摘 要：设计了一种侧馈矩形微带贴片天线用于湿度传感。通过HFSS仿真设计确定其2.4 GHz的工作频率及结构尺寸。对采用自行搭建的直写打印系统制备的微带贴片天线进行了湿度传感研究，在辐射贴片敏感区域上涂覆PDDA湿敏材料用于增强湿敏特性。结果表明，PDDA起到了关键的湿敏作用，直写打印获得的微波天线能够起到高湿报警并在中高湿的50 %RH ～ 90 %RH范围内起到湿度传感作用。其灵敏度为250 kHz/%RH、线性度为0.95。
关键词：湿度传感器；微带天线；HFSS仿真；直写打印
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）15-0015-04
Research on Antenna-based Humidity Sensor Based on Direct-ink-write Printing
LIU Shangjian， YAN Fengjie， HU Shuohao， SHAO Feng
（Engineering Research Center of the Ministry of Education of IoT Technology Application， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）
Abstract： A side-fed rectangular microstrip patch antenna is designed for humidity sensing. Its 2.4 GHz operating frequency and structural dimensions are determined by HFSS simulation design. The microstrip patch antenna prepared using a self-built direct-ink-write printing system is investigated for humidity sensing， and the PDDA moisture-sensitive material is coated on the sensitive area of the radiating patch for enhancing the moisture-sensitive characteristics. The results show that PDDA plays a key moisture-sensitive role， and the microwave antenna obtained by direct-ink-write printing is able to act as a high humidity alarm and humidity sensing in the medium-high humidity range of 50 %RH ～ 90 %RH. The sensitivity is 250 kHz/% RH and linearity is 0.95.
Keywords： humidity sensor; microstrip antenna; HFSS simulation; direct-ink-write printing
0 引 言
水蒸气广泛存在于空气当中，通常由湿度值表征其含量。湿度水平对人的体感以及工业生产过程都有着重要影响[1]。因此需要湿度传感器在农业生产、医疗保健、智能家居等各领域进行湿度监测。湿度检测也成为人类健康生活、环保、节能活动中不可或缺的环节[2]。目前，根据不同的工作原理，设计了众多类型的湿度传感器，主要有电容式、电阻式、光纤式、声表面波型和石英晶体微天平等。同时，探索新的湿度传感技术和制备方法仍是提高性能和降低成本的必要途径。
直写打印（direct-ink-write printing）是近来兴起的一种增材制造方法，与3D打印相似，但更注重于平面器件的制造。与传统印刷或喷墨打印方法不同，它主要采用单喷口工作模式，因此主要适用于新型电子器件的原型试制和电子墨水材料的试验。其采用的喷头也比较多样，有使用点胶针头式[3]、压电喷头式[4]、气溶胶喷头式[5]等。相比于传统的导电线路制备工艺，直写打印（DIW）技术具有灵活便捷、原材料多样、绿色环保等优点[6]，因此在导电线路、薄膜器件和射频器件的制备上已得到运用。微波器件广泛应用于无线通信、雷达和卫星通信等领域。微波谐振器和微波天线可以利用谐振频率或介电常数的变化来感应被测物[7]。由此形成的微波传感器具备灵敏度高、能无线传感等优势，可用于环境监测、运动控制、微流体等领域[8]。微波湿度传感器基于微波信号与被测水分子之间的相互作用来对环境湿度进行测量。水分子的吸附或脱附会影响微波器件及其衬底的介电常数，进而导致谐振频率发生偏移[9]。
基于微波天线的湿度传感器大都是由传统工艺制备的，而微波器件的设计灵活多变，如能采用直写打印技术则可以给后续开发中的器件制备过程带来极大便利。本文以侧馈矩形微带贴片天线为目标器件，首先通过设计仿真得到天线所需的设计参数。然后使用搭建的DIW系统，直写打印微带贴片天线，并涂覆聚二烯丙基二甲基氯化铵（Poly（Diallyl Dimethyl Ammonium Chloride）， PDDA）作为湿敏材料。最后对其在不同湿度下进行测试，研究了天线基湿度传感器的性能，分析了传感器的适用性。
1 方法与实验
1.1 微带天线设计与仿真
如图1所示，本文设计的天线由辐射贴片、基板和接地层组成。贴片与馈线的阻抗匹配程度会直接影响功率传输的效率，由于微带天线的边缘阻抗大于微波器件通用的50 Ω标准阻抗，所以加入一段1/4波长阻抗转换器达成边缘阻抗与50 Ω阻抗匹配。基板选用FR4环氧树脂单面覆铜板，介电常数为4.4，介电损耗为0.02，介质层厚度约为1.6 mm。采用HFSS软件进行仿真和设计。天线设计时，以2.4 GHz左右为其谐振频率的设计目标。2.4 GHz频段广泛地应用于多种无线通信技术，具有通用性。同时该频率也是水分子吸收电磁波较强的频段，因此十分适合于湿度传感。
1.2 传感器制备
实验室搭建的DIW系统，该系统主要由3D打印机、空气压缩机、点胶阀和挤出头组成。3D打印机原有的热熔挤出头被注射器针筒和点胶针头（27 g，内径为0.22 mm）组成的挤出头代替。使用延时继电器将3D打印机的挤出信号与点胶阀的触发信号输入相连接。挤出压力通过接入管路中的数字压力计进行监测。直写打印时3D打印机的驱动电机按照Repetier Host软件中编写的Gcode代码驱动针头在X-Y-Z方向上移动。
直写打印微带天线时使用的导电浆料为奥斯邦3813型。打印时控制针头走位，使挤出的线条连成面，预设线宽为500 μm。针头工作高度为4 mm，移动速度为300 mm/min，所需打印时间为8 min。微带天线完成打印后，将其置于150 ℃的加热平台上烧结60分钟。再将重量百分率为10%的PDDA溶液均匀的滴涂在红框区域内的贴片表面，再置于烘箱内以40 ℃烘干60分钟。最后，将SMA接头焊接在器件上，接头的外层管脚接在背面覆铜面上。
1.3 传感器测试系统
湿度传感测试系统由矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer， VNA）、温湿度计、测试箱和空气瓶组成。在室温下，将天线基湿度传感器置于测试箱中，通过控制干湿空气，使得测试箱内的湿度值在10 %RH～90 %RH的范围内变化，待测器件通过SMA连接线与矢量网络分析仪连接，通过矢量网络分析仪获得天线基湿度传感器的测试数据。
2 结果与讨论
2.1 微带天线设计与表征
经过仿真优化，本文设计的微带贴片天线的物理尺寸参数如表1所示。图2（a）和图2（b）所示为微带贴片天线的回波损耗（S11）和驻波比的仿真结果。在谐振频率2.44 GHz下的回波损耗幅值为-23.6 dB，低于-10 dB的规定值。-10 dB的带宽为60 MHz（从
2.41 GHz到2.47 GHz）。从图2（b）中可以看出，在2.44 GHz下，该天线在自由空间的电压驻波比（VSWR）为1.14，证明了馈线与天线的阻抗匹配性较好，天线在该频段具有良好的辐射性能。
如图3（a）所示为直写打印制备的微带贴片天线的实物图，其大小与设计尺寸相一致。直写打印时，由于银浆存在一定粘度，导致线与线之间无法完全由自由流动形成平整的面，因此贴片表面形成了符合走线规律的高低起伏。将打印完成的微带贴片天线进行S11参数的测量。如图3（b）所示，器件的谐振频率为2.37 GHz，略低于仿真获得的2.44 GHz，偏移量为2.8%。-10 dB下的带宽为60 MHz，与仿真一致。幅值为-19.0 dB，略大于仿真获得的-23.6 dB。由于打印和测量过程中带来了一定的误差，导致仿真与测试的结果存在差异。微带贴片天线谐振频率的偏移可归因于馈电点位置的偏差，另外，微带天线的电气连接和打印材料的导电性也会对回波损耗的测量结果造成一定的影响。
2.2 湿度传感性能测试
为了测试微带贴片天线的湿度响应，将天线置于不同湿度环境下测试回波损耗曲线。如图4（a）所示，不同湿度值下的回波损耗曲线差异非常小，谐振频率和幅值受湿度变化的影响均很微弱。这表明导电浆料在固化后的吸湿性十分有限。相反的，对于涂有PDDA涂层的微带贴片天线，不同湿度下回波损耗曲线则发生了明显变化。如图4（b）所示，随着湿度的增加，曲线逐步向左上移动，S11的谐振频率和幅值均发生了变化。
进一步画出谐振频率和幅值随湿度的变化曲线，如图4（c）和图4（d）所示。器件在10 %RH～50 %RH的中低湿度范围内，参数基本没有响应，而在50 %RH～90 %RH的中高湿度范围内，则变化较大。这体现出需要PDDA在吸附了较多水分后，才能对微带贴片天线的信号起到作用。PDDA是一种阳离子聚电解质，在其聚合物链中含有季铵离子和氯离子，其中可移动的Cl-是主要的电荷载体。离子性使其具有亲水性，当环境相对湿度增大时，薄膜的吸水量增加，而在低湿度的环境下，水分又会降低，因此常被用于湿度传感。当测试环境湿度大于50 %RH时，PDDA薄膜拥有足够的水分吸附，使得微带天线有效介电常数变化较大，从而在湿度值从50 %RH变化到90 %RH时，回波损耗谐振频率点和幅值变化明显。
由于谐振频率的变化趋势表现出了更好的线性度，因此成为表征湿度响应的理想参数。如图5（a）所示，在50 %RH～90 %RH范围内对谐振频率进行线性拟合，拟合方程为y = -2.48×10-4x + 2.3，其线性度为0.95。在该范围内谐振频率具有较好的湿度灵敏性，灵敏度为250 kHz / %RH。因此，该微带贴片天线用作湿度传感时可起到高湿报警和对50 %RH～90 %RH进行湿度检测的功能。表2给出了本传感器与文献中同类型湿度传感器的比较，可以看出，本文打印制备的湿度传感器具有较好的频率响应。进一步分析器件的可恢复性，如图5（b）所示，将器件在10 %RH～90 %RH范围内完成一个升湿和降湿过程。可以看到，在升降湿过程中存在一定偏差，这体现出PDDA膜的吸湿或脱湿过程需要一定时间来完成。
3 结 论
本文利用自行搭建的直写打印系统，通过直写打印技术制备了微带贴片天线用于湿度传感测试。首先基于软件设计仿真，确定了微带贴片天线的基本结构尺寸。随后在RF4单面覆铜板上制备基础贴片天线，并将PDDA作为敏感材料涂覆在贴片表面，构成湿度传感器。结果表明，该器件在50 %RH～90 %RH范围内具有较好的湿度灵敏性，灵敏度为250 kHz/%RH。虽然其作为湿度传感器的性能还有待完善，但是本工作证明了直写打印作为增材制造的一种方式，能够给包括微波器件和传感器在内的电子器件的开发带来极大的便利。
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作者简介：刘尚剑（1997—），男，汉族，广西玉林人，硕士，研究方向：直写打印与传感技术。
