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西安交大科研团队在美学装饰介质谐振器天线领域取得进展
发布者: 周迪 | 2021-10-08 | 890

透明微波介质陶瓷作为国民经济的重要基础性产业已被广泛应用于光电子学、航空国防、机械化工、能源领域等。然而,微波介质陶瓷作为5G时代滤波器、介质谐振器、天线材料等的重要解决方案,其研究热度不言而喻。随着先进智能家居设备的快速发展,室内Wi-Fi设备在现代城市空间中无处不在。应用广泛的套筒天线因其结构简单、成本低而对室内Wi-Fi无线通信系统具有吸引力。然而,传统套管天线的增益相对较低,限制了传输范围。此外,外置套管天线看起来不美观,与智能家居的概念背道而驰。因此,设计具有高增益、低损耗的室内美学装饰Wi-Fi天线的想法很有吸引力。

 

为了开发出具有宽带,高辐射效率的美学装饰Wi-Fi天线,西安交通大学周迪教授研究团队基于透明的高品质AlON微波介质陶瓷谐振器采用激光内雕技术将学校的校徽雕刻到透明陶瓷的内部,通过仿真设计,实验验证,成功设计出用于5 GHz Wi-Fi的高品质因数AlON透明陶瓷美学装饰天线。取得了以下研究进展:

 

(1)作者利用反应烧结法以及冷等静压成型的方法,可以获得兼具低损耗和高透明性的AlON微波介质陶瓷材料,并表现出优异的微波介电性能(εr~9.32, Q×f ~ 7,960 GHz)以及良好的透光率(83%);利用X射线衍射仪技术、高分辨扫描电镜技术,透光率性能表征,并结合介电性能测试和远红外光谱的拟合,阐明了晶体结构与性能的规律及机制。

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图1 (a)在1780 °C下烧结的AlON陶瓷样品的X射线衍射图(插图是AlON陶瓷的晶体结构示意图)。(b)样品的SEM图像和晶粒尺寸统计图。(c) AlON透明陶瓷样品在UV-VIS-NIR波长下的透过率图谱。(d)实验和拟合的红外反射光谱(实线代表拟合,圆圈代表实验)以及陶瓷样品的微波介电属性(正方形和圆形代表闭腔测试得到的介电属性)。

 

(2)基于矩形波导理论,采用透明AlON微波介质陶瓷设计出具有宽带性能的5 GHz Wi-Fi介质谐振器天线(DRA),通过采用微带缝隙馈电结构,激励起介质谐振器的主模(TEx111)和高次模(TEx113)。

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图2 装饰DRA的配置。(a) 3D视图。(b)俯视图。(c)侧视图。(d)美学装饰DRA的测试(黑色圆圈)和仿真(蓝色实线)反射系数。

 

(3)设计加工天线的辐射性能由SATIMO多探头天线测试系统测量。对于H面和E面的方向图,在视轴方向上,共极化比交叉极化场强30倍以上。归一化辐射方向图的测试结果与仿真结果非常吻合。所提出的美学装饰天线的实际增益和辐射效率的仿真和测试结果表明,天线在整个5 GHz Wi-Fi带宽上具有大约6.50 dBi的稳定实际增益,并且在5.0 GHz 时峰值增益为6.79 dBi。且测试与仿真结果吻合良好。

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图3 装饰DRA在(a) 4.72 GHz和(b) 5.71 GHz的体电场分布。测试(虚线)和仿真(实线)的AlON陶瓷装饰DRA的归一化辐射方向图,(c)和(d)是4.72 GHz谐振频率下的辐射图。(e)和(f)是5.71 GHz谐振频率下的辐射图。(g)是仿真和测试的实际增益(红线)和的辐射效率(蓝线)的结果。(h)加工的装饰5 GHz Wi-Fi DRA原型照片

 

近期,该研究成果以“High-Quality-Factor AlON Transparent Ceramics for 5 GHz Wi-Fi Aesthetically Decorative Antennas”为题,发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。该论文第一作者为西安交通大学电子学院博士生杜超,第一通讯作者为周迪教授,西安交通大学多功能材料与结构教育部重点实验室为本文的第一单位。该研究工作得到了国家自然科学基金委(51972260, 52072295),陕西省国际合作项目(2021KWZ-10),新型电子元器件关键材料与工艺国家重点实验室(FHR-JS-202011003),中央高校基本科研业务费(xzy022020046),高等学校学科创新引智计划(B14040)以及上海市自然科学基金委(19ZR1465000)的项目支持。

 

 

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c12223