дБ и коэффициентом стоячей волны КСВ = 1,3 на частоте 7,7 ГГц.

Формирование электропроводящих излучателей подтверждено исследованием с помощью сканирующего растрового микроскопа с электронным и сфокусированными пучками QUANTA 200 3D (FEI Company, США). Снимки в высоком разрешении (фиг. 4) показали, что толщина электропроводящих излучателей 2 на поверхности полиуретана 1 составляет 25 мкм.

Изобретение относится к антенной технике, а именно к способам изготовления антенн, образованных из электропроводящего слоя на основе оксида графена на диэлектрической подложке из полиуретана. Технический результат - устойчивость гибкой антенны к механическому воздействию. Результат достигается тем, что предложен способ изготовления гибкой антенны, включающий использование подложки из полимерного материала, на одной стороне которой формируют излучающий слой из материала на основе графена, сушку и прикрепление высокочастотного разъема, отличающийся тем, что в качестве подложки из полимерного материала используют подложку из термопластичного полиуретана, для формирования излучающего слоя используют дисперсию оксида графена, которую перемешивают при воздействии ультразвука и наносят капельным методом на поверхность подложки, сушат при комнатной температуре, затем область полученного покрытия подвергают лазерной обработке, формируя два равных прямоугольника, симметрично расположенных относительно необработанной полосы посередине, затем промывают в воде и сушат на воздухе при комнатной температуре, получая два прямоугольных электропроводящих излучателя, к близлежащим сторонам которых прикрепляют высокочастотный разъем. 4 ил.

Способ изготовления гибкой антенны, включающий использование подложки из полимерного материала, на одной стороне которой формируют излучающий слой из материала на основе графена, сушку и прикрепление высокочастотного разъема, отличающийся тем, что в качестве подложки из полимерного материала используют подложку из термопластичного полиуретана, для формирования излучающего слоя используют дисперсию оксида графена с концентрацией 4 мг/мл, которую перемешивают при воздействии ультразвука мощностью 120 Вт, частотой 40 кГц в течение 10 минут и наносят капельным методом на поверхность подложки с плотностью 90 мкл дисперсии на 1 см² поверхности, сушат при комнатной температуре, затем область полученного покрытия подвергают лазерной обработке с длиной волны 438 нм, с размером лазерного пятна 150×350 мкм, с энергией 175 мДж за импульс, длительностью импульса 0,2 мс, с частотой импульсов 2,8 кГц, при времени обработки одной точки покрытия 1,2 мс, формируя два равных прямоугольника, симметрично расположенных относительно необработанной полосы посередине, затем промывают в воде и сушат на воздухе при комнатной температуре, получая два прямоугольных электропроводящих излучателя, к близлежащим сторонам которых прикрепляют высокочастотный разъем.