液晶嵌入電調(diào)諧頻率可重構(gòu)雙頻天線設(shè)計(jì)

歐仁俠 ,呂世杰 ,尤明慧

(1.吉林醫(yī)藥學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院,吉林 吉林 132013;2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130018)

隨著無線通信技術(shù)的日趨成熟,無線通信設(shè)備朝著超寬帶、高數(shù)據(jù)容量、多功能等特性[1-2]發(fā)展,同時(shí)也增加了天線的數(shù)量和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造成本。多天線容易產(chǎn)生干擾,降低通信效率和質(zhì)量,可重構(gòu)天線應(yīng)運(yùn)而生。可重構(gòu)天線具備帶寬、頻率、輻射方向、極化方式等電性能參數(shù)可控的特性,可以根據(jù)不同的設(shè)備需求自動(dòng)進(jìn)行調(diào)控,使一個(gè)通信設(shè)備具備多種通信功能[3-5],已經(jīng)成為目前研究的焦點(diǎn)。液晶材料具備電調(diào)諧特性,外加偏置電壓可以使液晶材料的介電常數(shù)連續(xù)變化,在天線設(shè)計(jì)中使用液晶材料可以實(shí)現(xiàn)天線的可重構(gòu)特性,拓展了可重構(gòu)天線的研究方法,從而實(shí)現(xiàn)頻率連續(xù)調(diào)諧的目的,工作頻率可以從微波段調(diào)諧到光波段[6-8]。傳統(tǒng)的頻率可調(diào)諧天線主要是采取各種方法優(yōu)化天線的組成或結(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)改變天線電結(jié)構(gòu)的目的。基于液晶材料的頻率可調(diào)諧天線通過將液晶材料填充到夾層中,外加偏置電壓調(diào)諧天線夾層的介電常數(shù),從而引起天線電參數(shù)的變化,實(shí)現(xiàn)頻率重構(gòu)。文獻(xiàn)[9]研究了液晶襯底上矩形微帶貼片天線諧振頻率和輻射模式的理論模型,基于液晶負(fù)載腔的模式匹配求解,驗(yàn)證了液晶襯底上貼片天線的調(diào)諧機(jī)制取決于偏置電壓的強(qiáng)度。文獻(xiàn)[10]利用一種新型液晶混合物GT3-23001 的各向異性特性,設(shè)計(jì)了一種采用液晶技術(shù)的電調(diào)諧微波圓極化交叉縫隙貼片天線,通過外部電指令控制頻率響應(yīng)的重新配置,滿足15.83%的連續(xù)頻率調(diào)諧,帶寬約為467.92 MHz(19.5%),但其頻率調(diào)諧能力有限。文獻(xiàn)[11]報(bào)道了一種用于5G 應(yīng)用的嵌入液晶孔徑耦合天線,采用三層堆疊印刷結(jié)構(gòu),具有較寬的諧振頻率可調(diào)范圍,頂部的附加貼片可以調(diào)諧并增強(qiáng)增益,頻率調(diào)諧范圍較大,但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造成本較高。

由于現(xiàn)有技術(shù)基本為單頻可調(diào)諧天線,本文提出了一種結(jié)構(gòu)新穎的頻率可重構(gòu)雙頻天線,采用三層堆疊封裝結(jié)構(gòu)和微帶耦合饋電方式,在饋電微帶下方填充液晶,利用液晶材料的電控特性改變天線的電特性,從而實(shí)現(xiàn)雙頻可調(diào)諧。其設(shè)計(jì)加工簡(jiǎn)單,便于封裝,頻率調(diào)諧能力較好,具有雙頻可調(diào)諧特性,拓寬了其應(yīng)用范圍。

1 液晶嵌入可重構(gòu)天線的電調(diào)諧設(shè)計(jì)

1.1 液晶嵌入取向?qū)犹幚矸椒?/h3>

液晶分子在通常情況下為無序的形態(tài),分子個(gè)體指向無法確定,可重構(gòu)天線嵌入液晶時(shí),需要通過表面取向處理的手段使嵌入液晶的可重構(gòu)天線電調(diào)諧能力達(dá)到最大化[12],如圖1 所示。具體方法為:首先是介質(zhì)基板表面取向膜的制作,采用旋轉(zhuǎn)涂覆法在介質(zhì)基板表面涂上一定厚度的聚酰亞胺高分子原材料,在高溫烘烤下固化形成取向?qū)?。其次是制作微溝?采用特定材料沿固定方位摩擦封裝液晶材料的介質(zhì)基板表面的取向膜,形成分布均勻且同液晶分子尺寸接近的微溝槽,從而使靠近微溝槽的液晶分子沿特定位置分布,在液晶分子相互作用下,內(nèi)部液晶分子也會(huì)沿固定位置分布[13]。

圖1 取向?qū)又谱鞣椒‵ig.1 Preparation method of orientation layer

1.2 液晶嵌入封裝方法

液晶嵌入封裝的結(jié)構(gòu)共四部分,如圖2 所示,包括介質(zhì)基板、微帶結(jié)構(gòu)、嵌入液晶、地板,介質(zhì)基板選取Rogers 4350。為了保證液晶填充均勻無氣泡,在上層介質(zhì)基板開兩個(gè)直徑為0.1 mm 的注射孔,采取注射的方式將液晶注入到封裝結(jié)構(gòu)中,通過小孔一端注射一端排氣,最大限度地保證封裝的液晶均勻無氣泡,提高液晶調(diào)諧能力和穩(wěn)定性。

圖2 液晶封裝結(jié)構(gòu)Fig.2 Liquid crystal package structure

1.3 液晶嵌入電調(diào)諧介電特性測(cè)試原理與方法

1.3.1 液晶嵌入電調(diào)諧測(cè)試原理

液晶材料具有介電各向異性,當(dāng)液晶分子與電極的距離保持不變,低電壓時(shí),液晶分子的偏轉(zhuǎn)角度不大,高電壓時(shí),偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到最大;當(dāng)電壓保持不變時(shí),液晶分子偏轉(zhuǎn)角度隨著液晶分子與電極的距離的增加而增加,變化過程如圖3 所示。

圖3 液晶嵌入電調(diào)諧過程Fig.3 Electrical tuning process of embedded liquid crystal

液晶材料的電調(diào)諧特性可表征為[14-15]:

式中:η為相對(duì)調(diào)諧度;Δε為絕對(duì)調(diào)諧度;ε‖為液晶分子平行于長(zhǎng)軸的介電常數(shù);ε⊥為液晶分子垂直于長(zhǎng)軸時(shí)的介電常數(shù),理論上液晶材料介電常數(shù)的變化區(qū)間是ε⊥～ε‖。

液晶兩側(cè)外加電場(chǎng)方向決定了介電常數(shù)張量,施加電場(chǎng)后液晶分子分布情況如圖4 所示。εi為液晶分子偏轉(zhuǎn)一定角度的介電常數(shù)。由于電場(chǎng)指令的施加,液晶分子將逐漸與射頻方位平行,從而使εi逐漸變?yōu)棣拧?液晶分子分布的平均方向可以用參數(shù)D來描述,具體為[16-17]:

圖4 施加電場(chǎng)后液晶分子分布情況Fig.4 Liquid crystal molecular distribution when an electric field is applied

式中:θ為液晶分子軸向與取向?qū)又g的夾角。

1.3.2 液晶嵌入電調(diào)諧介電常數(shù)測(cè)試方法

液晶嵌入電調(diào)諧介電常數(shù)的具體測(cè)試方法為:測(cè)量未填充液晶材料微帶饋線的S參量;在槽體內(nèi)嵌入液晶材料,并測(cè)試偏置電壓(0～Vmax)加載后的微帶饋線S參量;將測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理得出測(cè)試結(jié)果。

本文設(shè)計(jì)的天線嵌入的液晶材料型號(hào)為F026,理論上的介電參量為ε⊥=2.4,ε‖=2.65,tanδ=0.03。天線在HFSS 軟件仿真過程中,對(duì)微帶饋線下方的液晶材料介電常數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè),通過仿真測(cè)試得到液晶材料介電常數(shù)與頻率的關(guān)系,如圖5 所示。從仿真測(cè)試計(jì)算可以得出,在工作頻帶內(nèi)仿真測(cè)試值與預(yù)設(shè)值的變化具有較好的一致性,雖然存在一定的偏差,但能滿足設(shè)計(jì)需要,仿真結(jié)果與預(yù)設(shè)值對(duì)比擬合可以得到液晶材料的實(shí)際介電常數(shù)。

圖5 液晶材料介電常數(shù)仿真測(cè)試Fig.5 Simulation test of permittivity of liquid crystal materials

2 液晶天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液晶天線選用三層堆疊封裝方法,如圖6 所示,三層介質(zhì)基板均使用Rogers 4350,εr為3.66,厚度為0.254 mm。在上層介質(zhì)基板背面刻蝕輻射貼片和開槽微帶饋線,輻射貼片由中間正六邊形環(huán)、四周正六邊形貼片和加載的寄生枝節(jié)組成,正六邊形貼片通過矩形枝節(jié)與中間的正六邊形環(huán)相連接,兩個(gè)矩形枝節(jié)間的夾角a為60°。通過加載寄生枝節(jié)可以延長(zhǎng)表面電流路徑,降低諧振頻率。調(diào)節(jié)正六邊形貼片與寄生枝節(jié)的尺寸可以增加諧振點(diǎn)并展寬各頻段的阻抗帶寬。在中間正六邊形環(huán)右側(cè)引出一條矩形枝節(jié),便于通過金屬通孔加載外部偏置電壓。通過矩形微帶饋線饋電,在矩形微帶饋線中間開一個(gè)矩形槽,優(yōu)化阻抗匹配,在其下端增加一個(gè)梯形結(jié)構(gòu),便于連接同軸接頭。在上層介質(zhì)基板上側(cè)刻蝕同樣尺寸的微帶饋線結(jié)構(gòu),通過金屬通孔與下側(cè)矩形微帶饋線相連接。在上層介質(zhì)基板左側(cè)開一個(gè)金屬通孔,用于連接下側(cè)的矩形連接線,引入偏置電壓。在中層介質(zhì)基板與矩形微帶饋線正對(duì)的位置開一個(gè)矩形液晶填充槽。在下層介質(zhì)基板上側(cè)為金屬地板。在上層介質(zhì)基板靠矩形液晶填充槽兩端設(shè)置兩個(gè)直徑為0.1 mm 的小孔,用于液晶的填充和排氣。在各層介質(zhì)基板分別設(shè)置四個(gè)定位孔,用于天線的固定和封裝。

圖6 液晶天線封裝結(jié)構(gòu)Fig.6 Liquid crystal antenna package structure

液晶天線輻射貼片及饋電部分結(jié)構(gòu)如圖7 所示,在HFSS 軟件中建立液晶天線整體結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真優(yōu)化后的值如表1 所示。

圖7 液晶天線輻射貼片及饋電部分結(jié)構(gòu)Fig.7 Radiation patch and feed part structure of liquid crystal antenna

表1 液晶天線優(yōu)化后結(jié)構(gòu)尺寸Tab.1 Optimized structure size of liquid crystal antenna

3 液晶天線關(guān)鍵參數(shù)分析

3.1 寄生枝節(jié)尺寸對(duì)S11曲線的影響

在輻射貼片四周的正六邊形貼片周圍加載寄生枝節(jié),延長(zhǎng)天線表面電流路徑,降低諧振頻率。圖8 為寄生枝節(jié)環(huán)寬對(duì)S11曲線的影響?？梢缘贸?隨著寄生枝節(jié)環(huán)寬尺寸的增大,天線諧振頻率不斷降低,兩個(gè)頻段的帶寬也有所增加,說明寄生枝節(jié)的加載引入了新的耦合電容,從而增加了新的諧振點(diǎn),展寬了阻抗帶寬。因此,選擇適當(dāng)?shù)募纳?jié)尺寸,可以降低諧振頻率并展寬阻抗帶寬。

圖8 寄生枝節(jié)尺寸對(duì)S11曲線的影響Fig.8 Influence of parasitic branch size on S11

3.2 矩形微帶饋線矩形槽寬度對(duì)S11曲線的影響

在矩形微帶饋線中間開一個(gè)矩形槽,圖9 為矩形微帶饋線矩形槽寬度對(duì)S11曲線的影響。由圖9 可以得出,隨著矩形槽寬度的增大,天線諧振程度不斷加深,但各頻段諧振點(diǎn)偏移量較小,說明選擇合適的矩形槽寬度能夠調(diào)節(jié)天線的阻抗匹配。

圖9 矩形微帶饋線矩形槽寬度對(duì)S11曲線的影響Fig.9 Influence of regular hexagonal ring size on S11

3.3 液晶材料介電常數(shù)對(duì)天線諧振頻率的影響

當(dāng)液晶材料介電常數(shù)由ε⊥變化至ε‖時(shí),分析模擬環(huán)境下液晶材料介電常數(shù)對(duì)天線性能的影響,如圖10 所示,評(píng)估液晶天線的可重構(gòu)性能。從圖10 可以得出,隨著液晶材料介電常數(shù)的增加,液晶天線高頻段諧振頻率從5.5 GHz 降低至5.12 GHz,偏移量為0.38 GHz,相對(duì)帶寬保持在13.1%;低頻段諧振頻率從3.5 GHz 偏移至3.24 GHz,偏移量為0.26 GHz,低頻段諧振程度有一定增加,相對(duì)帶寬保持在20.8%。液晶天線諧振點(diǎn)偏移的主要原因是開槽微帶饋線隨液晶材料介電常數(shù)的改變而產(chǎn)生調(diào)諧頻率的作用。

圖10 液晶材料介電常數(shù)對(duì)天線諧振頻率的影響Fig.10 Effect of permittivity of liquid crystal material on resonant frequency of antenna

3.4 液晶材料介電常數(shù)對(duì)天線輻射方向圖的影響

液晶材料介電常數(shù)由ε⊥變化至ε‖時(shí),分析模擬環(huán)境下介電常數(shù)對(duì)天線輻射方向圖的影響,如圖11 所示。隨著介電常數(shù)的增加,方向圖主輻射方向基本沒有變化,旁瓣有微小變動(dòng)。

圖11 液晶材料介電常數(shù)對(duì)天線輻射方向圖的影響。(a) 3.5 GHz;(b) 5.5 GHzFig.11 Effect of permittivity of liquid crystal material on antenna radiation pattern.(a)3.5 GHz;(b)5.5 GHz

4 液晶天線加工與實(shí)測(cè)結(jié)果分析

對(duì)液晶天線進(jìn)行了實(shí)際加工和測(cè)試,加工后的各層實(shí)物圖如圖12 所示。

圖12 液晶天線加工實(shí)物圖。(a)第一層正面;(b)第一層反面;(c)第二層正面;(d)第三層正面Fig.12 Physical image of liquid crystal antenna.(a)The front of the first layer;(b)The reverse side of the first layer;(c)The front of the second layer;(d)The front of the third layer

4.1 加載偏置電壓后的頻率調(diào)諧能力分析

偏置電壓由0 V 變化至20 V 時(shí),分析實(shí)測(cè)環(huán)境下加載偏置電壓對(duì)天線諧振頻率的影響,如圖13 所示。隨著偏置電壓的升高,天線高頻段諧振頻率從5.58 GHz 降低至5.17 GHz,偏移量為0.41 GHz,相對(duì)帶寬保持在13.7%;低頻段諧振點(diǎn)從3.56 GHz 偏移至3.28 GHz,偏移量為0.28 GHz,相對(duì)帶寬保持在20.6%。高頻段阻抗匹配變差,實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果保持了較好的一致性,但也存在一定誤差,主要是天線實(shí)際加工工藝和封裝誤差導(dǎo)致。

圖13 加載偏置電壓對(duì)天線諧振頻率的影響Fig.13 Effect of loaded bias voltage on the resonant frequency of antenna

4.2 加載偏置電壓對(duì)天線輻射方向圖的影響

偏置電壓由0 V 變化至20 V 時(shí),分析實(shí)測(cè)環(huán)境下加載偏置電壓對(duì)天線輻射方向圖的影響,如圖14 所示。天線加載電壓對(duì)液晶天線的主輻射方向影響較小,后輻射方向產(chǎn)生一定的旁瓣,高頻段增益有所減小,實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

圖14 加載偏置電壓對(duì)天線輻射方向圖的影響。(a) 3.5 GHz;(b) 5.5 GHzFig.14 Effect of loaded bias voltage on the antenna radiation pattern.(a) 3.5 GHz;(b) 5.5 GHz

表2 將本文設(shè)計(jì)的液晶天線與其他已報(bào)道文獻(xiàn)中的天線性能進(jìn)行了比對(duì),雖然本文提出的天線在設(shè)計(jì)封裝方法、尺寸等方面并不是最佳的,但在頻率調(diào)諧能力、工作帶寬等方面表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。

表2 與相關(guān)天線對(duì)比結(jié)果Tab.2 Comparison of proposed antenna to prior art

5 結(jié)論

本文為了提高可重構(gòu)天線的頻率調(diào)諧范圍,設(shè)計(jì)了液晶嵌入電調(diào)諧頻率可重構(gòu)雙頻天線,并研究了液晶嵌入取向?qū)犹幚?、封裝方法和電調(diào)諧介電特性測(cè)試原理與方法。然后,設(shè)計(jì)了液晶天線的封裝結(jié)構(gòu),分析了液晶天線寄生枝節(jié)尺寸、矩形微帶饋線矩形槽寬度、液晶材料介電常數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)變化對(duì)天線性能的影響。最后,測(cè)試了外加偏置電壓對(duì)天線諧振頻率、方向圖的影響,并與其他已報(bào)道文獻(xiàn)的性能參數(shù)進(jìn)行了比較。實(shí)測(cè)結(jié)果表明:天線高頻段諧振點(diǎn)從5.58 GHz 降低至5.17 GHz,偏移量為0.41 GHz,相對(duì)帶寬13.7%;低頻段諧振點(diǎn)從3.56 GHz 偏移至3.28 GHz,偏移量為0.28 GHz,相對(duì)帶寬20.6%。設(shè)計(jì)的液晶天線加工封裝方法簡(jiǎn)單,外形兼容性強(qiáng),功能帶寬較寬,具有雙頻可調(diào)諧能力,基本滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)頻率可重構(gòu)天線的要求。