近日，南京郵電大學有機電子與信息顯示國家重點實驗室黃維院士、趙強教授團隊和射頻集成與微組裝技術國家地方聯合工程實驗室劉蕾蕾教授團隊在柔性射頻天線領域取得重要進展，優化了“分子膠水”界面改性工藝和先進擠壓印刷技術相結合的策略，構建了柔性超寬帶Ti3C2單極子天線，實現了在彎曲狀態下流暢實時的無線通信傳輸。1月17日，相關成果以“2D Titanium carbide printed flexible ultra-wideband monopole antenna for wireless communications”為題發表在國際學術期刊Nature Communications（《自然?通訊》）上。南京郵電大學為論文的唯一通訊單位，劉蕾蕾教授、趙強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、通信三個優勢學科團隊共同合作在“柔性電子”交叉學科領域取得的重要研究成果。
近年來，隨著物聯網、可穿戴設備、植入式電子等新興技術蓬勃發展，柔性無線通信設備引起學術界與產業界的廣泛關注，對“輕、薄、柔”天線組件的需求快速增加。傳統天線多由高密度的金屬組成，其較大的質量和復雜的制造工藝限制了在柔性無線通信領域的應用。為滿足該領域快速發展的應用需求，有針對性地設計、制備具有質量輕、可共形的柔性射頻天線是無線通信領域持續發展的動力，也是這一領域研究的關鍵。
得益于良好的親水性、易于調整的流變范圍、可在多種溶劑中形成穩定分散體等特性，Ti3C2墨水可作為印刷與圖案化制造領域的常用材料。二維Ti3C2超薄納米材料具有高電導率、輕質柔性、易加工等優點，非常符合柔性無線通信器件的制備和使用要求，但目前關于Ti3C2天線的研究成果存在結構受限、組成復雜、生產工藝粗糙等缺陷，很大程度上限制了其在柔性無線通信器件方向的應用。因此，簡化天線層級結構、提高器件制備精度、提升天線柔性和穩定性等成為Ti3C2柔性射頻電路實用道路上亟待解決的關鍵核心問題。
針對介質襯底和無添加劑Ti3C2油墨的共形集成受到限制這一問題，該工作提出“分子膠水”界面改性工藝，采用聚多巴胺分子對柔性介質基板進行改性，增強了印刷的Ti3C2傳輸層與介質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，實現了優異的彎折穩定性與實時的信息傳輸效果。通過改變墨水濃度、印刷層數等參數，可以進一步調節天線傳輸性能，實現可控的無線信息傳輸功能。
物聯網系統的發展不僅要求無線射頻電路和天線之間進行無縫集成，同時要求其能夠在寬頻段進行設備間的通信。柔性Ti3C2天線的發展將促進該領域的快速發展。該工作制備的柔性超寬帶Ti3C2單極子天線工作頻段為1.7 GHz－4.0 GHz，涵蓋了WLAN、藍牙、5G (n41、n78)頻段，與傳統Cu天線相當，可以完整、快速、實時地傳輸視頻信號。當在彎曲狀態和平坦狀態間進行變換時，Ti3C2天線的帶寬和中心頻率可以良好保持，增益差值在低頻范圍內圍繞±0.2 dBi進行波動，這克服了傳統Cu天線無回彈性的缺點。Ti3C2天線優異的循環彎曲穩定性保證了其在柔性彎折狀態下流暢實時的數據傳輸，這也是Ti3C2天線的第一個視頻無線傳輸實例。當天線處于非視線內或不同方位角時，傳輸效果依然穩定。進一步通過結合仿真設計，分析柔性超寬帶Ti3C2單極子天線的宏觀電磁特性，實現了材料系統和全波仿真的結合及天線性能的準確預測。該研究結果在人機交互、物聯網、移動通信系統、大數據傳輸、視頻通話、多人在線會議、大數據量信息交換等多種場景中也具有廣闊的應用前景。
該工作得到國家杰出青年科學基金、國家基礎科學中心項目和國家自然科學基金面上項目等資助，受到寬帶無線通信與傳感網技術教育部重點實驗室田峰教授團隊的支持與幫助。
柔性超寬帶Ti3C2單極子天線在無線通信領域的應用
（撰稿：趙為為、劉蕾蕾 初審：趙強、戴修斌 編輯：王存宏 審核：張豐）