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基于向列型液晶的磁可调U形槽微带贴片天线
录入时间:2022/9/26 19:16:11

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基于向列型液晶的磁可调U形槽微带贴片天线

Adel Kouki, Fakher Sboui and Lassaad Latrach,University of Tunis El Manar

一个可重U槽微带贴片天线使用了一个在5GHz工作的向列型液晶(LC)混合物,用于无线通信,如Wi-Fi。一个从0到1200 Oe的外部磁场改变了LC的相对介电常数,以调整贴片的谐振频率。在测量和模拟中都展示了200MHz的调节范围,最大增益为4.05dB。由于其低成本、低剖面性能,LC被认为是可重构天线的良好候选材料。

无线通信市场的增长导致了不同频段的系统和终端的标准数量增加。这种通信标准的多重性通常要求使用数根天线,每根天线专用于一个特定的频段。然而,这意味着系统尺寸的增加,对其成本、能耗和复杂性有很大影响。使用能在数个频段上工作的可重构天线可以减少尺寸、功耗和成本。

贴片天线有许多优点,如重量轻、成本适中、易于制造。然而,对于某些应用,其带宽太窄。这种限制可以通过使用PIN二极管1、变容二极管2,3、射频MEMS开关4或可调节材料(如铁电体5和LC)使其可重构来克服。6-13 通过施加电场或磁场改变LC介电常数的可能性已经吸引了微波界的研究人员几十年了。

我们设计了一个贴片天线,利用LC的特性来增加可重构性。在贴片天线和地面之间注入了线状的LC混合物E7。仿真和测量表明,在应用磁场的情况下,可调节范围为200MHz,峰值增益为4.05dB。

液晶的属性

在微波和毫米波波系统中,通过外部施加电场或磁场,LC的向列状态通常被用来改变其介电常数。使用电场来改变LC分子的方向等同于使用磁场。在本项工作中,磁场被用来改变一个贴片天线的频率。两块磁铁在天线两侧间隔5mm可以打开磁场;移开两块磁铁可以关闭磁场。

施加在LC上的磁场必须大于600 Oe。13 为了确保LC的分子与施加的磁场平行,两个磁铁被放置在距离天线两侧5mm的地方,那里的总磁场强度等于1200 Oe(见图1)。LC分子是根据所施加的磁场来定向的。当没有施加磁场时,分子的排列是通过用微观的聚酰胺薄膜覆盖LC层的下部和上部接触面决定的。这决定了垂直介电常数εr。当施加的磁场等于1200 Oe时,分子的方向与磁场相同,这决定了平行介电常数εr∥。Martin等人7使用载有LC K15的泡沫基底,获得了从4.6到4.74GHz的140MHz的可调节频率范围,使用LC E7获得了从5.43到5.66GHz的4%的调节范围。13

贴片天线结构

使用公式1到5设计了一个5GHz天线(见图2a)。14 基板是FR-4,相对介电常数εr=4.4,厚度h=1.6mm。贴片的尺寸为Ls和Ws=30mm。嵌入的馈电线Li=5.7mm,间隙Wg=0.2mm。一条50Ω的微带线(Lf=2.9mm;Wf=12.05mm)被用来给接地基底上的贴片供电。结构的选择基于CST Studio的模拟。宽度W是用以下方法计算的:

其中fc是中心频率,εreff是有效介电常数。

εreff由以下公式得出:

其中h是电介质基底的厚度。

贴片的扩展增量长度∆L由以下公式计算得出:

有效长度由下式决定:

贴片的实际长度由下式决定:

结构的最终尺寸列于表1

图2b显示了模拟的反射系数,其中|S11|在5.07GHz的谐振频率上达到了小于-19dB。没有LC的模拟辐射图(见图3)显示在5.07GHz时最大增益为2.28dB,指向性为6.80dBi。

处于向列状态的LC E7混合物,即作为一种液体材料,被注入在基底上创建的深度为1.5mm的地面以上的空腔中,LC层的上下接触面被一层聚酰胺薄膜覆盖(见图4)。在进行参数研究以确定空腔的最佳位置后,LC层被置于贴片之下。表2列出了LC层的尺寸,表3总结了其电气特性。

仿真和测量

图5是制作的贴片天线原型,图6是测量反射的装置。图7比较了两种介电常数的LC E7混合物的模拟和测量的反射系数。仿真和测量结果都显示,从没有施加磁场的5.64GHz(H=0 Oe,εr=2.72和tan(δ)=0.12)到两个磁铁距离天线两侧5mm的5.44GHz(H=1200 Oe,εr∥=3.17和tan(δ)=0.02),频率可调。共振频率的差异是∆Fr=200MHz,代表3.6%的可调节范围。当施加1200 Oe的磁场时,5.64GHz的|S11|最小模拟值为-26dB,这与tan(δ)从0.12下降到0.02有关。

图8显示了用于测量天线辐射图的装置,包括峰值增益(见图9)和E面辐射图(见图10)。图中比较了模拟和测量结果。两种情况的测量峰值增益比模拟值低约0.5dB。装有LC E7的贴片天线的最大增益约为4.05dB,辐射效率为61%。测量的增益与模拟的相似,测量的辐射图比预测的更全向。在没有施加磁场的情况下,即5.64GHz的谐振,测量和模拟的差异较小(见图10a)。在5.4GHz,在天线有磁偏压的情况下,磁铁干扰了增益的测量(见图10b)。毫不奇怪,安装在两侧和靠近孔径的金属块会影响辐射图,将辐射散射到后面。为了尽量减少这种情况,使用Helmholtz线圈创造磁场的替代方法15,可能会将这种影响降到最低。

在施加外部磁场后,LC的响应时间相对较长,以毫秒为单位。随着在微波和毫米波频率上表现出短响应时间和低损耗的新型LC的发现,这个问题就不那么令人担忧了。

表4将该天线的性能与类似工作进行了比较。本设计实现了类似的调节范围,但具有更高的增益和效率。

结论

利用调节谐振频率的新方法制作了一个使用LC E7介质层的微带贴片天线。用天线两侧间隔5mm的磁铁施加1200 Oe的磁场。磁场改变了LC的介电常数,使天线的谐振频率从5.64GHz移到5.44GHz,这适用于Wi-Fi应用。测量的辐射图在调节范围内是稳定的。除了性能之外,LC可重构天线具有较低的剖面,制造成本低。

参考文献

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3.    F. Sboui, J. Machac and A. Gharsallah, “Low-Profile Slotted SIW Cavity Backed Antenna for Frequency Agility,” Radioengineering, Vol. 28, No. 2, June 2019, pp. 386–390.

4.    K. Topalli, E. Erdil, O. A. Civi, S. Demir, S. Koc and T. Akin, “Tunable Dual Frequency RF MEMS Rectangular Slot Ring Antenna,” Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 156, No. 2, December 2009, p. 373–380.

5.    M. Sazegar, Y. L. Zheng, H. Maune, C. Damm, X. H. Zhou, J. Binder and R. Jakoby, “Low-Cost Phased-Array Antenna Using Compact Tunable Phase Shifters Based on Ferroelectric Ceramics,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 59, No. 5, May 2001, pp. 1265–1273.

6.    N. Martin, P. Laurent, C. Person, P. Gelin, and F. Huret, “Patch antenna adjustable in frequency using liquid crystal,” 33rd European Microwave Conference, October 2003, Vol. 3, pp. 1417–1420. DOI: 10.1109/EUMC.2003.177573.

7.    N. Martin, P. Laurent, C. Person, P. Gelin and F. Huret, “Size Reduction of a Liquid Crystal-Based, Frequency-Adjustable Patch Antenna,” Proceedings of the 34th European Microwave Conference, Vol. 2, November 2004, pp. 825–828.

8.    F. Sboui, J. Machac, L. Latrach and A. Gharsallah, “Triple Band Tunable SIW Cavity Antenna with Cristal Liquid Materials for Wireless Applications,” IEEE 19th Mediterranean Microwave Symposium, October 2019.

9.    N. C. Papanicolaou, M. A. Christou and A. C. Polycarpou, “Frequency-Agile Microstrip Patch Antenna on a Biased Liquid Crystal Substrate,” Electronics Letters, Vol 51, No. 3, February 2015, pp. 202–204.

10. A. C. Polycarpou, M. A. Christou and N. C. Papanicolaou, “Tunable Patch Antenna Printed on a Biased Nematic Liquid Crystal Cell,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 62, No. 10, July 2014, pp. 4980–4987.

11. L. Liu and R. J. Langley, “Liquid Crystal Tunable Microstrip Patch Antenna,” Electronics Letters, Vol. 44, No. 20, October 2008, pp. 1179–1180.

12. S. Missaoui, S. Missaoui and M. Kaddour, “Tunable Microstrip Patch Antenna Based on Liquid Crystals,” XXIst International Seminar/Workshop on Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory, September 2016.

13. L. -C. Huang, C. -M. Fu, C. -W. Lee and A. -C. Sun, “Magnetic Field Effects on the Electric Modulus Properties of Nematic Mixture E7,” Current Applied Physics, Vol. 14, No. 1, January 2014.

14. C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, 3rd edition, Wiley, 2005.

15. G. Podaru, J. Moore, R. K. Dani, P. Prakash and V. Chikan, “Nested Helmholtz Coil Design for Producing Homogeneous Transient Rotating Magnetic Fields,” Review of Scientific Instruments, Vol. 86, No. 3, March 2015.

图1 平行和垂直介电常数(a)。有效介电常数和损耗正切与外加偏置磁场的关系(b)13

图2 无LC的微带贴片天线(a)和模拟的|S11|(b)。

图3 在5.07GHz谐振频率下的模拟三维增益(a)和指向性(b)。

图4 装有LC E7的微带贴片天线。

图5 制造的原型天线。

图6 没有(a)和有(b)外加磁场的原型天线的测试装置。

图7 仿真与实测的|S11|与两个LC E7的混合介电常数。

图8 辐射图测试装置:无磁铁天线(a),有磁铁天线(b)和暗室视图(c)。

图9 两种LC E7混合介电常数下的模拟与测量峰值增益。

图10 仿真与实测的E面辐射图:在5.64GHz没有用磁场(a),在5.44GHz有磁场(b)。

表1 无LC的天线尺寸

表2 液晶层的尺寸

表3 23°C和30GHz时E7液晶的电气特性

表4 与类似工作的比较


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