近日，南京郵電大學(xué)有機(jī)電子與信息顯示國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃維院士、趙強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)和射頻集成與微組裝技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室劉蕾蕾教授團(tuán)隊(duì)在柔性射頻天線(xiàn)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，優(yōu)化了“分子膠水”界面改性工藝和先進(jìn)擠壓印刷技術(shù)相結(jié)合的策略，構(gòu)建了柔性超寬帶Ti3C2單極子天線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了在彎曲狀態(tài)下流暢實(shí)時(shí)的無(wú)線(xiàn)通信傳輸。1月17日，相關(guān)成果以“2D Titanium carbide printed flexible ultra-wideband monopole antenna for wireless communications”為題發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications（《自然?通訊》）上。南京郵電大學(xué)為論文的唯一通訊單位，劉蕾蕾教授、趙強(qiáng)教授和黃維院士為共同通訊作者，趙為為副教授和倪浩博士為共同第一作者。這是我校材料、電子、通信三個(gè)優(yōu)勢(shì)學(xué)科團(tuán)隊(duì)共同合作在“柔性電子”交叉學(xué)科領(lǐng)域取得的重要研究成果。
近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、植入式電子等新興技術(shù)蓬勃發(fā)展，柔性無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備引起學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，對(duì)“輕、薄、柔”天線(xiàn)組件的需求快速增加。傳統(tǒng)天線(xiàn)多由高密度的金屬組成，其較大的質(zhì)量和復(fù)雜的制造工藝限制了在柔性無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的應(yīng)用。為滿(mǎn)足該領(lǐng)域快速發(fā)展的應(yīng)用需求，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)、制備具有質(zhì)量輕、可共形的柔性射頻天線(xiàn)是無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力，也是這一領(lǐng)域研究的關(guān)鍵。
得益于良好的親水性、易于調(diào)整的流變范圍、可在多種溶劑中形成穩(wěn)定分散體等特性，Ti3C2墨水可作為印刷與圖案化制造領(lǐng)域的常用材料。二維Ti3C2超薄納米材料具有高電導(dǎo)率、輕質(zhì)柔性、易加工等優(yōu)點(diǎn)，非常符合柔性無(wú)線(xiàn)通信器件的制備和使用要求，但目前關(guān)于Ti3C2天線(xiàn)的研究成果存在結(jié)構(gòu)受限、組成復(fù)雜、生產(chǎn)工藝粗糙等缺陷，很大程度上限制了其在柔性無(wú)線(xiàn)通信器件方向的應(yīng)用。因此，簡(jiǎn)化天線(xiàn)層級(jí)結(jié)構(gòu)、提高器件制備精度、提升天線(xiàn)柔性和穩(wěn)定性等成為T(mén)i3C2柔性射頻電路實(shí)用道路上亟待解決的關(guān)鍵核心問(wèn)題。
針對(duì)介質(zhì)襯底和無(wú)添加劑Ti3C2油墨的共形集成受到限制這一問(wèn)題，該工作提出“分子膠水”界面改性工藝，采用聚多巴胺分子對(duì)柔性介質(zhì)基板進(jìn)行改性，增強(qiáng)了印刷的Ti3C2傳輸層與介質(zhì)基板表面的粘附作用力，制備了具有高空間均勻性的柔性超寬帶Ti3C2單極子天線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的彎折穩(wěn)定性與實(shí)時(shí)的信息傳輸效果。通過(guò)改變墨水濃度、印刷層數(shù)等參數(shù)，可以進(jìn)一步調(diào)節(jié)天線(xiàn)傳輸性能，實(shí)現(xiàn)可控的無(wú)線(xiàn)信息傳輸功能。
物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展不僅要求無(wú)線(xiàn)射頻電路和天線(xiàn)之間進(jìn)行無(wú)縫集成，同時(shí)要求其能夠在寬頻段進(jìn)行設(shè)備間的通信。柔性Ti3C2天線(xiàn)的發(fā)展將促進(jìn)該領(lǐng)域的快速發(fā)展。該工作制備的柔性超寬帶Ti3C2單極子天線(xiàn)工作頻段為1.7 GHz－4.0 GHz，涵蓋了WLAN、藍(lán)牙、5G (n41、n78)頻段，與傳統(tǒng)Cu天線(xiàn)相當(dāng)，可以完整、快速、實(shí)時(shí)地傳輸視頻信號(hào)。當(dāng)在彎曲狀態(tài)和平坦?fàn)顟B(tài)間進(jìn)行變換時(shí)，Ti3C2天線(xiàn)的帶寬和中心頻率可以良好保持，增益差值在低頻范圍內(nèi)圍繞±0.2 dBi進(jìn)行波動(dòng)，這克服了傳統(tǒng)Cu天線(xiàn)無(wú)回彈性的缺點(diǎn)。Ti3C2天線(xiàn)優(yōu)異的循環(huán)彎曲穩(wěn)定性保證了其在柔性彎折狀態(tài)下流暢實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸，這也是Ti3C2天線(xiàn)的第一個(gè)視頻無(wú)線(xiàn)傳輸實(shí)例。當(dāng)天線(xiàn)處于非視線(xiàn)內(nèi)或不同方位角時(shí)，傳輸效果依然穩(wěn)定。進(jìn)一步通過(guò)結(jié)合仿真設(shè)計(jì)，分析柔性超寬帶Ti3C2單極子天線(xiàn)的宏觀(guān)電磁特性，實(shí)現(xiàn)了材料系統(tǒng)和全波仿真的結(jié)合及天線(xiàn)性能的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。該研究結(jié)果在人機(jī)交互、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)傳輸、視頻通話(huà)、多人在線(xiàn)會(huì)議、大數(shù)據(jù)量信息交換等多種場(chǎng)景中也具有廣闊的應(yīng)用前景。
該工作得到國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等資助，受到寬帶無(wú)線(xiàn)通信與傳感網(wǎng)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室田峰教授團(tuán)隊(duì)的支持與幫助。
柔性超寬帶Ti3C2單極子天線(xiàn)在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的應(yīng)用
（撰稿：趙為為、劉蕾蕾 初審：趙強(qiáng)、戴修斌 編輯：王存宏 審核：張豐）