3. Изготовление и тестирование прототипов
В рамках данного исследования были изготовлены и протестированы несколько образцов антенн, напечатанных серебряными чернилами на подложках двух типов: на пленке полиимида толщиной 0.125 мм и на бумаге толщиной 0.1 мм. Для иллюстрации на рис. 13 представлены фото двух образцов, изготовленных на подложках из полиимида и бумаги. Пленка полиимида имеет некоторый остаточный радиус изгиба, но, предположительно, эта деформация не оказывает заметного влияния на характеристики напечатанных на ней антенн, которые, в основном, сохраняют ожидаемые характеристики, полученные из плоской модели. Антенны на бумаге наклеивались на пластинки пенопласта марки Rohacell31 HF толщиной 2 мм для придания им необходимой механической жесткости в процессе тестирования. Для сравнения была изготовлена также антенна из медной фольги на подложке из полиимида (рис.14).
Рис.13. Образцы печатных антенн из проводящих серебряных чернил на пленке полиимида (слева) и на бумаге (справа)
Рис.14. Образец антенны из медной фольги на пленке полиимида
Для присоединения антенн к коаксиальному кабелю и измерительному устройству использовались SMA разъемы типа SP-2150 фирмы Radiolab. Надо отметить, что в отсутствие симметрирующего устройства (балуна) для данного типа излучателя с двухпроводной балансной возбуждающей линией, в принципе, может существовать эффект затекания токов на кабель и его влияние на характеристики излучателя. Однако во всех проведенных тестах было отмечено достаточно слабое влияние этого эффекта на частотную характеристику в рабочей полосе частот в окрестности резонансной частоты. Влияние токов на кабеле становилось заметным только за пределами рабочей полосы излучения. Известно, что подавить токи на кабеле в некоторой полосе частот можно путем использования т.н. четвертьволнового стакана (дросселя), который располагается на подводящем кабеле вблизи разъема. Однако для целей данной работы было достаточно испытать антенны с присоединенным разъемом, как показано на рис. 13, 14, и без использования дополнительного приспособления-дросселя на коаксиальном кабеле. Все изготовленные образцы были протестированы с точки зрения их частотных характеристик. В силу их подобия и в целях сокращения объема статьи здесь представлены результаты только для одного образца каждого типа. На рис. 15 показаны измеренная и расчетная характеристики для печатной антенны на бумаге, а на рис. 16 - на пленке полиимида. Кроме того, на рис. 17 приведены соответствующие характеристики для антенны из медной фольги. Измерения проводились с помощью СВЧ анализатора цепей AgilentTechnologies №5242A (ЗАО «Акметрон»).
Рис.15. Характеристика согласования для печатной антенны на бумаге
Рис.16. Характеристика согласования для печатной антенны на пленке полиимида
Рис.17. Характеристика согласования для антенны из медной фольги на пленке полиимида (на рис.14)
Возможные причины расхождения расчетных и экспериментальных данных:
- некоторое отличие реальных параметров подложек (толщина, диэлектрическая проницаемость) от величин, заданных в модели;
- небольшой изгиб пленки полиимида для антенн, изготовленных на ней;
- недостаточно точные данные относительно проводимости чернил в печатной антенне;
- отсутствие электрических характеристик используемых клеевых слоев в исследуемом диапазоне частот;
- влияние разъемов на согласование;
- влияние отрезка возбуждающего кабеля, примыкающего к разъему и к антенне.
Надо отметить, что на данном этапе исследования у авторов не было возможности провести измерения диаграммы направленности и радиационных характеристик антенн и сравнить их с расчетными данными. Однако можем предполагать, что характеристики излучения печатных антенн достаточно точно определяются по результатам моделирования, представленным выше. Об этом также свидетельствуют и результаты сопоставления измеренных и расчетных характеристик излучения в других опубликованных исследованиях в этой области, обзор которых приведен во Введении.
Выводы
В данной работе изложены результаты исследования печатных антенн из проводящих серебряных чернил с точки зрения возможности создания на их основе эффективных излучателей в СВЧ диапазоне. Эти результаты показывают, что антенны из чернил на пленках полиимида имеют достаточно малые омические потери и высокую радиационную эффективность, сравнимую с эффективность обычной антенны с проводниками из меди. Антенны из чернил на бумаге на данном этапе показали недостаточную эффективность. Предполагается, что эффективность таких антенн можно значительно повысить при использовании более качественных бумажных подложек, типа Arjowiggins Creative Papers(PowerCoat Paper, см.[6]) при сохранении малой стоимости.
Основной областью использования на практике эффективных и дешевых излучателей на чернилах могут стать антенны тэгов (меток) в различных системах RFID. В настоящее время для их изготовления используются медные проводники, что увеличивает стоимость тэгов и всей системы. При замене традиционной технологии медных проводников на инновационную технологию печати проводящими чернилами на бумажных подложках RFID системы могут получить широкое и повсеместное распространение.
Авторы благодарят сотрудников компании ЗАО «Акметрон» Артема Рябокуля и Антона Кроля за возможность использования измерительного оборудования компании и помощь в проведении измерений.
Литература
антенна частотный радиационный полиимид
1. G. Shaker, S. Safavi-Naeini, N. Sangary, and M. M. Tentzeris. Inkjet Printing of Ultrawideband (UWB) Antennas on Paper-Based Substrates. // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 10, 2011, p.111-114.
2. K. Kirschenmann, K. W. Whites, and S. M. Woessner. Inkjet Printed Microwave Frequency Multilayer Antennas. // Antennas and Propagation Society International Symposium, IEEE, 2007, p. 924-927.
3. I. Kharrat, G. Eymin Petot Tourtollet, J.-M. Duchamp, Ph. Benech, P. Xavier, and T-P. Vuong. Design and Realization of Printed on Paper Antennas. // Proceedings of 7th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 2013, p. 3199-3202.
4. G. A. Casula, G. Montisci, and G. Mazzarella. A Wideband PET Inkjet-Printed Antenna for UHF RFID. // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 12, 2013, p.1400-1403.
5. P. Pongpaibool. A Study of Cost-Effective Conductive Ink for Inkjet-Printed RFID Application. // Proceedings of ISAP2012, Nagoya, Japan, POS2-55, p.1248-1251.
6. Energizing paper. [Электронный ресурс]. URL: http://www.powercoatpaper.com