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【奋进新征程】《自然•通讯》刊发南邮团队在柔性射频天线领域研究进展
发布时间: 2023-01-19 浏览次数: 37 文章来源: 电子与光学工程学院、柔性电子(未来技术)学院,科学技术处

  近日,77779193永利有机电子与信息显示国家重点实验室黄维院士、赵强教授团队和射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室刘蕾蕾教授团队在柔性射频天线领域取得重要进展,优化了“分子胶水”界面改性工艺和先进挤压印刷技术相结合的策略,构建了柔性超宽带Ti3C2单极子天线,实现了在弯曲状态下流畅实时的无线通信传输。1月17日,相关成果以“2D Titanium carbide printed flexible ultra-wideband monopole antenna for wireless communications”为题发表在国际学术期刊Nature Communications(《自然•通讯》)上。77779193永利为论文的唯一通讯单位,刘蕾蕾教授、赵强教授和黄维院士为共同通讯作者,赵为为副教授和倪浩博士为共同第一作者。这是我校材料、电子、通信三个优势学科团队共同合作在“柔性电子”交叉学科领域取得的重要研究成果。

  近年来,随着物联网、可穿戴设备、植入式电子等新兴技术蓬勃发展,柔性无线通信设备引起学术界与产业界的广泛关注,对“轻、薄、柔”天线组件的需求快速增加。传统天线多由高密度的金属组成,其较大的质量和复杂的制造工艺限制了在柔性无线通信领域的应用。为满足该领域快速发展的应用需求,有针对性地设计、制备具有质量轻、可共形的柔性射频天线是无线通信领域持续发展的动力,也是这一领域研究的关键。

  得益于良好的亲水性、易于调整的流变范围、可在多种溶剂中形成稳定分散体等特性,Ti3C2墨水可作为印刷与图案化制造领域的常用材料。二维Ti3C2超薄纳米材料具有高电导率、轻质柔性、易加工等优点,非常符合柔性无线通信器件的制备和使用要求,但目前关于Ti3C2天线的研究成果存在结构受限、组成复杂、生产工艺粗糙等缺陷,很大程度上限制了其在柔性无线通信器件方向的应用。因此,简化天线层级结构、提高器件制备精度、提升天线柔性和稳定性等成为Ti3C2柔性射频电路实用道路上亟待解决的关键核心问题。

  针对介质衬底和无添加剂Ti3C2油墨的共形集成受到限制这一问题,该工作提出“分子胶水”界面改性工艺,采用聚多巴胺分子对柔性介质基板进行改性,增强了印刷的Ti3C2传输层与介质基板表面的粘附作用力,制备了具有高空间均匀性的柔性超宽带Ti3C2单极子天线,实现了优异的弯折稳定性与实时的信息传输效果。通过改变墨水浓度、印刷层数等参数,可以进一步调节天线传输性能,实现可控的无线信息传输功能。

  物联网系统的发展不仅要求无线射频电路和天线之间进行无缝集成,同时要求其能够在宽频段进行设备间的通信。柔性Ti3C2天线的发展将促进该领域的快速发展。该工作制备的柔性超宽带Ti3C2单极子天线工作频段为1.7 GHz-4.0 GHz,涵盖了WLAN、蓝牙、5G (n41、n78)频段,与传统Cu天线相当,可以完整、快速、实时地传输视频信号。当在弯曲状态和平坦状态间进行变换时,Ti3C2天线的带宽和中心频率可以良好保持,增益差值在低频范围内围绕±0.2 dBi进行波动,这克服了传统Cu天线无回弹性的缺点。Ti3C2天线优异的循环弯曲稳定性保证了其在柔性弯折状态下流畅实时的数据传输,这也是Ti3C2天线的第一个视频无线传输实例。当天线处于非视线内或不同方位角时,传输效果依然稳定。进一步通过结合仿真设计,分析柔性超宽带Ti3C2单极子天线的宏观电磁特性,实现了材料系统和全波仿真的结合及天线性能的准确预测。该研究结果在人机交互、物联网、移动通信系统、大数据传输、视频通话、多人在线会议、大数据量信息交换等多种场景中也具有广阔的应用前景。

  该工作得到国家杰出青年科学基金、国家基础科学中心项目和国家自然科学基金面上项目等资助,受到宽带无线通信与传感网技术教育部重点实验室田峰教授团队的支持与帮助。

柔性超宽带Ti3C2单极子天线在无线通信领域的应用


(撰稿:赵为为、刘蕾蕾 初审:赵强、戴修斌 编辑:王存宏 审核:张丰)




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