【摘要】：隨著智能紡織品的不斷發(fā)展和進(jìn)步,越來越多的織物基電子器件用于無線電傳輸中,電子器件柔性化已經(jīng)成為不可阻擋的趨勢。微帶諧振電路作為射頻器件的主要元件,具有體積小,重量輕,性能好,易與其他集成電路匹配等一系列的優(yōu)點(diǎn),符合當(dāng)今電路設(shè)計發(fā)展方向。諧振電路的射頻傳輸性能是無線電傳輸最重要的參考指標(biāo),決定了諧振電路的應(yīng)用,其射頻傳輸性能不僅與諧振電路結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān),還與基底材料有關(guān)。目前關(guān)于微帶諧振電路射頻傳輸性能的研究,其基底材料大多采用硬質(zhì)板。而織物作為一類典型的柔性纖維材料,符合智能紡織品對所需電子器件性能要求的發(fā)展方向�；诖�,本課題以織物這種特殊的柔性材料為微帶諧振電路的基體,采用絲網(wǎng)印刷技術(shù),在織物表面印刷微帶諧振電路,研究材料屬性和結(jié)構(gòu)對印制電路的電學(xué)性能特征的影響。針對基體材料屬性和結(jié)構(gòu)對微帶諧振電路電學(xué)性能特征的影響問題,本課題主要選取了纖維材料、紗線細(xì)度、經(jīng)紗密度、緯紗密度、組織結(jié)構(gòu)等參數(shù)變化的不同織物試樣,研究纖維材料和織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對其超高頻介電性能的影響,并參考介電性能的研究結(jié)果確定印制微帶諧振電路的基底織物參數(shù),研究基體材料屬性對印制電路電學(xué)性能特征影響�；诖搜芯磕繕�(biāo),本課題主要從以下幾個方面展開:(1)研究纖維材料及織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對超高頻下介電性能的影響,莫代爾和絹絲織物的介電常數(shù)和介電損耗明顯高于其他材料的織物,滌綸織物的最低。進(jìn)一步證實(shí)了纖維材料結(jié)晶度(或聚合度)越高,介電常數(shù)及損耗越低。而織物組織結(jié)構(gòu)越緊密其介電常數(shù)及損耗越高。選取織物的幾個重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)如纖維材料、紗線細(xì)度、經(jīng)紗密度、緯紗密度、組織結(jié)構(gòu)等,根據(jù)控制變量法,設(shè)計織造某一參數(shù)變化,而其他參數(shù)保持不變的一系列織物試樣。然后通過測試每一組變化參數(shù)的織物在超高頻下(0.7~1.3GHz)的介電常數(shù)和介電損耗角正切的值,采用方差分析方法,探討影響超高頻下其介電性能的顯著因素。研究結(jié)果表明,從結(jié)構(gòu)參數(shù)上看,機(jī)織物的緯紗變化對其介電性能都有顯著影響,而經(jīng)紗的變化對其介電性能沒有顯著影響�？椢锝M織結(jié)構(gòu)也對介電性能有顯著影響,交織點(diǎn)越多,結(jié)構(gòu)越緊密,其介電常數(shù)和介電損耗越大。紗線密度、紗線密度、組織結(jié)構(gòu)變化時,孔徑和纖維體積分?jǐn)?shù)也會發(fā)生一定程度的改變。并且,由于紡織纖維的介電常數(shù)大于空氣,因此纖維體積分?jǐn)?shù)大的織物,介電常數(shù)大。從纖維材料上看,一般來說,棉纖維的結(jié)晶度、取向度和聚合度均高于莫代爾纖維。由于絹絲纖維的復(fù)合結(jié)構(gòu),其結(jié)晶度高于莫代爾纖維而低于棉纖維。棉纖維的高結(jié)晶度使得其大分子鏈段在變化電磁場中難以發(fā)生明顯地旋轉(zhuǎn),因此只有極小的松弛響應(yīng),介電常數(shù)低。另一方面,纖維的結(jié)晶度和分子基團(tuán)極性的差異也會導(dǎo)致回潮率的不同,一般來說,纖維的吸濕性依次為:莫代爾絲棉滌綸,在空氣相對濕度和溫度恒定的環(huán)境中,纖維回潮率高的纖維會吸收更多的水分�；爻甭试礁�,介電常數(shù)越大。(2)研究織物的材料及結(jié)構(gòu)對印制微帶諧振電路成膜質(zhì)量及導(dǎo)電層電學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)緊密程度越高的織物,印刷成膜質(zhì)量越好、電阻越小、阻抗越低。基于前述研究內(nèi)容,選擇制備微帶諧振電路的承印基底織物材料的參數(shù)和絲網(wǎng)印刷工藝。然后,確定好絲網(wǎng)印刷所需要的油墨,印刷的微帶諧振電路結(jié)構(gòu),通過絲網(wǎng)印刷的方式將諧振電路印刷在織物上。通過掃描電鏡觀察印刷電路截面油墨的粘附和滲透現(xiàn)象以及印刷成膜的完整性與均勻性,測試印制電路的傳輸線直流電阻以及阻抗特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,作為承印基體,要滿足印刷導(dǎo)電層成膜性能良好,基材表面要光滑。相比于表面光滑,結(jié)構(gòu)均勻的PET膜和PCB板來說,織物表面有特殊的紋理結(jié)構(gòu),且內(nèi)部還有許多縫隙孔洞,所以要滿足導(dǎo)電油墨在基材上有完整均勻的導(dǎo)電膜,基材的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量緊密,但基于前文織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對其介電性能的研究,在一定范圍內(nèi),織物經(jīng)緯密和紗線細(xì)度越大,基材的介電損耗也越大,不利于電信號的傳輸。因此基材的緊密程度要合理,不能過于緊密或過于疏松。印制電路的導(dǎo)電層電阻與印刷質(zhì)量有密切關(guān)系,印刷質(zhì)量越好,其導(dǎo)電性越好電阻越小。傳輸線阻抗在超高頻(860-960MHz)下隨頻率的增大而減小。不同基材上印刷的電路在諧振頻率處的阻抗值有明顯差異,說明基材對印刷導(dǎo)電層的阻抗特性也有影響。(3)研究材料和織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對印制微帶諧振電路的超高頻信號射頻傳輸性能的影響,發(fā)現(xiàn)基底材料的介電常數(shù)小,有利于電信號的傳輸效益和調(diào)制,且結(jié)構(gòu)緊密的承印材料其印刷成膜阻抗小,信號調(diào)制能力強(qiáng)。采用網(wǎng)絡(luò)分析儀分別測試六種織物上的諧振電路的S參數(shù),分別從基材的介電性能,電學(xué)性能和印刷導(dǎo)電層表觀形貌上分析微帶諧振電路對信號射頻傳輸性能的影響。分析結(jié)果表明,微帶諧振電路對信號射頻傳輸性能主要取決于兩方面,對信號的調(diào)制以及傳輸損耗,電路對信號的調(diào)制作用主要與基材的介電常數(shù)和印刷質(zhì)量有關(guān)。介電常數(shù)越小,傳輸效益越高。印刷質(zhì)量越好,對信號的調(diào)制越準(zhǔn)確。基材的介電損耗和印刷導(dǎo)電層的阻抗影響傳輸損耗,介電損耗越大,阻抗越大,傳輸損耗越多,信號越弱,不利于電信號在織物中的傳輸,容易導(dǎo)致陷波深度不明顯,甚至可能消失。綜上所述,本課題針對織物基微帶諧振電路,研究機(jī)織物的材料屬性對印制微帶諧振電路電學(xué)性能特征的影響,得出以下結(jié)論,從本課題所選擇的纖維材料上看,莫代爾,絹絲等織物介電常數(shù)及損耗較高,滌綸最低,證實(shí)纖維材料結(jié)晶度(或聚合度)越高,介電常數(shù)及損耗越低。介電常數(shù)及損耗越小,傳輸效益越高。從織物結(jié)構(gòu)上來看,發(fā)現(xiàn)緊密程度越高的織物,印刷成膜質(zhì)量越好、導(dǎo)電層的電阻越小、阻抗越低,信號調(diào)制能力強(qiáng),但介電常數(shù)及損耗高,不利于電信號傳輸。
【圖文】：

圖 2-1 理想濾波器插入損耗和角頻率之間的關(guān)系是在實(shí)際工作中，濾波器不可能完美的實(shí)現(xiàn)上述工作要求，現(xiàn)代技術(shù)無真正的理想元件。濾波器也同樣如此，信號通過特定的頻率范圍，不可能有任何損耗。波器是由不同頻率響應(yīng)來完成的，，對于理想的濾波器的頻率響應(yīng)在邊帶好的衰減特性，在帶通頻率部分的沒有任何的衰減。但是由于實(shí)際情況的波器設(shè)計只能無限的接近理想濾波器的工作狀態(tài)，但卻無法達(dá)到其完美性能。對于濾波器的幅值特性一般使用在工作中濾波器的衰減特性來描述式為：L = 10log （2-1濾波器與匹配負(fù)載相連的條件下，Pin是濾波器的輸入功率，而 PL是與對應(yīng)的匹配負(fù)載所吸收的功率[12]。管是帶通濾波器還是帶阻濾波器，其目的都是對多頻訪問信號進(jìn)行調(diào)諧輸出的信號在特定頻段內(nèi)產(chǎn)生增益或衰減并輸出，從而達(dá)到濾波的作用。

圖 2-2 多諧振電路的結(jié)構(gòu)圖由圖可知，該諧振電路包含一條微帶線和六個諧振單元。每個 U 型諧振器的設(shè)計需要滿足其能在特定的頻率下產(chǎn)生共振。諧振器的每一個結(jié)構(gòu)之間的尺寸都會影響其調(diào)制性能。如諧振器與微帶線之間的空隙 G，改變 G 的大小可以調(diào)制微帶線與諧振器間的耦合系數(shù)，耦合系數(shù)越大，耦合作用越強(qiáng)，同時諧振單元間的距離 D 不能過小，否則會產(chǎn)生耦合干擾。U 型諧振器在達(dá)到共振頻率時會出現(xiàn)峰值，共振頻率取決于 Lb+Hb/2 的路徑長度，而波谷的頻率取決于 Lb/Hb的大小和 Wb的寬度。并且 Lb、Hb和 Wb的尺寸固定，可以通過調(diào)節(jié) U 型諧振器的橫臂厚度 Wi值來實(shí)現(xiàn)共振頻率的調(diào)制。Niu[16]在多組 U 型諧振器帶通濾波器的設(shè)計與仿真的研究中，通過改變諧振器的臂寬，仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)粗諧振器臂長寬度可以降低濾波器整體的衰減量，增大諧振器的間距發(fā)現(xiàn)濾波器的帶寬變窄。Jia Shenghong[17]對交叉耦合微帶發(fā)夾諧振器濾波器的研究中，探討了諧振器的耦合結(jié)構(gòu)及尺寸對其耦合系數(shù)的影響。ZhangKeqiang 對一種螺旋形諧振器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探究，如圖 2-3（a）為該螺旋形諧振器耦合到微帶線的結(jié)構(gòu)，(b)為其等效電路。微帶線的特性阻抗為 50Ω，s 為構(gòu)成
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TS106;TN40

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本文編號：2701810