液晶嵌入電調諧頻率可重構雙頻天線設計

歐仁俠 ,呂世杰 ,尤明慧

(1.吉林醫藥學院 生物醫學工程學院,吉林 吉林 132013;2.吉林農業大學 信息技術學院,吉林 長春 130018)

隨著無線通信技術的日趨成熟,無線通信設備朝著超寬帶、高數據容量、多功能等特性[1-2]發展,同時也增加了天線的數量和系統的設計制造成本。多天線容易產生干擾,降低通信效率和質量,可重構天線應運而生。可重構天線具備帶寬、頻率、輻射方向、極化方式等電性能參數可控的特性,可以根據不同的設備需求自動進行調控,使一個通信設備具備多種通信功能[3-5],已經成為目前研究的焦點。液晶材料具備電調諧特性,外加偏置電壓可以使液晶材料的介電常數連續變化,在天線設計中使用液晶材料可以實現天線的可重構特性,拓展了可重構天線的研究方法,從而實現頻率連續調諧的目的,工作頻率可以從微波段調諧到光波段[6-8]。傳統的頻率可調諧天線主要是采取各種方法優化天線的組成或結構,從而實現改變天線電結構的目的。基于液晶材料的頻率可調諧天線通過將液晶材料填充到夾層中,外加偏置電壓調諧天線夾層的介電常數,從而引起天線電參數的變化,實現頻率重構。文獻[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,基于液晶負載腔的模式匹配求解,驗證了液晶襯底上貼片天線的調諧機制取決于偏置電壓的強度。文獻[10]利用一種新型液晶混合物GT3-23001 的各向異性特性,設計了一種采用液晶技術的電調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的重新配置,滿足15.83%的連續頻率調諧,帶寬約為467.92 MHz(19.5%),但其頻率調諧能力有限。文獻[11]報道了一種用于5G 應用的嵌入液晶孔徑耦合天線,采用三層堆疊印刷結構,具有較寬的諧振頻率可調范圍,頂部的附加貼片可以調諧并增強增益,頻率調諧范圍較大,但其結構復雜,制造成本較高。

由于現有技術基本為單頻可調諧天線,本文提出了一種結構新穎的頻率可重構雙頻天線,采用三層堆疊封裝結構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,從而實現雙頻可調諧。其設計加工簡單,便于封裝,頻率調諧能力較好,具有雙頻可調諧特性,拓寬了其應用范圍。

1 液晶嵌入可重構天線的電調諧設計

1.1 液晶嵌入取向層處理方法

液晶分子在通常情況下為無序的形態,分子個體指向無法確定,可重構天線嵌入液晶時,需要通過表面取向處理的手段使嵌入液晶的可重構天線電調諧能力達到最大化[12],如圖1 所示。具體方法為:首先是介質基板表面取向膜的制作,采用旋轉涂覆法在介質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層。其次是制作微溝槽,采用特定材料沿固定方位摩擦封裝液晶材料的介質基板表面的取向膜,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,內部液晶分子也會沿固定位置分布[13]。

圖1 取向層制作方法Fig.1 Preparation method of orientation layer

1.2 液晶嵌入封裝方法

液晶嵌入封裝的結構共四部分,如圖2 所示,包括介質基板、微帶結構、嵌入液晶、地板,介質基板選取Rogers 4350。為了保證液晶填充均勻無氣泡,在上層介質基板開兩個直徑為0.1 mm 的注射孔,采取注射的方式將液晶注入到封裝結構中,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,提高液晶調諧能力和穩定性。

圖2 液晶封裝結構Fig.2 Liquid crystal package structure

1.3 液晶嵌入電調諧介電特性測試原理與方法

1.3.1 液晶嵌入電調諧測試原理

液晶材料具有介電各向異性,當液晶分子與電極的距離保持不變,低電壓時,液晶分子的偏轉角度不大,高電壓時,偏轉角度達到最大;當電壓保持不變時,液晶分子偏轉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 液晶嵌入電調諧過程Fig.3 Electrical tuning process of embedded liquid crystal

液晶材料的電調諧特性可表征為[14-15]:

式中:η為相對調諧度;Δε為絕對調諧度;ε‖為液晶分子平行于長軸的介電常數;ε⊥為液晶分子垂直于長軸時的介電常數,理論上液晶材料介電常數的變化區間是ε⊥～ε‖。

液晶兩側外加電場方向決定了介電常數張量,施加電場后液晶分子分布情況如圖4 所示。εi為液晶分子偏轉一定角度的介電常數。由于電場指令的施加,液晶分子將逐漸與射頻方位平行,從而使εi逐漸變為ε‖,液晶分子分布的平均方向可以用參數D來描述,具體為[16-17]:

圖4 施加電場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層之間的夾角。

1.3.2 液晶嵌入電調諧介電常數測試方法

液晶嵌入電調諧介電常數的具體測試方法為:測量未填充液晶材料微帶饋線的S參量;在槽體內嵌入液晶材料,并測試偏置電壓(0～Vmax)加載后的微帶饋線S參量;將測量的數據進行運算處理得出測試結果。

本文設計的天線嵌入的液晶材料型號為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,對微帶饋線下方的液晶材料介電常數進行預設,通過仿真測試得到液晶材料介電常數與頻率的關系,如圖5 所示。從仿真測試計算可以得出,在工作頻帶內仿真測試值與預設值的變化具有較好的一致性,雖然存在一定的偏差,但能滿足設計需要,仿真結果與預設值對比擬合可以得到液晶材料的實際介電常數。

圖5 液晶材料介電常數仿真測試Fig.5 Simulation test of permittivity of liquid crystal materials

2 液晶天線結構設計

液晶天線選用三層堆疊封裝方法,如圖6 所示,三層介質基板均使用Rogers 4350,εr為3.66,厚度為0.254 mm。在上層介質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、四周正六邊形貼片和加載的寄生枝節組成,正六邊形貼片通過矩形枝節與中間的正六邊形環相連接,兩個矩形枝節間的夾角a為60°。通過加載寄生枝節可以延長表面電流路徑,降低諧振頻率。調節正六邊形貼片與寄生枝節的尺寸可以增加諧振點并展寬各頻段的阻抗帶寬。在中間正六邊形環右側引出一條矩形枝節,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矩形槽,優化阻抗匹配,在其下端增加一個梯形結構,便于連接同軸接頭。在上層介質基板上側刻蝕同樣尺寸的微帶饋線結構,通過金屬通孔與下側矩形微帶饋線相連接。在上層介質基板左側開一個金屬通孔,用于連接下側的矩形連接線,引入偏置電壓。在中層介質基板與矩形微帶饋線正對的位置開一個矩形液晶填充槽。在下層介質基板上側為金屬地板。在上層介質基板靠矩形液晶填充槽兩端設置兩個直徑為0.1 mm 的小孔,用于液晶的填充和排氣。在各層介質基板分別設置四個定位孔,用于天線的固定和封裝。

圖6 液晶天線封裝結構Fig.6 Liquid crystal antenna package structure

液晶天線輻射貼片及饋電部分結構如圖7 所示,在HFSS 軟件中建立液晶天線整體結構,結構參數仿真優化后的值如表1 所示。

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

表1 液晶天線優化后結構尺寸Tab.1 Optimized structure size of liquid crystal antenna

3 液晶天線關鍵參數分析

3.1 寄生枝節尺寸對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,延長天線表面電流路徑,降低諧振頻率。圖8 為寄生枝節環寬對S11曲線的影響。可以得出,隨著寄生枝節環寬尺寸的增大,天線諧振頻率不斷降低,兩個頻段的帶寬也有所增加,說明寄生枝節的加載引入了新的耦合電容,從而增加了新的諧振點,展寬了阻抗帶寬。因此,選擇適當的寄生枝節尺寸,可以降低諧振頻率并展寬阻抗帶寬。

圖8 寄生枝節尺寸對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S11曲線的影響

在矩形微帶饋線中間開一個矩形槽,圖9 為矩形微帶饋線矩形槽寬度對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,但各頻段諧振點偏移量較小,說明選擇合適的矩形槽寬度能夠調節天線的阻抗匹配。

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

3.3 液晶材料介電常數對天線諧振頻率的影響

當液晶材料介電常數由ε⊥變化至ε‖時,分析模擬環境下液晶材料介電常數對天線性能的影響,如圖10 所示,評估液晶天線的可重構性能。從圖10 可以得出,隨著液晶材料介電常數的增加,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,相對帶寬保持在20.8%。液晶天線諧振點偏移的主要原因是開槽微帶饋線隨液晶材料介電常數的改變而產生調諧頻率的作用。

圖10 液晶材料介電常數對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 液晶材料介電常數對天線輻射方向圖的影響

液晶材料介電常數由ε⊥變化至ε‖時,分析模擬環境下介電常數對天線輻射方向圖的影響,如圖11 所示。隨著介電常數的增加,方向圖主輻射方向基本沒有變化,旁瓣有微小變動。

圖11 液晶材料介電常數對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 液晶天線加工與實測結果分析

對液晶天線進行了實際加工和測試,加工后的各層實物圖如圖12 所示。

圖12 液晶天線加工實物圖。(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諧能力分析

偏置電壓由0 V 變化至20 V 時,分析實測環境下加載偏置電壓對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,相對帶寬保持在13.7%;低頻段諧振點從3.56 GHz 偏移至3.28 GHz,偏移量為0.28 GHz,相對帶寬保持在20.6%。高頻段阻抗匹配變差,實測與仿真結果保持了較好的一致性,但也存在一定誤差,主要是天線實際加工工藝和封裝誤差導致。

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

4.2 加載偏置電壓對天線輻射方向圖的影響

偏置電壓由0 V 變化至20 V 時,分析實測環境下加載偏置電壓對天線輻射方向圖的影響,如圖14 所示。天線加載電壓對液晶天線的主輻射方向影響較小,后輻射方向產生一定的旁瓣,高頻段增益有所減小,實測結果與仿真結果基本一致。

圖14 加載偏置電壓對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 將本文設計的液晶天線與其他已報道文獻中的天線性能進行了比對,雖然本文提出的天線在設計封裝方法、尺寸等方面并不是最佳的,但在頻率調諧能力、工作帶寬等方面表現出一定的優勢。

表2 與相關天線對比結果Tab.2 Comparison of proposed antenna to prior art

5 結論

本文為了提高可重構天線的頻率調諧范圍,設計了液晶嵌入電調諧頻率可重構雙頻天線,并研究了液晶嵌入取向層處理、封裝方法和電調諧介電特性測試原理與方法。然后,設計了液晶天線的封裝結構,分析了液晶天線寄生枝節尺寸、矩形微帶饋線矩形槽寬度、液晶材料介電常數等關鍵參數變化對天線性能的影響。最后,測試了外加偏置電壓對天線諧振頻率、方向圖的影響,并與其他已報道文獻的性能參數進行了比較。實測結果表明:天線高頻段諧振點從5.58 GHz 降低至5.17 GHz,偏移量為0.41 GHz,相對帶寬13.7%;低頻段諧振點從3.56 GHz 偏移至3.28 GHz,偏移量為0.28 GHz,相對帶寬20.6%。設計的液晶天線加工封裝方法簡單,外形兼容性強,功能帶寬較寬,具有雙頻可調諧能力,基本滿足現代通信系統對頻率可重構天線的要求。