基于向列型液晶的磁可调U形槽微带贴片天线 留言

作者：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

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。

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：

原文始发于微信公众号（actMWJC）：基于向列型液晶的磁可调U形槽微带贴片天线（原载于《微波杂志》9/10月号）