基于液态金属的柔性频率可重构CPW天线设计

1 引言

近年来，无线通信技术得到迅猛发展，各领域对其要求与日俱增.为了在满足信息系统多功能、大容量等要求的同时，也降低综合信息系统的制作成本、减小信息系统体积，各种收发天线被大量的安装在系统内部，这就使得同一平台上搭载的信息子系统数量增加.而天线数目的增多，势必会造成信息系统内部的复杂和严重的电磁耦合干扰，从而影响系统的整体性能[1].正是在这种情况下，提出了“可重构天线”的概念[2]，并且在天线领域受到的关注与重视越来越多.目前所提出的可重构天线，基本上都是通过MEMS开关或PIN二极管控制天线的辐射结构来实现工作频率的改变[3,4].但是固态金属天线在受力弯曲时其结构会起皱，甚至破裂，导致天线功能失效，使其无法应用于设备弯曲表面.

JH So等人在2009年发现镓铟合金(Eutectic Gallium-Indium,EGaIn)在室温下呈液态，具备天线所需的电特性，是一种可替代铜的新型天线材料，并制作了一款形状可逆和机械可调的液态天线，辐射效率可达到铜天线的90%[5].Liu等人表明采用EGaIn作为材料制成的天线具有铜材质所不具备的特性，如反复弯折不会导致材料“疲劳”，以及在受到外力作用被截断或弯曲时具有自我修复能力等[6].自此以后，柔性天线如雨后春笋般涌现，如可拉伸不平衡回路天线[7]、高度可调的锥形螺旋天线[8]和微流控电小天线[9]等，基本上都是依据高弹性介质和液态金属的特性来实现可重构的要求.2015年，M.Wang等人设计出一种电化学控制毛细管制动的液态金属可重构天线[10]；2016年，Liu P等人以双臂阿基米德螺旋天线为原型，提出了一种通过微型风机鼓风改变高度进而重构微波方向性的宽带天线[11].但是这种外部辅助装置不易在电子设备中安装.故本文提出一种机械施压的频率可重构天线，可以满足WLAN、WiMAX和部分C波段的通信要求.

2 天线设计

基于液态金属的流动性及自我修复能力,设计并制作一款频率可重构的多频共面波导(CPW)馈电天线.天线的辐射单元由四个在微带线两侧相对分裂的同心金属环所组成的圆形谐振环构成，在微带线适当位置通过机械施压，使弹性介质上下接触，截断圆形谐振环间的连接，实现不同谐振环之间的耦合作用,从而实现改变天线频率的目的.撤去外力时，由于介质的高弹性和液态金属的流动性，谐振环之间恢复连接.通过在不同位置施加压力而截断不同谐振环间的连接,可以实现不同频率的改变.使用HFSS软件对天线进行设计和仿真，优化天线的辐射结构和物理尺寸，实现良好的阻抗匹配和较低的回波损耗等，达到指标要求.

PDMS是一种高分子有机硅化合物，在低温下为一种粘稠状液体，加热可使其固化，且具备高弹性的特性，因此本天线采用PDMS作为弹性体来包裹液态金属.PDMS的相对介电常数εr≈2.67，介电损耗角正切tanδ=0.0375.天线辐射贴片和参考地面的材料使用EGaIn，其在室温下为液态，导电性能优异，电导率高，为3.4×104S/cm，且其毒性很低.图1为所设计的多频CPW天线结构示意图，该天线的介质基板为PDMS，尺寸为28.45×21×1.6mm3.共面波导馈电线的宽度W3=4mm，微带线与两侧地面的间距W4=0.5mm；谐振环的半径和开口尺寸依次为r1～r4，a1～a4；谐振环的宽度与环间距相等，均为r.

表1 天线结构中的尺寸参数(单位:mm)

3 仿真结果分析

图2给出了在天线的物理结构和尺寸相同的条件下，EGaIn和铜分别作为天线材料时，在PDMS和FR4两种介质基板下天线的回波损耗S11曲线与其辐射效率图.从图2(a)与(b)中可以看出，当天线材料一样时，使用PDMS作介质基板与FR4作介质基板相比，天线的谐振点向高频偏移，天线频段变宽、S11值降低，天线的性能提升较大.这是由于相对介电常数会影响天线的带宽，介电常数越低，对场的束缚就会越弱，带宽相应的会变宽.与FR4介质基板相比，PDMS的相对介电常数相对较低 (PDMS的εr≈2.67，FR4的εr≈4.4) .因此在相同尺寸下，以EGaIn作为天线材料，PDMS作为介质基板，天线的性能有所提高，而且还会具备高弹性的特性.图2(c)中显示使用EGaIn时，天线的辐射效率整体与铜相比较低，最大差值为17.5%，但由于天线材料自身特性及其天线物理结构等原因，使得天线在3GHz左右时辐射效率比铜略高.

在确定介质基板后，然后研究以何种方式来实现CPW天线的频率可重构.笔者提出两种方法进行试验：一是改变谐振环的开口尺寸；二是改变谐振环之间的通断路状态，即改变微带线与谐振环的连接数量.

图3为通过改变谐振环开口尺寸来实现CPW天线的频率可重构的回波损耗图.从图中可以看出，当改变某一谐振环的开口尺寸而其他结构不变时，天线的频段和谐振点几乎不变，只有S11值发生了明显的变化.这是因为在不改变谐振环数量而仅改变其开口尺寸的情况下，谐振环间的电磁耦合对于天线的影响很小.在不考虑电磁耦合作用的前提下，改变谐振环开口尺寸，影响了SRR的等效电容与等效电阻，开口尺寸的变大导致其等效电容相对变大，SRR在该频点处产生了更为稳定、有效的电磁谐振.同时，谐振环开口尺寸的变化也影响着整个天线的分布电容与分布电阻，进而影响天线与馈线间的匹配.当a1=1.2mm，a2=0.6mm，a3=1mm，a4=1.1mm时，天线与微带馈线实现最优阻抗匹配，损耗大幅度降低.

其次，研究谐振环之间通断路对于天线频率和回波损耗的影响.通过在微带线上施压来控制谐振环间的通断路，以改变天线辐射贴片表面的电流分布，进而使天线的频率可重构.谐振环间微带线的施压位置从下到上依次定义为a、b、c，施压面积为1×0.85mm2，其中1mm为微带线在此处的宽度，0.85mm为环之间的距离，如图1(b)所示.图4给出了截断不同谐振环间连接的回波损耗曲线图.在数值仿真时，天线的所有参数均保持不变，只研究在微带线不同位置施加压力的情况下，回波损耗和谐振点的变化趋势.由图2(a)可知，未施压时，天线覆盖了WLAN和WiMAX频段.观察图4可知，当在a处施压后，产生了工作于WLAN的频点，即5.63GHz；在b处施压后没有产生有用的频点；在c处施压后，其在2.45GHz处的S11值降低，并出现了用于通信卫星下行传输信号的C波段频段.图5为天线在不同频点处E面和H面的方向图，天线在E面为双向辐射，在H面为全向辐射.

4 天线制作与测试

经HFSS仿真及以上分析，确定了天线的尺寸，然后利用MEMS工艺制作，工艺流程如图6(a)所示.首先利用紫外光刻技术将设计在掩膜版上的天线图案复制到已旋涂在硅片上的SU-8胶上，制作出该天线的负模；其次把PDMS浇注在SU-8负模上进行倒模，得到其正模结构；最后对PDMS结构作改性处理，封装其结构和盖片，再注射液态金属，制得所需天线.

液态天线PDMS正模的具体制作过程：将预聚物和固化剂按质量10∶1的比例配制，在烧杯中充分搅拌5min，放进真空室进行真空脱泡2h，目的是彻底去除其中的空气泡；把制作好的PDMS浇注在SU-8模具上进行倒模，在真空箱中静置12h，目的是进行脱泡并把PDMS均匀水平摊开；把模型复制到PDMS上后，在烘台上由室温缓升加热，并在75℃加热4h使其完全固化.

PDMS盖片的具体制作过程：将预聚物和固化剂按质量15∶1的比例配制，搅匀，脱泡；其次把PDMS旋涂在硅片上，在70℃加热20分钟，使其部分固化.

PDMS模具的封装：将PDMS模具进行Plasma等离子处理，改变其表面特性，然后与PDMS盖片迅速贴合，放入0.1MPa的真空干燥箱以65℃键合24h，使其永久粘合.表2给出了在对PDMS作改性处理时，改性时间、射频功率和氧气流量等参数对薄膜的影响[12～14].

表2 不同改性参数对PDMS薄膜的影响

经上述工艺制作好包裹液态金属的弹性体，使用1ml的注射器手动注入EGaIn，使其充满整个PDMS通道，用被乙醇溶液浸湿的棉花球拭净入口和出口处的残留液，然后在烘台上以75℃加热1h，以彻底密封出入孔.

用矢量网络分析仪Agilent N5224A对天线的回波损耗进行测试，图7(a)、(b)为测试结果，与仿真结果相比存在较小误差.这是由于利用MEMS工艺制作天线的过程中存在一定的精度误差，以及在测试过程中存在控制误差，包括介质层的厚度、液态金属的分布和连接SMA接头出现的损耗等.c处开路时的测试结果与仿真结果也有较小误差，此处产生误差除了上述原因外，还包括在微带线上机械压力的不均匀施加与施压面积不精准等.

此外还对天线进行弯曲一定角度来测试天线的性能，结果发现当对左右侧轻微弯曲时，天线的性能大致不变；但是在弯曲天线顶部时，其谐振点、频段及S11值都发生较大的变化.图7(d)为对天线顶部分别弯曲15°、30°和45°时的测试图.从图7(e)的表面的电流分布图可知，电流主要分布在微带线表面，故当弯曲顶部时，微带线的物理结构与尺寸发生改变，引起电场与磁场较大的变化，造成天线谐振点的偏移以及S11值的改变.因此在使用过程中应尽量避免天线的微带线部分发生弯曲，以防天线的性能发生过大的改变.

5 结束语

通过仿真和测试可知，本文提出的液态金属天线实现了多频段、体积小、可重构等特点.天线通过将液态金属EGaIn包裹在PDMS弹性体中形成，可以承受较大的压力，不仅在变形后不会损坏，且会在撤消压力后自动恢复，具有良好的可靠性和自我恢复能力.另外，由于其柔性特征，还可应用于某些不平整或弯曲的物体表面，并有良好的契合效果，但若形变过大，则会影响天线的性能。柔性液态金属天线良好的机械稳定性、灵活性和耐用性等，使其在弯曲面的集成电子设备和柔性电子器件等需共形天线的领域具有广阔的应用前景.