武汉理工《ADV ENG MATER》期刊：石墨烯印制电路板，用于5G天线应用

       

本文要点：

一种石墨烯PCB材料并将其应用于5G通信毫米波天线阵列

1成果简介 

       金属替代一直是印制电路板（PCB）和5G通信技术中科学研究的重点。事实证明，高导热碳基材料可以作为潜在的替代品。但是，相对较低的电导率以及将碳基材料集成到功能性基材中的困难限制了进一步应用和工业应用。本文，武汉理工大学湖北省射频与微波研究中心何大平教授（点击蓝色字体有导师详细介绍）和材料科学与工程学院沈杰教授合作在《ADVANCED ENGINEERING MATERIALS》期刊发表名为“Sandwiched Graphene Clad Laminate: A Binder‐Free Flexible Printed Circuit Board for 5G Antenna Application”的论文，研究提出一种方法，在真空下通过热压助剂大规模制备，无粘合剂的柔性石墨烯复合层压板（GCL），以实现出色的电气性能和用于PCB应用的良好连接的界面，完成金属替代。
GCL是由高导电性石墨烯组装薄膜的顶层和底层作为导电层和介电基材层的三明治结构构造。基于26 GHz的GCL PCB的5G毫米波天线阵列的设计，制造和表征。GCL天线阵列的反射系数为-20.98 dB，实现的增益为11.05 dBi，与由商用覆铜层压板制成的金属天线阵列相当。所有的测量结果表明，柔性轻巧的GCL可以用作柔性电子设备和射频设备的新一代PCB。

2图文导读 

图1、a）GO片的TEM图像，其横向尺寸为30μm。

b）GAF的数字照片，带有标记和聚类状态。

c）带有大量微型气囊的GAF的横截面SEM图像。

d）GAF超大深度图像显示起伏的粗糙表面。

e）GAF的灵活性和稳定性测试。

f）GAF的XRD图谱和拉曼光谱（插图）。

图2、a）基于GCL准备过程的GCL和天线示意图。

b）GCL的横截面SEM图像显示了三明治结构。c，d）（b）的放大图像（红色虚线代表GAF和基材之间的界面）。

e，f）GCL的数字照片具有很高的灵活性，可雕刻到各种设备中。

g）GCL表面的SEM图像，插图显示了微折叠的放大图像（黄色虚线代表微折叠）。

图4、a）初始GCL的横截面SEM图像（白线是EDS线扫描的轨迹，从上到下）。

b）沿（a）中白线的元素分布。

c）剥离GAF后的GCL横截面SEM图像。

d）沿（c）中白线的元素分布。

e）热压前后GAF电导率的比较。

f）铜和GAF的密度比较。

图4、a）尺寸为10 mm×9 mm的GAF天线元件的示意图（黄色部分为导电层，灰色部分为基板）。

b，c）模拟| S 11 | 天线元件的响应和3D辐射方向图。

d）馈电网络（T型功率分配器）的结构。

e）馈电网络的模拟S参数。

f）GCL天线阵列的电场分布。

g）模拟的| S 11 | 天线阵列的响应。

h）GCL天线阵列的3D辐射方向图。

i）GCL天线阵列在XOZ平面（红色）和YOZ平面（蓝色）中的辐射方向图。

图5、a）GCL天线阵列的照片，尺寸为1.3λ  × 1.3λ。

b）测量值| S 11 | GCL（红线）和CCL（黑线）天线阵列的响应。模拟的| S 11 | GCL天线阵列（红色虚线）的响应也包括在内以进行比较。

c）GCL（红线）和CCL（黑线）天线阵列的测量增益响应。

d，e）在d）XOZ平面和e）YOZ平面中测量的GCL（红色）和CCL（蓝色）天线阵列的辐射方向图的比较。

f）辐射图的测量环境，插图显示定位器平台的放大图像。

 

3小结 

       首次制备了具有优异电性能和机械稳定的柔性轻质非金属基PCB材料，并在5G通信毫米波天线阵列进行了性能与应用验证。本项工作对于传统金属PCB的替代具有重要意义，为下一代轻量化与柔性化移动通信器件的设计提供了新的思路与方向。

文献：