液晶嵌入电调谐频率可重构双频天线设计

欧仁侠 ,吕世杰 ,尤明慧

(1.吉林医药学院 生物医学工程学院,吉林 吉林 132013;2.吉林农业大学 信息技术学院,吉林 长春 130018)

随着无线通信技术的日趋成熟,无线通信设备朝着超宽带、高数据容量、多功能等特性[1-2]发展,同时也增加了天线的数量和系统的设计制造成本。多天线容易产生干扰,降低通信效率和质量,可重构天线应运而生。可重构天线具备带宽、频率、辐射方向、极化方式等电性能参数可控的特性,可以根据不同的设备需求自动进行调控,使一个通信设备具备多种通信功能[3-5],已经成为目前研究的焦点。液晶材料具备电调谐特性,外加偏置电压可以使液晶材料的介电常数连续变化,在天线设计中使用液晶材料可以实现天线的可重构特性,拓展了可重构天线的研究方法,从而实现频率连续调谐的目的,工作频率可以从微波段调谐到光波段[6-8]。传统的频率可调谐天线主要是采取各种方法优化天线的组成或结构,从而实现改变天线电结构的目的。基于液晶材料的频率可调谐天线通过将液晶材料填充到夹层中,外加偏置电压调谐天线夹层的介电常数,从而引起天线电参数的变化,实现频率重构。文献[9]研究了液晶衬底上矩形微带贴片天线谐振频率和辐射模式的理论模型,基于液晶负载腔的模式匹配求解,验证了液晶衬底上贴片天线的调谐机制取决于偏置电压的强度。文献[10]利用一种新型液晶混合物GT3-23001 的各向异性特性,设计了一种采用液晶技术的电调谐微波圆极化交叉缝隙贴片天线,通过外部电指令控制频率响应的重新配置,满足15.83%的连续频率调谐,带宽约为467.92 MHz(19.5%),但其频率调谐能力有限。文献[11]报道了一种用于5G 应用的嵌入液晶孔径耦合天线,采用三层堆叠印刷结构,具有较宽的谐振频率可调范围,顶部的附加贴片可以调谐并增强增益,频率调谐范围较大,但其结构复杂,制造成本较高。

由于现有技术基本为单频可调谐天线,本文提出了一种结构新颖的频率可重构双频天线,采用三层堆叠封装结构和微带耦合馈电方式,在馈电微带下方填充液晶,利用液晶材料的电控特性改变天线的电特性,从而实现双频可调谐。其设计加工简单,便于封装,频率调谐能力较好,具有双频可调谐特性,拓宽了其应用范围。

1 液晶嵌入可重构天线的电调谐设计

1.1 液晶嵌入取向层处理方法

液晶分子在通常情况下为无序的形态,分子个体指向无法确定,可重构天线嵌入液晶时,需要通过表面取向处理的手段使嵌入液晶的可重构天线电调谐能力达到最大化[12],如图1 所示。具体方法为:首先是介质基板表面取向膜的制作,采用旋转涂覆法在介质基板表面涂上一定厚度的聚酰亚胺高分子原材料,在高温烘烤下固化形成取向层。其次是制作微沟槽,采用特定材料沿固定方位摩擦封装液晶材料的介质基板表面的取向膜,形成分布均匀且同液晶分子尺寸接近的微沟槽,从而使靠近微沟槽的液晶分子沿特定位置分布,在液晶分子相互作用下,内部液晶分子也会沿固定位置分布[13]。

图1 取向层制作方法Fig.1 Preparation method of orientation layer

1.2 液晶嵌入封装方法

液晶嵌入封装的结构共四部分,如图2 所示,包括介质基板、微带结构、嵌入液晶、地板,介质基板选取Rogers 4350。为了保证液晶填充均匀无气泡,在上层介质基板开两个直径为0.1 mm 的注射孔,采取注射的方式将液晶注入到封装结构中,通过小孔一端注射一端排气,最大限度地保证封装的液晶均匀无气泡,提高液晶调谐能力和稳定性。

图2 液晶封装结构Fig.2 Liquid crystal package structure

1.3 液晶嵌入电调谐介电特性测试原理与方法

1.3.1 液晶嵌入电调谐测试原理

液晶材料具有介电各向异性,当液晶分子与电极的距离保持不变,低电压时,液晶分子的偏转角度不大,高电压时,偏转角度达到最大;当电压保持不变时,液晶分子偏转角度随着液晶分子与电极的距离的增加而增加,变化过程如图3 所示。

图3 液晶嵌入电调谐过程Fig.3 Electrical tuning process of embedded liquid crystal

液晶材料的电调谐特性可表征为[14-15]:

式中:η为相对调谐度;Δε为绝对调谐度;ε‖为液晶分子平行于长轴的介电常数;ε⊥为液晶分子垂直于长轴时的介电常数,理论上液晶材料介电常数的变化区间是ε⊥～ε‖。

液晶两侧外加电场方向决定了介电常数张量,施加电场后液晶分子分布情况如图4 所示。εi为液晶分子偏转一定角度的介电常数。由于电场指令的施加,液晶分子将逐渐与射频方位平行,从而使εi逐渐变为ε‖,液晶分子分布的平均方向可以用参数D来描述,具体为[16-17]:

图4 施加电场后液晶分子分布情况Fig.4 Liquid crystal molecular distribution when an electric field is applied

式中:θ为液晶分子轴向与取向层之间的夹角。

1.3.2 液晶嵌入电调谐介电常数测试方法

液晶嵌入电调谐介电常数的具体测试方法为:测量未填充液晶材料微带馈线的S参量;在槽体内嵌入液晶材料,并测试偏置电压(0～Vmax)加载后的微带馈线S参量;将测量的数据进行运算处理得出测试结果。

本文设计的天线嵌入的液晶材料型号为F026,理论上的介电参量为ε⊥=2.4,ε‖=2.65,tanδ=0.03。天线在HFSS 软件仿真过程中,对微带馈线下方的液晶材料介电常数进行预设,通过仿真测试得到液晶材料介电常数与频率的关系,如图5 所示。从仿真测试计算可以得出,在工作频带内仿真测试值与预设值的变化具有较好的一致性,虽然存在一定的偏差,但能满足设计需要,仿真结果与预设值对比拟合可以得到液晶材料的实际介电常数。

图5 液晶材料介电常数仿真测试Fig.5 Simulation test of permittivity of liquid crystal materials

2 液晶天线结构设计

液晶天线选用三层堆叠封装方法,如图6 所示,三层介质基板均使用Rogers 4350,εr为3.66,厚度为0.254 mm。在上层介质基板背面刻蚀辐射贴片和开槽微带馈线,辐射贴片由中间正六边形环、四周正六边形贴片和加载的寄生枝节组成,正六边形贴片通过矩形枝节与中间的正六边形环相连接,两个矩形枝节间的夹角a为60°。通过加载寄生枝节可以延长表面电流路径,降低谐振频率。调节正六边形贴片与寄生枝节的尺寸可以增加谐振点并展宽各频段的阻抗带宽。在中间正六边形环右侧引出一条矩形枝节,便于通过金属通孔加载外部偏置电压。通过矩形微带馈线馈电,在矩形微带馈线中间开一个矩形槽,优化阻抗匹配,在其下端增加一个梯形结构,便于连接同轴接头。在上层介质基板上侧刻蚀同样尺寸的微带馈线结构,通过金属通孔与下侧矩形微带馈线相连接。在上层介质基板左侧开一个金属通孔,用于连接下侧的矩形连接线,引入偏置电压。在中层介质基板与矩形微带馈线正对的位置开一个矩形液晶填充槽。在下层介质基板上侧为金属地板。在上层介质基板靠矩形液晶填充槽两端设置两个直径为0.1 mm 的小孔,用于液晶的填充和排气。在各层介质基板分别设置四个定位孔,用于天线的固定和封装。

图6 液晶天线封装结构Fig.6 Liquid crystal antenna package structure

液晶天线辐射贴片及馈电部分结构如图7 所示,在HFSS 软件中建立液晶天线整体结构,结构参数仿真优化后的值如表1 所示。

图7 液晶天线辐射贴片及馈电部分结构Fig.7 Radiation patch and feed part structure of liquid crystal antenna

表1 液晶天线优化后结构尺寸Tab.1 Optimized structure size of liquid crystal antenna

3 液晶天线关键参数分析

3.1 寄生枝节尺寸对S11曲线的影响

在辐射贴片四周的正六边形贴片周围加载寄生枝节,延长天线表面电流路径,降低谐振频率。图8 为寄生枝节环宽对S11曲线的影响。可以得出,随着寄生枝节环宽尺寸的增大,天线谐振频率不断降低,两个频段的带宽也有所增加,说明寄生枝节的加载引入了新的耦合电容,从而增加了新的谐振点,展宽了阻抗带宽。因此,选择适当的寄生枝节尺寸,可以降低谐振频率并展宽阻抗带宽。

图8 寄生枝节尺寸对S11曲线的影响Fig.8 Influence of parasitic branch size on S11

3.2 矩形微带馈线矩形槽宽度对S11曲线的影响

在矩形微带馈线中间开一个矩形槽,图9 为矩形微带馈线矩形槽宽度对S11曲线的影响。由图9 可以得出,随着矩形槽宽度的增大,天线谐振程度不断加深,但各频段谐振点偏移量较小,说明选择合适的矩形槽宽度能够调节天线的阻抗匹配。

图9 矩形微带馈线矩形槽宽度对S11曲线的影响Fig.9 Influence of regular hexagonal ring size on S11

3.3 液晶材料介电常数对天线谐振频率的影响

当液晶材料介电常数由ε⊥变化至ε‖时,分析模拟环境下液晶材料介电常数对天线性能的影响,如图10 所示,评估液晶天线的可重构性能。从图10 可以得出,随着液晶材料介电常数的增加,液晶天线高频段谐振频率从5.5 GHz 降低至5.12 GHz,偏移量为0.38 GHz,相对带宽保持在13.1%;低频段谐振频率从3.5 GHz 偏移至3.24 GHz,偏移量为0.26 GHz,低频段谐振程度有一定增加,相对带宽保持在20.8%。液晶天线谐振点偏移的主要原因是开槽微带馈线随液晶材料介电常数的改变而产生调谐频率的作用。

图10 液晶材料介电常数对天线谐振频率的影响Fig.10 Effect of permittivity of liquid crystal material on resonant frequency of antenna

3.4 液晶材料介电常数对天线辐射方向图的影响

液晶材料介电常数由ε⊥变化至ε‖时,分析模拟环境下介电常数对天线辐射方向图的影响,如图11 所示。随着介电常数的增加,方向图主辐射方向基本没有变化,旁瓣有微小变动。

图11 液晶材料介电常数对天线辐射方向图的影响。(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 液晶天线加工与实测结果分析

对液晶天线进行了实际加工和测试,加工后的各层实物图如图12 所示。

图12 液晶天线加工实物图。(a)第一层正面;(b)第一层反面;(c)第二层正面;(d)第三层正面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 加载偏置电压后的频率调谐能力分析

偏置电压由0 V 变化至20 V 时,分析实测环境下加载偏置电压对天线谐振频率的影响,如图13 所示。随着偏置电压的升高,天线高频段谐振频率从5.58 GHz 降低至5.17 GHz,偏移量为0.41 GHz,相对带宽保持在13.7%;低频段谐振点从3.56 GHz 偏移至3.28 GHz,偏移量为0.28 GHz,相对带宽保持在20.6%。高频段阻抗匹配变差,实测与仿真结果保持了较好的一致性,但也存在一定误差,主要是天线实际加工工艺和封装误差导致。

图13 加载偏置电压对天线谐振频率的影响Fig.13 Effect of loaded bias voltage on the resonant frequency of antenna

4.2 加载偏置电压对天线辐射方向图的影响

偏置电压由0 V 变化至20 V 时,分析实测环境下加载偏置电压对天线辐射方向图的影响,如图14 所示。天线加载电压对液晶天线的主辐射方向影响较小,后辐射方向产生一定的旁瓣,高频段增益有所减小,实测结果与仿真结果基本一致。

图14 加载偏置电压对天线辐射方向图的影响。(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 将本文设计的液晶天线与其他已报道文献中的天线性能进行了比对,虽然本文提出的天线在设计封装方法、尺寸等方面并不是最佳的,但在频率调谐能力、工作带宽等方面表现出一定的优势。

表2 与相关天线对比结果Tab.2 Comparison of proposed antenna to prior art

5 结论

本文为了提高可重构天线的频率调谐范围,设计了液晶嵌入电调谐频率可重构双频天线,并研究了液晶嵌入取向层处理、封装方法和电调谐介电特性测试原理与方法。然后,设计了液晶天线的封装结构,分析了液晶天线寄生枝节尺寸、矩形微带馈线矩形槽宽度、液晶材料介电常数等关键参数变化对天线性能的影响。最后,测试了外加偏置电压对天线谐振频率、方向图的影响,并与其他已报道文献的性能参数进行了比较。实测结果表明:天线高频段谐振点从5.58 GHz 降低至5.17 GHz,偏移量为0.41 GHz,相对带宽13.7%;低频段谐振点从3.56 GHz 偏移至3.28 GHz,偏移量为0.28 GHz,相对带宽20.6%。设计的液晶天线加工封装方法简单,外形兼容性强,功能带宽较宽,具有双频可调谐能力,基本满足现代通信系统对频率可重构天线的要求。