文摘

如今,基于结构天线、谐振器和传感器得到了大量关注由于其优良的舒适和灵活性较严格的商业印刷电路板(pcb)。介电常数( )和介电损耗角正切( )衬底材料在他们的频率响应特性有很大的影响。然而,介电损耗的影响通常被忽略,因为传统的无线电频率(RF)设备伪造商业多氯联苯与低得多 。介电损耗相差很大的差异与不同的织物材料,具有重要意义探讨介质损耗频率响应特性的影响。因此,本文系统地研究了衬底上的属性的影响射频微带multiresonator的性能。首先,微带multiresonators不同的模型和是由基于模拟。通过参数化全面,它显示切口深度的关键因素。和越大 ,材料的电磁损耗越大,导致一个较小的切口深度的谐振器。然后,三个代表材料不同数量级的FR-4 (ad - 450: 0.002: 0.015,和牛仔布:0.114)被选出来验证仿真。结果表明,常见的基于结构谐振器有可怜的射频特性的大介电损耗相比商业多氯联苯。本研究可穿戴电子设备的设计具有重要意义与柔性衬底材料介电损耗大。

1。介绍

如今,越来越多的柔性织物等材料(1,2),论文(3,4),和塑料薄膜5]正在取代传统的多氯联苯,用于可穿戴天线,谐振器,传感器,等等。作为一个典型的电路在上面的应用程序中,u型multiresonator的射频性能被广泛讨论。一般而言,介电常数和损耗角正切是至关重要的因素时要考虑设计multiresonator,这将大大影响谐振频率和切口深度。

然而,介电损耗通常被忽视的影响作为基板的介电常数和厚度可以改变谐振频率、带宽和增益在很大程度上(6,7]。Yves-Thierry et al。8)指出,薄底物的高介电常数导致可怜的辐射和狭窄的带宽。另一方面,由于传统的射频设备制造商业多氯联苯与低得多 ,介电损耗通常被忽视的影响。如表所示1,无屑的大多数多氯联苯是低于0.002的应用程序(9- - - - - -12]。然而,它高出一个数量级(> 0.01)灵活的材料,如报纸,塑料,或者常见的面料。因此,研究介质损耗射频性能的影响是必要的,因为传统的pcb电路可能不适合最灵活的材料,如面料。此外,伊斯兰教和Karmakar [13)获得的衰减和之间的关系在模拟(图2.45 GHz1)。结果表明,衰减先是大幅下降,然后缓慢的增加 。然而,从仿真的角度讨论了介电损耗,而且缺乏理论和实验依据。总之,以上研究的确提供了一个基础的射频应用多样灵活的基质。然而,它仍然缺乏一个系统的研究如何衬底材料的介电性能影响射频电路的频率响应特性。

因此,理论计算、仿真和实验验证方法采用本研究系统地研究介电性能对multiresonator的射频性能的影响。首先,微带模型相同的u型multiresonators衬底材料中创建Ansoft基于,和每一个共振频率和切口深度与文献[11证明我们的模拟的准确性。然后,基本基质参数( , )参数化是横扫探索影响射频性能的关键参数。此外,三个代表材料具有不同数量级的损耗角正切选择验证模拟的结论。他们是Alron ad - 4500.002(较低的损失),FR-40.015(介质损耗),和牛仔面料0.114(分别为更高的损失)(16]。

毕竟,介电损耗之间的关系和RF multiresonant电路系统的性能分析研究。它将提供指导设计可穿戴射频设备损耗灵活的材料,尤其是对纺织材料与广泛的介质损失。

2。设计和优化

u型谐振器(也称为发夹谐振器)的一个基本单位multiresonating带阻滤波电路。它由一个微带线和一个四分之一波长谐振器。和微带线提要形成弱耦合的谐振器调节审讯的光谱信号。谐振器的谐振频率和切口深度明显影响过滤质量和信息存储的能力。几何结构和等效电路如图2。

在图2 (b),和分别是等效并联电感和电容系列。一个multiresonant电路包括u型谐振器。所有的谐振器耦合到主微带线,以及彼此之间的耦合效应非常弱,可以忽略通过调整他们的距离。

的长度根据方程(谐振器决定1)[17),其中每个谐振器独立的四分之一波长共振频率( )。有效介电常数的计算方程(2)[18),它是由基体的介电常数和厚度以及输电线路的宽度。 在哪里共振频率,的整数阶共振,有效介电常数,的长度是存根;扩展的当量长度是由于边缘领域,光在自由空间中的传播速度,是基体的介电常数,衬底的厚度,输电线路的宽度。

在这里,一个设计原型11)是利用研究底物性质的影响在射频微带multiresonant电路的性能。的布局设计multiresonator电路如图3。和几何参数的发夹multiresonator表中列出2。

基于四分之一波长谐振原理、u形臂的长度(a)计算根据共振频率和衬底材料的介电常数。也就是说,对于不同的材料,共振频率将即使谐振器的几何参数是相同的。一系列的参数”“是为了让每一个谐振器有一个特定的有效波长和在特定频率产生共鸣。相邻的u形之间的距离( )确定了优化仿真,确保每个之间几乎没有耦合谐振器。因此,根据谐振频率和带宽,上述三个参数可以初步确定。然后,微带线之间的距离和谐振器( )适应调节切口深度。另外,宽度( )由传输线的特性阻抗(方程(3)[18),这是最好的等于天线的输入阻抗和SMA连接器。

的共振模型multiresonator成立于Ansoft基于仿真软件,根据尺寸表2。基材是商业低损耗PCB, ARLON广告与介电常数为4.5 - 450,损耗角正切的0.002,和1.58毫米的厚度。表面电流分布如图4。可以看出,大多数当前的微带线耦合谐振器的分支,造成切口的效果。模拟 - - - - - -multiresonator参数如图所示5。

本文选择了经典的u型multiresonant电路与文献[一样的尺寸和材料11]。通过仿真,基于每个谐振点和相应的S21比较与参考,和结果列在表3。结果表明,最大频率偏差小于2%,与衰减偏差小于9%,这证明了我们的模拟的准确性。

参数化的介电常数和损耗角正切扫地、及其影响谐振频率和切口深度进行了探讨。仿真图中列出的结果6。

图6(一)介电常数的影响在u型multiresonators的共振频率和衰减。共振曲线变化从右到左,但整体形状是相同的。介电常数越大,谐振频率越小。仿真结果表明,介电常数没有明显的切口深度的影响,只有改变谐振频率。图6 (b)介电损耗角正切的影响在u型multiresonators的共振频率和衰减。所有共振频率保持不变,而切口深度不同。在一定范围内,增加了 ,切口深度急剧减少。当大于0.2,切口效应消失,multiresonators不能达到过滤的目的。从上面的仿真,可以得出结论:的底物在切口的深度中起着决定性的作用。

3所示。实验和测量

3.1。实验

在这个研究中,三种衬底材料(ARLON ad - 450 PCB、FR-4 PCB和普通牛仔布)被选为基质材料研究衬底材料特性对射频性能的影响(如图multiresonant电路7)。这些底物的介电性能是衡量分割后介质谐振器(Keysight Technologies, Inc .)。和关键参数表中列出4。

广告- 450 PCB(图7(一)),multiresonator定制了一个电子科技公司(Hontec快速电子有限公司)。衬底材料是低损耗ARLON ad - 450 0.002介电损耗角正切的PCB。

FR-4 PCB(图7 (b)),谐振器是一个传统的臆造出来的腐蚀过程。首先,过滤器结构由一个普通的喷墨打印机打印在纸上。然后,谐振器的布局被转移到PCB表面的铁在高温下。因此,一层碳粉是牢牢地固定到一个特定的位置表面的铜膜。因此,酸腐蚀过程中,保护结构覆盖着碳粉,铜膜在其他领域将被删除。铜的电影FR-4被酸腐蚀FeCl₃解决方案( )。氧化还原反应持续了20分钟,40 ~ 50°C。最后一个过程是在烤箱中清洗和干燥。

牛仔布基板(图7 (c)),铜带粘贴在常见的牛仔面料,和模式multiresonator被切断。这个过程有一定的缺陷有一定偏差的维度multiresonator在手工制造。

3.2。测量

作为一个典型的射频应用程序内的电路,谐振频率和切口深度影响调制信号的过滤质量和信息存储。在这个研究中,共振频率和multiresonators切口深度的测量并与模拟的结果。

测量,首先,multiresonator是安装SMA连接器连接的两个端口安捷伦E5071C ENA(如图8)。其次,完整的双端口校准完成校准设备(安捷伦85052 d(3.5毫米))在测量之前消除仪器误差。然后,样品测定和谐振频率的关系曲线和S21出口。测量和模拟结果的三种multiresonators数据所示9,10,11,分别。

4所示。结果和讨论

本研究的第一步是展示我们的模拟的准确性。的共振模型multiresonator成立于Ansoft基于仿真软件,并与文献[材料和尺寸都是一样的11]。通过模拟,每个谐振点和相应的S21比较参考(如表所示3)。计算后,最大频移不到2%,最大的切口深度变化小于9%。它证明了模拟的方法和结果的准确性,并造成的轻微的偏差应在模拟啮合精度差。

另一方面,通过参数化全面,它已经表明,介电损耗角正切切口深度的关键因素。越大 ,材料的电磁损耗越大,导致一个较小的切口深度的谐振器。然后,三个multiresonators基于ad - 450 ( ),FR-4 ( ),和牛仔布( )伪造验证仿真的结论。

基于ARLON multiresonator广告- 450 PCB(图9),有6急剧下降几乎均匀分布在1.90 GHz ~ 2.20 GHz的频率范围。和切口的深度是5 dB -10分贝的范围。1.88 GHz的共振频率点,1.84 GHz, 2.01 GHz, 2.07 GHz, 2.13 GHz,分别和2.18 GHz。测量结果的最大频移是0.04 GHz相比模拟。整体共振频率偏移率不到2%,这被认为是合理的,因为辐射和环境干扰被忽略了的理想的电磁场仿真。的测量和模拟曲线multiresonator基于ARLON ad - 450 PCB彼此几乎是重合的。这表明multiresonant电路基于ARLON ad - 450最好的过滤效果。模拟和测量结果之间的主要区别是,仿真是一种理想的电磁场,忽略辐射损失。

基于FR-4 multiresonator PCB(图10),还有6明显下降几乎均匀分布在1.90 GHz ~ 2.20 GHz的频率范围。然而,之间有一个大的偏差FR-4 PCB的模拟和测量曲线,这可能是不一致的介电性能的FR-4材料从不同批次或制造商。此外,下降不太尖锐比multiresonators ARLON广告- 450 PCB(图9)。主要原因是材料FR-4比ARLON广告更大的损耗角正切- 450 PCB,和有许多能源浪费在衬底在信号传输。因此,对于相同的谐振器,衬底材料的介电损耗在切口深度有很大的影响,进而影响射频滤波器的性能。

基于共同的multiresonator牛仔面料(图11),没有明显的共振效应在整个共振区与其他两个multiresonators基于ad - 450和FR-4的材料(数据9和10)。在图11,有一些恐慌S21测量曲线,理论上应低于模拟曲线。这可能是由以下原因造成的。一方面,它是不准确的使用织物作为模拟均质材料与特定的介电性能由于大孔隙结构。另一方面,切口深度的原则是四分之一波长u型谐振器耦合微带线形成一个平行RLC谐振电路,这是一种弱耦合效应。随着牛仔织物有一个非常大的损耗角正切(大于0.1),大部分的能量浪费在信号传输中基质内。因此,耦合消失,没有过滤效果。

一般来说,对于一个谐振电路,损失主要分为三类,他们大部分损失,介电损耗和辐射损失分别(方程(4)[19])。其中,导体损失密切相关的表面电阻导体。介电损耗正比于衬底材料的介电损耗角正切。辐射损失通常是影响金属导体的电导率和皮肤深度。 在哪里 , 表面电阻; , 谐振频率;和 , 导体的导电率。

这三个谐振器的导体材料是铜,尽管厚度是不同的。然而,在2 GHz,理论皮肤深度是1.5μ米后计算。铜的厚度电影(18μ米)远远大于3倍的理论皮肤深度,它不会影响导体损失。因此,对于这三个谐振器与不同衬底材料、导体损耗和辐射损失是完全相同的,以及这些multiresonators射频性能的差异只是进行介质损耗的基质。

表5衬底的参数用于基于结构射频设备。它显示了常见的服装面料的介质损耗正切是非常大的(0.01以上),和新高性能面料如聚酰胺或芳纶,介质损耗正切小如商业低损耗多氯联苯(如表所示1)。牛仔面料在这个研究的介质损耗是一到两个数量级比商业多氯联苯。因此,没有达到过滤的效果。因此,选择合适的材料是具有重要意义的设计。

5。结论

在这个研究中,理论计算、仿真和实验进行了系统地讨论介电损耗的影响在u型multiresonators的射频性能。结果表明,介电常数只能改变谐振频率,而介电损耗角正切的切口深度的关键因素是谐振电路。越大 ,较弱的切口深度,导致一个糟糕的过滤质量。最常见的面料为服装大介电损耗不适合multiresonant电路的衬底材料。低损失面料制成的高性能聚酰胺等合成纤维和芳纶(凯夫拉尔®如果设计得当)预计将被选中。总之,本文基于结构的材料选择或开发提供指导灵活的电子设备。

数据可用性

(数据类型)的数据用于支持本研究的结果中包括这篇文章。

的利益冲突

没有报告的作者潜在的利益冲突。

确认

这项工作是财务支持的上海高水平大学建设项目(e1 - 2602 - 21 - 201006 - 1),上海智能医疗设备的基础和积极健康协同创新中心,和三年行动计划上海公共卫生体系建设重点学科建设项目(项目号gwv - 10.1 - xk05)。