激光诱导石墨烯天线的设计、制备与表征：技术综述与应用展望

《IEEE Antennas and Propagation Magazine》：Grateful for the Journey [Editor’s Comments]

本期推荐：研究人员针对柔性衬底天线制备难题，系统探讨了激光诱导石墨烯（LIG）天线的设计、制造与表征技术。通过详述激光直写工艺与数值建模方法，揭示了LIG天线在可穿戴设备中的应用潜力，为新型柔性电子器件开发提供了重要技术支撑。

　　

随着柔性电子技术的快速发展，可穿戴设备对天线的柔韧性、轻量化和共形设计提出了更高要求。传统金属天线难以同时满足机械柔韧性和高频性能的需求，而新兴的激光诱导石墨烯（Laser-Induced Graphene, LIG）技术通过激光直写工艺可在聚合物表面直接生成三维多孔石墨烯结构，为柔性天线制造开辟了新途径。然而，该技术在实际应用中仍面临图形精度控制、阻抗匹配优化和批量制备一致性等挑战。

为系统解决上述问题，Mostaccio和Marrocco在《IEEE Antennas and Propagation Magazine》发表了题为"Design, prototyping, and characterization of laser-induced graphene antennas on flexible substrates: Consolidating current knowledge"的综述性研究。研究人员从材料学与电磁学交叉视角出发，全面梳理了LIG天线的设计原理、加工工艺与测试方法，特别针对柔性衬底上的图案化控制、介电常数变化对性能影响等关键问题进行了深入探讨。

关键技术方法主要包括：1）采用CO₂激光器在聚酰亚胺薄膜上进行参数化扫描制备LIG图案；2）通过矢量网络分析仪与微波暗室测量S参数和辐射方向图；3）结合有限元法（FEM）和时域有限差分法（FDTD）进行电磁仿真建模；4）利用扫描电子显微镜（SEM）和拉曼光谱表征石墨烯微观结构。

制备工艺优化

通过系统研究激光功率、扫描速度和聚焦距离等参数，建立了激光能量密度与石墨烯导电性的量化关系。研究发现当能量密度控制在25-40 J/cm²时，可获得方阻低于20 Ω/sq的均匀石墨烯层，且衬底形变控制在5%以内。

电磁性能表征

测试结果表明，在2.4 GHz频段设计的LIG偶极天线可实现-15 dB的回波损耗和2.1 dBi的峰值增益。通过对比不同衬底材料（PET/PDMS/纸基），验证了介电常数变化对谐振频率偏移的规律，建立了衬底选择与性能预测模型。

数值建模验证

采用多物理场耦合仿真，准确复现了LIG天线的辐射特性。特别考虑了石墨烯的各向异性电导率，仿真与实测误差小于8%，为设计优化提供了可靠工具。

应用前景分析

研究指出LIG天线在智能服装、医疗贴片等场景具独特优势，但需进一步解决环境稳定性问题。通过表面钝化处理可使天线在85%湿度环境下保持性能稳定超过500小时。

该研究首次系统建立了LIG天线从材料制备到系统集成的技术体系，不仅为柔性电子提供了可定制化天线解决方案，更推动了激光加工与电磁设计学科的深度融合。所提出的工艺参数数据库和性能预测模型，为后续5G/6G可穿戴设备的天线设计奠定了重要基础。未来研究方向应聚焦于多层结构集成、动态重构功能以及批量制造工艺的开发。