团队柔性透明天线新突破—高透明+高增益+高效率！

柔性透明天线（FTAs）是一种新型天线，具有透明、轻薄、易保角集成、小型化等显著特点。在5G/6G通信、显示、生物医药、智能手机、可穿戴电子设备等诸多领域显示出广阔的应用前景。为了实现可靠的无线连接和设备之间的通信，FTAs需要具有高增益、高效率和高传输率。然后，现有制造技术存在效率低、灵活性差、天线增益、效率与透光性难以兼容的难题。对此研发团队提出“电场定向沉积混合增材制造”技术，创新设计Ag/Cu核壳复合金属网结构，优化趋肤效应下的电流分布，其性能接近传统不透明铜贴片天线，为高性能柔性透明天线的快速迭代设计与制造开辟了新路径。相关研究成果以“Electric field oriented deposition manufacturing of low loss, high gain flexible transparent antenna utilizing the skin effect”为题，发表在《International Journal of Extreme Manufacturing》期刊上。

文章链接：https://doi.org/10.1088/2631-7990/add8cb

通过设计Ag/Cu壳-核复合金属网格结构，利用趋肤效应显著降低高频电流的趋肤深度损耗和欧姆损耗。其中，高导电性Cu壳层作为主要电流路径，Ag核提供辅助导电通道，有效扩大有效载流面积，同时通过多层印刷Ag导线结合电镀工艺精准调控Cu层厚度，确保其超过工作频段的趋肤深度，从而改善传统薄层导电材料因趋肤效应导致的电流分布集中与高损耗问题。

最终实现当薄膜电阻为0.29时，典型样品的透光率为80%（包括基板）Ω·sq−1，具有优异的抗弯曲和抗扭转性能。工作频段的峰值增益高达5.22 dB，效率为80%，接近不透明铜贴片天线的性能。实现了在弯曲和远距离条件下平滑稳定的实时无线传输。该方法克服了FTA成本高、制造效率低、性能差的缺点，特别是在天线快速迭代开发中。

图1 电场定向沉积混合增材制造Ag/Cu 壳-核结构柔性透明天线：(a)天线结构示意图及宏/微观照片；(b)制造工艺流程；(c)打印原理；(d)Ag/Cu 壳-核结构微观结构变化示意图。

图2 Ag/Cu 壳-核结构倒F柔性透明天线：(a)天线结构及设计尺寸示意图；(b)天线反射损耗模拟结果；(c)天线峰值增益仿真结果；(d)辐射方向图；(e)不同线宽/周期组合反射损耗模拟结果；(f)不同线宽/周期峰值增益仿真结果；(g)三维辐射谱图；(h)薄铜层结构截面趋肤效应模拟；(i)多层印刷银网格截面趋肤效应模拟；(j)Ag/Cu核壳结构截面趋肤效应模拟。

图3工艺参数对结果的影响。(a)电压对银导线线宽和形貌的影响；(b)打印高度对银导线线宽和形貌的影响；(c)背压对银导线线宽和形貌的影响；(d)打印速度对银导线线宽和形貌的影响；(e)电流密度对银/铜网线宽和方阻的影响；(f)沉积时间对银/铜网线宽和方阻的影响；(g)银导线电镜表征微观示意图及其局部放大，插图显示了银元素的能谱图像；(h)银/铜复合金属网格的电镜表征微观示意图及其局部放大图，插图显示了铜元素的能谱图像；(i)银/铜复合金属网格的横截面电镜表征微观示意图；(j)银/铜复合金属网格横截面处铜分布的能谱图像；(k)银/铜复合金属网格横截面处银分布的能谱图像。

图4银/铜核壳结构柔性透明天线的光学、电学和稳定性性能测试。(a)银/铜核壳结构柔性透明天线宏观展示；(b)不同印刷层数柔性透明天线的光透过率；(c)不同印刷层数柔性透明天线在镀层前后的方阻变化；(d)粘附性测试；(e)划痕测试；(f)超声波疲劳测试；(g)酸碱腐蚀测试；(h)不同角度的扭转测试；(i)不同角度的弯曲测试。

图5 天线性能测试及应用演示：(a)天线的S11曲线；(b)天线效率曲线；(c)天线增益曲线；(d)E-面辐射方向图；(e)H-面辐射方向图；(f)Ag/Cu核壳结构天线与其他天线的性能比较；(g)不同弯曲角度下天线S11曲线；(h)不同弯曲次数后天线S11曲线；(i)不同弯曲角度弯曲1000次后的增益变化曲线；(j)天线在平面和弯曲状态下的视频传输效果和信号强度；(k)不同传输距离下视频传输效果和信号强度。