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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

一个可重构U形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、低剖面和高性能，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ε_r⊥。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ε_r∥。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ε_r=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f_c是中心频率，ε_reff是有效介电常数。

ε_reff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，ε_r⊥=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，ε_r∥=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。

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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