Исследование возможности создания эффективных излучателей на тонкослойных проводящих чернилах
Введение
В настоящее время технологии печати проводящими чернилами на разных подложках уделяется большое внимание. Печать чернилами оказывается более гибким, дешевым и экологически чистым методом изготовления различных элементов электронных схем в сравнении с традиционной микрополосковой технологией. Кроме того, в качестве подложки для чернил можно использовать различные подложки на основе целлюлозы, являющейся возобновляемым ресурсом.
Среди исследований в этой области за последние годы появились работы по исследованию печатных антенн на проводящих чернилах (см., например, [1-5]). Эти работы мотивированы тем, что излучатели на чернилах можно успешно использовать в ряде приложений. Например, в [1] предложено использовать сверхширокополосные антенны на проводящих чернилах в диапазоне частот вплоть до 10 ГГц для широкополосных беспроводных сенсорных сетей нового поколения. В [2] описано применение печатной технологии для изготовления двухчастотных двухслойных микрополосковых антенн как демонстрацию возможностей изготовления многослойных микроволновых устройств, состоящих из последовательно печатаемых слоев разных материалов, в частности, из проводящих чернил и пленки полиимида. Полученная этим способом антенна имеет двухчастотный отклик в диапазоне 4.8 - 5.8 ГГц. В работе [3] описан метод проектирования печатной антенны на бумажной подложке, основанный на высокоточном измерении электрических характеристик бумаги и проводящих чернил. Спроектированная на основе такого подхода антенна была изготовлена методом флексографической печати для работы в Wi-Fi диапазоне. Флексография является методом прямой печати, при которой форма, покрытая чернилами, переносит изображение непосредственно на печатную поверхность. Фотополимерная форма является гибкой, от нее и название этого метода печати. Антенна имеет центральную частоту 2.45 ГГц и эффективность 72%. Проектирование и применение печатных антенн на проводящих чернилах в системах радиочастотной идентификации (RFID) описано в [4-5]. Это направление является, вероятно, наиболее перспективным для широкого применения на практике инновационной технологии проводящих чернил, так как при этом становится возможным организовать массовое производство печатных излучателей на гибких дешевых подложках в качестве антенн тэгов (меток). В частности, в [4] представлена печатная антенна тэга на РЕТ подложке, имеющая рабочую полосу 0.75 - 1.05 ГГц и усиление 1.9 дБ. Такая полоса перекрывает все рабочие диапазоны RFID, принятые в Европе, Америке и Азии. В статье [5] дается анализ стоимости различных коммерчески доступных проводящих чернил, имеющих разную электрическую проводимость. Определяется минимальный требуемый объем разных типов чернил для достижения максимальной эффективности антенн. Показано, что расход чернил можно сократить для чернил с максимальной проводимостью. Однако при этом стоимость печатных антенн может быть не самой малой, так как чернила с большей проводимостью являются и более дорогими.
В большинстве публикаций описываются антенны на чернилах с толщиной проводящего слоя порядка нескольких микрон, вплоть до толщины скин-слоя (10-11 микрон). Такие толщины требуют нескольких проходов принтера и увеличенного расхода чернил, что удорожает напечатанное устройство. Поэтому интерес представляет исследование возможности создания эффективных и дешевых печатных излучателей с толщиной чернильного слоя порядка полмикрона, которые не требуют увеличенного объема чернил и позволяют в большей степени использовать преимущества новой технологии. В таких субмикронных проводящих слоях ток распределен по толщине почти равномерно, и это надо учитывать при моделировании устройств.
Конкретно, в данной работе мы исследуем излучатели, напечатанные чернилами на основе наночастиц серебра, на двух типах подложек: на пленке полиимида и на бумаге. При этом излучатели на бумаге представляют большой практический интерес с учетом прогресса в технологии производства бумаги улучшенного качества [6] и возможности использования технологии печати чернилами в массовом производстве гибких и дешевых тэгов в системах RFID.
1. Моделирование
В качестве печатной антенны было предложено исследовать квадратный кольцевой (петлевой) излучатель резонансного типа с периметром, примерно равным длине волны, настроенный на работу в диапазоне частот 2….3 ГГц. В качестве материала подложек были выбраны бумага и полиимид. Оба типа подложек могут использоваться для печати на них антенн из проводящих чернил. Кроме того, для сравнения была смоделирована также обычная антенна с медным проводником.
Антенна на подложке из бумаги
Модель антенны показана на рис.1. Внешний размер кольца 36 мм, внутренний - 30 мм, ширина проводника кольца 3мм. Небольшой отрезок печатной двухпроводной линии, соединяемый с коаксиальным кабелем на торце, служит для возбуждения антенны.
Рис.1. Модель печатной кольцевой антенны из чернил на бумаге
Проводящим слоем является тонкий слой чернил толщиной примерно 0.5 микрона, что в несколько раз меньше толщины скин-слоя в рассматриваемом диапазоне частот. При этом ток внутри проводящего слоя распределен почти равномерно по его толщине. С учетом этого при моделировании область внутри тонкого проводника также включена в область решения. Проводимость проводящего слоя в модели антенны у = 1.4*106 Сим/м (соответственно скин-слой Д=8.5 микрона) задана, исходя из измеренного удельного сопротивления (в ом/квадрат) напечатанного отрезка линии на бумажной подложке. Электрические характеристики бумаги, заданные в модели: е =3, tgд = 0.07 [1]. Толщина бумаги является параметром и при моделировании варьируется в некоторых пределах. Предполагается, что для придания определенной жесткости антенне бумага с напечатанным излучателем расположена на пластинке пенопласта Rohacell 31HF толщиной 2 мм и с диэлектрической проницаемостью е =1.1. Слой двустороннего скотча, которым бумага приклеивается к пенопласту, в модели не учитывается.
Зависимость рассчитанного коэффициента отражения от частоты для трех разных толщин бумаги представлена на рис. 2. Видим, что изменение толщины бумаги в указанных пределах приводит лишь к небольшому сдвигу резонансной частоты и незначительному изменению величины отражения в минимуме кривой согласования.
Рис.2. Частотная зависимость коэффициента отражения антенны на рис. 1 для разных значений толщины бумажной подложки
На рис.3 показаны пространственная диаграмма направленности излучения и ее сечения в главных плоскостях ц=0 (XOZ) и ц=90? (YOZ) для антенны на рис. 1, напечатанной на бумажной подложке толщиной 0.1 мм.
Рис.3. Пространственная диаграмма направленности излучения и ее сечения в двух главных плоскостях на частоте 2.4 ГГц
Направление максимального излучения совпадает с нормалью к плоскости антенны (и=0 и и=180?). На данной частоте максимальная направленность 2.07 или 3.15 дБ. Расчет других радиационных характеристик показывает, что при этом максимальное значение усиления в том же направлении без учета рассогласования равно 1.15 или 0.61 дБ, а эффективность излучения составляет 0.55. Таким образом, низкий коэффициент усиления антенны в сравнении с ее направленностью обусловлен небольшой радиационной эффективностью, которая, в свою очередь, определяется низкой проводимостью чернил на бумажной подложке и сравнительно большими омическими потерями в данной антенне.
В дополнение, на рис. 4 представлены рассчитанные значения эффективности печатных антенн для тех же толщин бумаги: эффективность согласования, эффективность излучения и полная эффективность (кпд), определяемая как произведение первых двух. При этом эффективность согласования определяется из частотных характеристик отражения на рис.2, а эффективность излучения рассчитывается на основе характеристик излучения соответствующих антенн.
а б
в
Рис.4. Эффективность печатных антенн для разных толщин бумажной подложки в полосе частот: а - эффективность согласования, б - эффективность излучения, в - полная эффективность (trace 1 - толщина 0.1мм, trace 2 - толщина 0.2мм, trace 3 - толщина 0.3мм)
Следует отметить, что эффективность печатной антенны на бумаге слабо зависит от ее толщины в рассмотренных пределах от 0.1 до 0.3 мм. Низкая полная эффективность (около 0.4) обусловлена, в основном, низкой проводимостью чернил и большими омическими потерями в антенне. Для увеличения проводимости следует использовать подложку более высокого качества. Кроме того, для повышения кпд антенны следует улучшать ее согласование в рабочей полосе частот.
2.Антенна на подложке из полиимида
В качестве более эффективного излучателя была предложена антенна из тех же проводящих чернил и примерно с той же толщиной проводящего слоя 0.5 микрона, напечатанная на пленке полиимида. Модель антенны показана на рис.5. Она имеет тот же дизайн и размеры, что и антенна на бумаге, рассмотренная выше. Электрические параметры полиимида, заданные в модели: е =3.5, tgд = 0.008. Толщина подложки принимает два значения: 0.125 мм и 0.25 мм. Проводимость слоя чернил у = 1.6*107 Сим/м (соответственно скин-слой Д=2.5 микрона) в этом случае выше, что обусловлено его более низким удельным сопротивлением на данной подложке.
Рис.5. Модель печатной кольцевой антенны из чернил на полиимиде
Зависимость рассчитанного коэффициента отражения от частоты для двух толщин пленки полиимида представлена на рис. 6. Как и в случае бумажной подложки, изменение толщины слоя полиимида в данном случае приводит лишь к небольшому сдвигу резонансной частоты и незначительному изменению величины отражения в минимуме кривой согласования.
На рис.7 показаны пространственная диаграмма направленности излучения и ее сечения в двух главных плоскостях ц=0 (XOZ) и ц=90? (YOZ) для антенны, напечатанной на пленке полиимида толщиной 0.125 мм. По форме и значениям направленности излучения эта диаграмма практически та же, что и на рис.3.
Рис.6. Частотная зависимость коэффициента отражения антенны на рис.5 для двух значений толщины подложки из полиимида
Максимальная направленность 2.08 или 3.18 дБ на частоте 2.4 ГГц. Расчет других радиационных характеристик показывает, что при этом максимальное значение усиления антенны без учета рассогласования равно 1.91или 2.80 дБ, а эффективность излучения составляет 0.92. Таким образом, данная антенна имеет более высокий коэффициент усиления благодаря более высокой эффективности излучения. Как отмечалось выше, это обусловлено более высокой проводимостью чернил на подложке из полиимида.
Рис.7. Диаграмма направленности излучения и ее сечения в двух главных плоскостях на частоте 2.4 ГГц
На рис. 8 представлены рассчитанные составляющие эффективности печатной антенны на полиимиде. В этом случае эффективность излучения почти не ависит от толщины подложки, а полная эффективность выше для более толстой подложки за счет более высокой эффективности согласования.
Рис.8. Эффективность антенны на рис. 5 в диапазоне частот для двух толщин подложки из полиимида: красный цвет - эффективность излучения, синий цвет - эффективность согласования, зеленый цвет - полная эффективность. Сплошные линии - толщина 0.125 мм, штрихи - толщина 0.25мм
Сравнивая с рис. 4, отмечаем, что печатная антенна на полиимиде почти в 2 раза более эффективная, чем аналогичная печатная антенна на бумаге.
3.Антенна из медной фольги на полиимиде
В качестве антенны с эффективностью излучения, близкой к 1, была рассмотрена кольцевая антенна с обычным проводником из меди на той же подложке из полиимида. Антенна имеет те же размеры, что и рассмотренные выше печатные антенны на чернилах. В качестве проводника служит самоклеющаяся медная фольга с толщиной медного слоя около 40 микрон и клеевым слоем около 60 микрон, которая наклеивается на подложку из полиимида. Модель антенны показана на рис. 9. Для моделирования в заданном диапазоне частот диэлектрическая проницаемость и потери в акриловом клеевом слое заданы соответственно е=3, tgд=0.4. (Следует отметить, что имеющиеся данные об электрических характеристиках акрилового клея относятся к сравнительно низким частотам порядка 1 МГц, и поэтому остается вопрос о его характеристиках в исследуемом диапазоне 2-3 ГГц. С учетом этого принятые в нашей модели характеристики клеевого слоя следует рассматривать лишь как предполагаемые и ориентировочные). максимальное значение направленности 2.095 или 3.21 дБ.
Рис. 9. Модель антенны из медной фольги на пленке полиимида
Частотная зависимость коэффициента отражения для двух толщин пленки полиимида представлена на рис. 10. На рис.11 показаны пространственная диаграмма направленности излучения и ее сечения в двух плоскостях для антенны на подложке толщиной 0.125 мм на частоте 2.4 ГГц. На данной частоте
Рис.10. Коэффициент отражения антенны на рис. 9 для двух толщин пленки полиимида
Рис. 11. Диаграмма направленности излучения антенны на рис. 9 для толщины подложки 0.125 мм на частоте 2.4 ГГц
Расчет других характеристик излучения показывает, что при этом максимальное значение усиления антенны без учета рассогласования равно 2.06= 3.14дБ, а эффективность излучения составляет 0.98. На рис. 12 представлены рассчитанные значения составляющих эффективности антенны из медной фольги на пленке полиимида 0.125 мм.
Рис.12. Эффективность антенны на рис. 9 в диапазоне частот: красный цвет -эффективность излучения, синий цвет - эффективность согласования, зеленый цвет - полная эффективность
Сравнивая рис.12 и рис. 8, можем заметить, что при заданных параметрах модели эффективность излучения печатной антенны из проводящих чернил на пленке полиимида немного меньше в сравнении с антенной из медной фольги на той же подложке. Таким образом, результаты моделирования показывают, что печатные антенны из чернил с толщиной проводящего слоя порядка 0.5 микрона на тонких пленках полиимида являются вполне эффективными излучателями в исследуемом диапазоне частот.