基于向列型液晶的磁可調(diào)U形槽微帶貼片天線(xiàn)

一個(gè)可重構(gòu)U形槽微帶貼片天線(xiàn)使用了一個(gè)在5GHz工作的向列型液晶（LC）混合物，用于無(wú)線(xiàn)通信，如Wi-Fi。一個(gè)從0到1200 Oe的外部磁場(chǎng)改變了LC的相對(duì)介電常數(shù)，以調(diào)整貼片的諧振頻率。在測(cè)量和模擬中都展示了200MHz的調(diào)節(jié)范圍，最大增益為4.05dB。由于其低成本、低剖面和高性能，LC被認(rèn)為是可重構(gòu)天線(xiàn)的良好候選材料。

無(wú)線(xiàn)通信市場(chǎng)的增長(zhǎng)導(dǎo)致了不同頻段的系統(tǒng)和終端的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量增加。這種通信標(biāo)準(zhǔn)的多重性通常要求使用數(shù)根天線(xiàn)，每根天線(xiàn)專(zhuān)用于一個(gè)特定的頻段。然而，這意味著系統(tǒng)尺寸的增加，對(duì)其成本、能耗和復(fù)雜性有很大影響。使用能在數(shù)個(gè)頻段上工作的可重構(gòu)天線(xiàn)可以減少尺寸、功耗和成本。

貼片天線(xiàn)有許多優(yōu)點(diǎn)，如重量輕、成本適中、易于制造。然而，對(duì)于某些應(yīng)用，其帶寬太窄。這種限制可以通過(guò)使用PIN二極管1、變?nèi)荻O管2,3、射頻MEMS開(kāi)關(guān)4或可調(diào)節(jié)材料（如鐵電體5和LC）使其可重構(gòu)來(lái)克服。6-13 通過(guò)施加電場(chǎng)或磁場(chǎng)改變LC介電常數(shù)的可能性已經(jīng)吸引了微波界的研究人員幾十年了。

我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)貼片天線(xiàn)，利用LC的特性來(lái)增加可重構(gòu)性。在貼片天線(xiàn)和地面之間注入了線(xiàn)狀的LC混合物E7。仿真和測(cè)量表明，在應(yīng)用磁場(chǎng)的情況下，可調(diào)節(jié)范圍為200MHz，峰值增益為4.05dB。

液晶的屬性

在微波和毫米波波系統(tǒng)中，通過(guò)外部施加電場(chǎng)或磁場(chǎng)，LC的向列狀態(tài)通常被用來(lái)改變其介電常數(shù)。使用電場(chǎng)來(lái)改變LC分子的方向等同于使用磁場(chǎng)。在本項(xiàng)工作中，磁場(chǎng)被用來(lái)改變一個(gè)貼片天線(xiàn)的頻率。兩塊磁鐵在天線(xiàn)兩側(cè)間隔5mm可以打開(kāi)磁場(chǎng)；移開(kāi)兩塊磁鐵可以關(guān)閉磁場(chǎng)。

施加在LC上的磁場(chǎng)必須大于600 Oe。13 為了確保LC的分子與施加的磁場(chǎng)平行，兩個(gè)磁鐵被放置在距離天線(xiàn)兩側(cè)5mm的地方，那里的總磁場(chǎng)強(qiáng)度等于1200 Oe（見(jiàn)圖1）。LC分子是根據(jù)所施加的磁場(chǎng)來(lái)定向的。當(dāng)沒(méi)有施加磁場(chǎng)時(shí)，分子的排列是通過(guò)用微觀的聚酰胺薄膜覆蓋LC層的下部和上部接觸面決定的。這決定了垂直介電常數(shù)εr⊥。當(dāng)施加的磁場(chǎng)等于1200 Oe時(shí)，分子的方向與磁場(chǎng)相同，這決定了平行介電常數(shù)εr∥。Martin等人7使用載有LCK15的泡沫基底，獲得了從4.6到4.74GHz的140MHz的可調(diào)節(jié)頻率范圍，使用LC E7獲得了從5.43到5.66GHz的4%的調(diào)節(jié)范圍。13

圖1 平行和垂直介電常數(shù)（a）。有效介電常數(shù)和損耗正切與外加偏置磁場(chǎng)的關(guān)系(b)13。

貼片天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

使用公式1到5設(shè)計(jì)了一個(gè)5GHz天線(xiàn)（見(jiàn)圖2a）。14 基板是FR-4，相對(duì)介電常數(shù)εr=4.4，厚度h=1.6mm。貼片的尺寸為L(zhǎng)s和Ws=30mm。嵌入的饋電線(xiàn)Li=5.7mm，間隙Wg=0.2mm。一條50Ω的微帶線(xiàn)（Lf=2.9mm；Wf=12.05mm）被用來(lái)給接地基底上的貼片供電。結(jié)構(gòu)的選擇基于CST Studio的模擬。寬度W是用以下方法計(jì)算的：

審核編輯 ：李倩