0 引言

    天線作為無(wú)線通信系統(tǒng)中的重要組成部分，能夠?qū)崿F(xiàn)電磁波的接收與發(fā)射，在許多集成化的小型電子設(shè)備中發(fā)揮著不可替代的作用。但是隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，在這些高度集成的小型化系統(tǒng)中，留給天線的物理空間相當(dāng)有限^[1]，所以對(duì)天線性能的要求也越來(lái)越高。這就需要一個(gè)能夠在多個(gè)不同頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)相同性能的天線，即頻率可重構(gòu)天線^[2]。該類天線可通過(guò)改變天線的表面電流來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的可重構(gòu)，如加載變?nèi)荻O管^[3]可以改變電流的路徑，加載PIN(P區(qū)-本征層(Intrinsic)-N區(qū))二極管開(kāi)關(guān)^[4]、射頻微機(jī)電系統(tǒng)(Radio Frequency Micro-Electro Mechanical Systems，RF-MEMS)開(kāi)關(guān)^[5]、場(chǎng)效應(yīng)管(Field Effect Transistor，F(xiàn)ET)開(kāi)關(guān)^[6]等可以控制電流的通斷，此外，還可以改變天線的機(jī)械結(jié)構(gòu)及材料特性^[7-10]。本文就是通過(guò)改變機(jī)械結(jié)構(gòu)和材料特性兩種方法實(shí)現(xiàn)天線的頻率可重構(gòu)，選用柔性材料聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)作為天線的介質(zhì)基底，液態(tài)金屬鎵銦合金(Eutectic Gallium-Indium，EGaIn)作為輻射元件和接地平面，可通過(guò)彎曲、拉伸等機(jī)械調(diào)節(jié)來(lái)改變其工作頻率。

    柔性材料PDMS和液態(tài)金屬EGaIn的組合特性非常適合柔性天線的應(yīng)用^[11]。2009年，MICHAEL D D等人^[12]發(fā)現(xiàn)了EGaIn在室溫下呈液態(tài)并發(fā)明了液態(tài)金屬天線，大幅提高了柔性天線的輻射效率。液態(tài)金屬不僅能很好地接收信號(hào)，而且反復(fù)彎折也不會(huì)導(dǎo)致材料疲勞或開(kāi)裂，具有很強(qiáng)的自我修復(fù)能力，因此具備了實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)天線的特質(zhì)^[13]。而常規(guī)的柔性天線雖然基底選用了柔性材料，但金屬結(jié)構(gòu)不是柔性的，經(jīng)過(guò)反復(fù)彎曲及拉伸后容易失效，金屬結(jié)構(gòu)開(kāi)裂并且表面極易氧化，導(dǎo)致柔性天線沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。填充液態(tài)金屬的柔性天線避免了上述缺點(diǎn)，具有穩(wěn)定的輻射方向性，可用于仿生傳感、智能穿戴、電子皮膚等小型化的柔性電子器件，并且在軍事、生物醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

    本文設(shè)計(jì)了一種柔性微帶天線，使用軟光刻工藝來(lái)制作定義輻射元件和接地平面形狀的兩個(gè)PDMS微流體通道^[9]，然后將液態(tài)金屬EGaIn注入PDMS的微流體通道，能夠?qū)崿F(xiàn)可逆變形和機(jī)械可調(diào)。然后對(duì)其天線性能(回波損耗及輻射方向)和機(jī)械性能(彎曲度及拉伸性)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果良好，基本擬合仿真曲線。

1 天線設(shè)計(jì)

    微帶天線的介質(zhì)基板使用相對(duì)介電常數(shù)ε_r≈2.67、介電損耗角正切tanδ=0.037 5的可拉伸彈性體PDMS，輻射貼片使用鎵銦質(zhì)量比為3:1、熔點(diǎn)為15.7 ℃、電導(dǎo)率為3.4×10⁶ S/m的EGaIn，其在室溫下為液態(tài)，可快速充滿通道，并在與氧氣接觸后形成一層薄的氧化層，使其保持較高的機(jī)械穩(wěn)定性。

    基于PDMS的高彈性特性和EGaIn的流動(dòng)性及機(jī)械穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)并制作一款在4.4 GHz~5.8 GHz范圍內(nèi)頻率可重構(gòu)的微帶貼片天線。圖1為天線的仿真模型，采用同軸線饋電方式，饋電位置離中心距離為3.65 mm，以提供50 Ω的輸入阻抗，天線底部設(shè)計(jì)有半徑為0.1 mm、間距為4.5 mm的微柱陣列。

    微帶輻射貼片天線的有效長(zhǎng)度近似為半波長(zhǎng)，輻射貼片長(zhǎng)l與寬w估算公式如下：

式中，ε_r為介質(zhì)基板的介電常數(shù)，ε_e是有效介電常數(shù)，c是光速，f是諧振頻率，h是PDMS板的厚度。

    由式(1)可知，微帶貼片天線的諧振頻率隨著其有效長(zhǎng)度的增加而減小，利用PDMS高彈性的性質(zhì)，可以通過(guò)拉伸PDMS以改變天線的諧振頻率。取諧振頻率f=5.7 GHz，由上述公式計(jì)算得到l=17.8 mm，w=19.35 mm。由于天線通過(guò)拉伸以改變諧振頻率，建立參考地面與輻射貼片間的關(guān)系式，取參考地面長(zhǎng)L=2l，寬W=2w。介質(zhì)基板的厚度為1.6 mm。

2 仿真結(jié)果分析

    確定天線的大致尺寸后，在HFSS中進(jìn)行建模仿真可知，初始值并沒(méi)有使天線達(dá)到5.7 GHz，且各項(xiàng)性能指標(biāo)也沒(méi)有滿足要求。然后使用HFSS對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使天線達(dá)到最佳性能。通過(guò)對(duì)天線輻射貼片的尺寸進(jìn)行掃頻分析，選出最優(yōu)值l=14.8 mm，w=18.5 mm。

    圖2、圖3為通過(guò)改變w與l的值來(lái)實(shí)現(xiàn)微帶天線頻率可重構(gòu)的回波損耗圖。從圖中可知，當(dāng)僅改變w的值時(shí)，天線的諧振頻率變化很小，即天線的諧振頻率不隨輻射貼片寬度的變化而變化，當(dāng)w=18.3 mm時(shí)，S₁₁值最優(yōu)；當(dāng)w=18.3 mm，其他條件不變，僅改變l值時(shí)，隨著l值的增加，天線的諧振頻率向低頻靠近，S₁₁也隨之有所波動(dòng)。

    圖4是天線的輻射方向圖。圖示結(jié)果顯示，天線旁瓣較小，沒(méi)有明顯的裂瓣產(chǎn)生，且最大增益為5.617 2 dB，滿足實(shí)際的工作要求。

3 天線制備

    經(jīng)HFSS仿真優(yōu)化確定天線尺寸，設(shè)計(jì)掩膜版圖。使用PDMS進(jìn)行倒模獲取其結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行封裝測(cè)試。首先利用紫外光刻工藝制作具有輻射貼片和參考地面結(jié)構(gòu)的SU-8負(fù)模；其次對(duì)SU-8負(fù)模進(jìn)行Parylene氣相沉積（目的是防止PDMS在負(fù)模結(jié)構(gòu)上難以剝離），隨后利用軟光刻技術(shù)制作PDMS結(jié)構(gòu)，并利用等離子體機(jī)作表面處理（Plasma處理）；最后在一定溫度下進(jìn)行封裝，制得PDMS包裹體。通過(guò)微量進(jìn)樣器注射EGaIn，制得微帶貼片天線。工藝流程如圖5所示。

    在制作微帶天線參考地面和輻射貼片的過(guò)程中，由于兩者尺寸較大，為扁平的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，而PDMS的模量較低，所制作的通道容易發(fā)生坍塌現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致通道頂部和底部在鍵合的過(guò)程中產(chǎn)生粘合。為避免此現(xiàn)象的發(fā)生，本文在通道底面設(shè)計(jì)了半徑為100 μm的微柱陣列，用以支撐通道的頂部。并重新做了仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)微柱陣列對(duì)天線性能的影響較低，可以忽略。天線實(shí)物圖如圖6所示。

    將預(yù)聚物和固化劑分別按質(zhì)量為5:1、10:1、15:1的比例配置，逆時(shí)針?lè)较虺浞謹(jǐn)嚢? min，常溫真空脫泡1 h，去除攪拌過(guò)程中產(chǎn)生的空氣泡；將PDMS旋涂于SU-8模具上，以1 000 r/min的低速旋轉(zhuǎn)45 s，使PDMS水平均勻鋪開(kāi)，靜置12 h；在烘臺(tái)上以每升高10 ℃加熱5 min的梯度式升溫至75 ℃加熱3 h，得到厚度約0.8 mm的完全固化的PDMS。通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較3種不同配比下PDMS的拉伸量，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量比為10:1的情況下，PDMS的拉伸性較好，黏性較低，符合實(shí)驗(yàn)要求。

    將PDMS模具與蓋片進(jìn)行Plasma處理(改性時(shí)間60 s，射頻功率200 W，等離子體流量150 sccm)改變其表面特性，使其由疏水性變?yōu)橛H水性，然后迅速貼合并加以1 kg重物提供粘合所需壓力，在75 ℃溫度下加熱2 h進(jìn)行鍵合。使用微量注射器將EGaIn注入PDMS模型中，隨后在注射口涂抹少許液態(tài)PDMS，并以80 ℃加熱30 min，徹底密封因注射液態(tài)金屬而產(chǎn)生的小孔^[9]。

    利用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試了所制作天線隨長(zhǎng)度改變，其諧振頻率的變化趨勢(shì)和S₁₁值。圖7為天線實(shí)測(cè)值與仿真值的對(duì)比曲線，結(jié)果基本一致，并得出天線輻射貼片長(zhǎng)度與諧振頻率的線性關(guān)系圖。圖8是天線在5.7 GHz處的輻射方向圖，E面和H面的重合度較高。但由于利用軟光刻工藝制作天線的過(guò)程中存在一定的精度誤差，以及在測(cè)試過(guò)程中存在控制誤差，包括介質(zhì)層的厚度變化、天線拉伸長(zhǎng)度、液態(tài)金屬的分布等，使得實(shí)測(cè)值與仿真值有較小誤差。

4 結(jié)束語(yǔ)

    使用軟光刻快速成型技術(shù)制作PDMS通道，能夠在沒(méi)有任何磨損的情況下制備天線。液態(tài)金屬合金EGaIn可在室溫下快速填充PDMS通道，并形成薄的氧化層“皮膚”，盡管金屬表面能較高，但在通道內(nèi)仍可保持流體的機(jī)械穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的銅天線不同，液體金屬微帶天線在變形時(shí)(如拉伸、扭曲、彎曲等)不具有滯后現(xiàn)象，并且能夠抵抗永久變形(即在移除施加的應(yīng)力后，天線可返回初始狀態(tài))。通過(guò)仿真和測(cè)試可知，以PDMS包裹EGaIn所制備的液態(tài)金屬天線具備兩者的特性，可通過(guò)拉伸獲得4~6 GHz范圍內(nèi)的任意頻率。

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作者信息:

李  峰，李曉丹

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051)