儲怡冰， 項穎*， 張文慧*， 郝祿國， 江博韜， 陳凱，高延子， 胡湧川， Michal KOHOUT

（1.廣東工業(yè)大學 信息工程學院， 廣東 廣州 510006；2.北京科技大學 新材料技術(shù)研究院， 北京 100083；3.Department of Organic Chemistry， University of Chemistry and Technology Prague， CZ-16628 Prague， Czech Republic）

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)和5G時代的潮流涌動［1］，移動終端正以前所未有的速度邁向小型化、超薄化和多功能化［2］。天線作為通信系統(tǒng)中發(fā)射、接收信號的接口，在無線通信系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。在這個融合了信息、通信和智能的時代，設備所需的天線數(shù)量越來越多，平臺的負載相應也越來越多，因此搭建天線的成本也就大幅提高。此外，多個天線搭載在一起會產(chǎn)生非常大的電磁干擾，嚴重影響天線的正常工作。為了減輕平臺上所負載的天線重量，降低成本，提高頻譜利用率，希望能用一個天線來實現(xiàn)多個天線的功能。傳統(tǒng)天線固定的諧振頻率和剛性結(jié)構(gòu)無法滿足目前的應用需求?？烧{(diào)諧天線具有在不改變自身結(jié)構(gòu)尺寸的前提下獲得較寬可用頻段特性以及不同諧振頻率的能力。這不僅可以滿足系統(tǒng)小型化和在不同標準頻段下的應用需求，提高頻譜利用率，還可以降低無線終端系統(tǒng)的研制復雜度，從而降低通信系統(tǒng)的整體成本并減輕其重量。在當前的5G移動通信領(lǐng)域，需要的帶寬更寬，頻譜數(shù)量更高，越來越需要采用先進的可調(diào)諧天線技術(shù)來應對不斷發(fā)展的需求。這些需求包括天線需要更小型、更容易集成，同時還需要能夠覆蓋多種不同頻段。因此，設計多功能、能夠適用于多個工作頻段范圍的可調(diào)諧天線變得至關(guān)重要［3-4］。

目前的頻率調(diào)節(jié)技術(shù)主要有以下3類：

（1）機械驅(qū)動：通過天線上面的開關(guān)，例如PIN開關(guān)［5-6］、MEMS開關(guān)［7-8］、場效應晶體管［9-10］等開關(guān)的通斷，實現(xiàn)天線工作結(jié)構(gòu)的改變，從而改變天線上面的電流分布，實現(xiàn)天線的頻率可重構(gòu)功能，但該類型的頻率可重構(gòu)天線存在工作頻率不能連續(xù)可重構(gòu)的缺點。

（2）集成電子器件：在天線結(jié)構(gòu)中應用變?nèi)荻O管［11-13］。變?nèi)荻O管的電容值可以通過其兩端加載的偏置電壓進行控制，通過調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管兩端的偏置電壓來調(diào)節(jié)電容量的大小，從而調(diào)節(jié)天線的工作頻率，但在面對電尺寸減小下出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)尺寸減小和寄生電流影響時，存在很大的加工難度。

（3）可調(diào)材料：通過外加電場調(diào)節(jié)特定材料的介電常數(shù)或透過率從而實現(xiàn)連續(xù)頻率調(diào)節(jié)。最常用的可調(diào)材料是鐵氧體［14］、鐵電體［15］、半導體［16-17］。目前這些材料調(diào)頻的調(diào)優(yōu)方法并未實現(xiàn)高性能和低成本，仍然存在一些材料和設計上的問題。生物聚合物［18］作為一種可調(diào)材料雖然具有良好的柔性和可降解性，可制備柔性電子器件，但它的可降解性導致材料的穩(wěn)定性、耐久性不佳。液晶材料［19-22］是一種介于液態(tài)和固態(tài)之間的具有各向異性的高分子有機材料流體，具有損耗小、驅(qū)動電壓低等諸多優(yōu)點，并且能滿足低介電常數(shù)的要求，其電控特性原理源自材料本身的各向異性，介電常數(shù)易于調(diào)控、對外場敏感性好，在微波、太赫茲頻段都具有良好的物理特性。近些年，液晶材料在微波領(lǐng)域的可調(diào)應用受到了廣泛關(guān)注，有越來越多的論文和研究報告在這方面進行了探討。例如在天線［23-24］、移相器［25-27］、濾波器［28-29］以及諧振器［30］中的應用。哈爾濱工業(yè)大學的孟繁義教授在2016年所發(fā)表的文獻［24］中，仿真和研究了液晶這種新材料并應用在天線陣列上，使液晶層的介電常數(shù)（模擬偏置電壓）在2.5～3.3之間變化，在中心頻率為12.5 GHz的單點頻率中實現(xiàn)了-21°～+15°的波束方向掃描。2021年，Xiaoyu Li等人通過在諧振單元中加載具有延遲線結(jié)構(gòu)的液晶可調(diào)諧移相器，實現(xiàn)了對各獨立單元反射相位的動態(tài)控制［27］。

由于液晶材料往往呈現(xiàn)出液態(tài)，因此封裝難度較大，不易進行加工。本文制備了一種聚合物分散液晶薄膜，該薄膜結(jié)合了聚合物優(yōu)異的機械性能和熱性能以及液晶的外電場響應特性，具有靈敏度高、響應時間快、制備過程簡單等優(yōu)點。采用的聚合材料解決了傳統(tǒng)樹脂材料在固化過程中因體積收縮而導致的液晶聚合物膜裂開或者是光電性能失效的問題。通過將該薄膜作為基材設計了一款頻率可調(diào)微帶天線，實現(xiàn)了較大范圍的頻率調(diào)控。由于薄膜是柔性固體，解決了傳統(tǒng)液晶天線使用液態(tài)液晶封裝難度大、成本高的問題。天線結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕，易于集成在各種移動設備中，在未來無線通信系統(tǒng)中具有廣闊的發(fā)展前景。

2 柔性介質(zhì)基板制作

本柔性介質(zhì)基板所用的聚合物液晶膜使用的液晶為GPX-6011，聚合物單體材料由北京科技大學新材料技術(shù)研究院合成提供：BA（丙烯酸丁酯，CAS編號：141-32-2）、BDDA（CAS編號：1070-70-8）、IBOA（丙烯酸異冰片酯，CAS編號：5888-33-5）、Irg651（安息香乙二醚，CAS編號：24650-42-8）按質(zhì)量比3∶3∶9∶1混合制備而成。將液晶與聚合物單體按照一定的比例在常溫通過磁力攪拌機均勻混合后，經(jīng)過光照強度為150 μW/cm2的紫外光曝光5 min，單體發(fā)生聚合反應，誘導發(fā)生相分離，形成微米級液晶微滴，分散在形成的聚合物中。微滴內(nèi)的液晶分子隨機排列，光通過時，微滴會對入射光產(chǎn)生強烈的散射。在此狀況下，混合物聚合形成的薄膜呈現(xiàn)乳白色不透明狀態(tài)，如圖1左側(cè)圖形所示。當加一定的電壓后，液晶微滴內(nèi)的液晶分子會沿著外加電場方向進行統(tǒng)一的取向排列，此時液晶的尋常折射率與聚合物折射率匹配，光可以透過薄膜，因此薄膜呈現(xiàn)清亮透明狀態(tài)，如圖1右側(cè)圖形所示。

圖1 液晶聚合物薄膜的液晶分子取向示意圖Fig.1 Schematic diagram of liquid crystal molecule deflection of liquid crystal polymer film

當外電場撤去后，液晶聚合物薄膜又恢復為基態(tài)的乳白色不透明狀態(tài)。因此通過外加電壓的通斷可以實現(xiàn)該聚合物薄膜的介電常數(shù)連續(xù)可調(diào)。制作出的乳白色液晶聚合物薄膜如圖2（a）所示，圖2（b）為給夾在兩片ITO導電玻璃中的液晶聚合物薄膜施加電壓前，薄膜不透光的狀態(tài)；圖2（c）為給夾在兩片ITO導電玻璃中的液晶聚合物薄膜施加電壓后，薄膜呈現(xiàn)清亮透明的狀態(tài)。

圖2 100 μm厚度、液晶含量（質(zhì)量分數(shù)）為70%的聚合物薄膜示意圖。（a）液晶聚合物薄膜；（b）施加電壓前；（c）施加電壓后。Fig.2 Schematic diagram of a 100 μm thick polymer film with 70% liquid crystal content （mass fraction）.（a） Liquid crystal polymer films； （b） Before voltage applied； （c） After voltage applied.

圖3 50 μm厚度的液晶聚合物薄膜在偏光顯微鏡下的圖像。（a） 液晶含量為50%；（b） 液晶含量為60%；（c） 液晶含量為70%。Fig.3 Polarizing microscope images of 50 μm thick liquid crystal polymer film. （a） Liquid crystal content 50%（mass fraction）；（b） Liquid crystal content 60%；（c） Liquid crystal content 70%.

圖4 100 μm厚度的液晶聚合物薄膜在偏光顯微鏡下的圖像。（a） 液晶含量為50%；（b） 液晶含量為60%；（c） 液晶含量為70%。Fig.4 Polarizing microscope images of a 100 μm thick liquid crystal polymer film. （a） Liquid crystal content 50%；（b）Liquid crystal content 60%；（c） Liquid crystal content 70%.

液晶與單體按5∶5、6∶4、7∶3這3種配比，分別制備50 μm和100 μm兩種厚度的液晶聚合物薄膜，施加不同大小的電壓，在偏光顯微鏡（POM）下觀察在化學聚合過程中，液晶被析出形成富含液晶的微滴大小和分布狀態(tài)。實驗結(jié)果表明，液晶含量（質(zhì)量分數(shù)）≤50%時，液晶分子不易從聚合物中析出，形成的液晶微滴較少，并且液晶顆粒分散，相互遠離，液晶聚合物薄膜在視覺上表現(xiàn)為較為透明的狀態(tài)。隨著液晶含量的增加，液晶微滴析出增多，液晶聚合物薄膜在視覺上表現(xiàn)為乳白色不透明狀態(tài)，給液晶聚合物薄膜施加電壓后變透明，對比度逐漸增大。而當液晶含量高于75%時，與單體混合攪拌時無法變?yōu)槌吻逋该鳡顟B(tài)，此外聚合時液晶會無法分散成獨立的顆粒，互相團聚或是連結(jié)成片，聚合效果較差。

實驗表明，100 μm厚的聚合物液晶膜在未被施加電壓時透光率較50 μm厚膜小，由乳白色不透明狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥该鳡顟B(tài)需要的驅(qū)動電壓更高。這是由于膜厚越大，垂直于液晶膜表面方向上的液晶微滴越多，液晶微滴的散射效果越強，因此呈現(xiàn)為膜越厚透光率較低。當膜厚較小時，膜內(nèi)的電場對液晶微滴的作用力較強，液晶分子的指向矢容易扭轉(zhuǎn)為平行于電場方向，因此變透明需要的電壓較小。當膜厚增大時，電場對液晶微滴的作用力較小，液晶微滴的指向失不易朝電場方向排列，導致變透明需要的驅(qū)動電壓較高。

3 天線結(jié)構(gòu)和測試

3.1 天線結(jié)構(gòu)

如圖5所示，該3層結(jié)構(gòu)中的基板均采用鍍銅FR4基板，最上層板的上表面矩形貼片中間引出一條銅線用于連接SMA接口饋電。中間層矩形框內(nèi)為液晶聚合物薄膜。第一層板下表面鍍尺寸與矩形槽大小相同的銅，并引出銅線用于外接電源為液晶聚合物薄膜提供高電位。最下層為接地板，該接地板與第二層液晶膜下表面直接接觸，為液晶膜提供低電位，與第一層板下表面高電位形成電勢差，產(chǎn)生電場，進而通過改變外接偏置電壓，實現(xiàn)液晶聚合物的介電常數(shù)調(diào)控。微帶貼片天線的諧振頻率計算公式如式（1）所示：

圖5 天線的幾何結(jié)構(gòu)Fig.5 Geometry of patch antenna

圖6 天線實物圖Fig.6 Antenna physical image

其中：fr表示微帶貼片天線的諧振頻率，c表示光速，l表示微帶貼片天線的長度，εr表示微帶貼片天線的相對介電常數(shù)。由此可得，微帶貼片天線的諧振頻率會隨著微帶貼片天線的相對介電常數(shù)的變化進行改變，因此可以通過調(diào)節(jié)外接偏置電壓使液晶分子的指向矢由雜亂無章狀態(tài)扭轉(zhuǎn)為平行于電場方向，改變了液晶聚合物薄膜的介電常數(shù)，進而控制微帶貼片天線的諧振頻率產(chǎn)生變化。

3.2 天線的S參數(shù)

通過輸入匹配來評估天線性能，分別測試了液晶含量為50%、60%、70%，液晶聚合物薄膜厚度為50 μm、100 μm下的天線的回波損耗，以及給天線施加電壓下的諧振頻率偏移量。使用安捷倫E5071C矢量網(wǎng)絡分析儀進行回波損耗的測量，分別測試厚度為50 μm、100 μm，液晶含量分別為70%、60%、50%的液晶聚合物薄膜天線的回波損耗，如圖7、圖8所示。隨著液晶含量的提高，天線諧振頻率往高頻方向偏移，液晶含量從50%提高到70%時，50 μm的液晶聚合物薄膜天線諧振頻率偏移178 MHz，100 μm的液晶聚合物薄膜天線諧振頻率偏移191 MHz。在施加電壓后，天線諧振頻率向左偏移，液晶含量越高，諧振頻率偏移量越大，加電后的厚度為50 μm、液晶含量為70%的液晶聚合物薄膜天線諧振頻率向左偏移了62 MHz，加電后的厚度為100 μm、液晶含量為70%的液晶聚合物薄膜天線諧振頻率向左偏移了72 MHz。不同厚度和液晶含量的液晶聚合物薄膜天線的-10 dB阻抗帶寬始終大于130 MHz，在帶寬內(nèi)的電壓駐波比（VSWR）均小于2，說明天線輻射性良好。

圖7 厚度為50 μm，液晶含量分別為70%、60%、50%的液晶聚合物薄膜天線的回波損耗。Fig.7 Antenna return loss of liquid crystal polymer film with thickness of 50 μm，liquid crystal content of 70%， 60%， 50%， respectively.

圖8 厚度為100 μm，液晶含量分別為70%、60%、50%的液晶聚合物薄膜天線回波損耗。Fig.8 Antenna return loss of liquid crystal polymer film with thickness of 100 μm，liquid crystal content of 70%， 60%， 50%， respectively.

對比50 μm、100 μm厚度的液晶聚合物薄膜天線的性能。如表1和表2所示，在施加電壓前和施加電壓后二者諧振頻率相近，100 μm厚度的液晶聚合物薄膜天線在施加電壓后的諧振頻率偏移量稍多一點，多偏移10 MHz，但是基于100 μm厚度的液晶聚合物薄膜微帶貼片天線需要的驅(qū)動電壓較基于50 μm厚的液晶聚合物薄膜天線高50 V以上。

表1 50 μm厚度液晶薄膜天線的性能Tab.1 Performance of 50 μm thickness liquid crystal thin film antenna

表2 100 μm厚度液晶薄膜天線的性能Tab.2 Performance of 100 μm thickness liquid crystal thin film antenna

綜合對比，液晶含量為70%，厚度為50 μm的基于該液晶聚合物薄膜基材的微帶貼片天線具有最佳的效果，該天線諧振頻率為5.558 GHz，諧振深度為-31 dB，阻抗匹配較好，在5.45～5.65 GHz范圍內(nèi)天線諧振深度在-10 dB以下，帶寬為200 MHz，施加電壓后可以實現(xiàn)62 MHz頻率連續(xù)可調(diào)。施加電壓后的天線諧振頻率隨著電壓不斷增大而變化的圖像如圖9所示。

圖9 諧振頻率隨偏置電壓的變化Fig.9 Variation of resonant frequency with bias voltage

3.3 動態(tài)響應時間

經(jīng)過對比測試，液晶含量為70%、厚度為50 μm的基于該液晶聚合物薄膜基材的頻率可重構(gòu)微帶貼片天線的效果最佳。我們將天線中的聚合物分散液晶薄膜更換為傳統(tǒng)的E7液晶，施加20 V的偏置電壓，將兩種基材的天線頻率偏移的動態(tài)響應時間做對比，如表3所示?？梢钥闯觯撘壕Ь酆衔锾炀€相較于傳統(tǒng)的以E7液晶為介質(zhì)的天線在施加和撤銷電壓時可以較大程度地縮短響應時間。

表3 動態(tài)響應時間Tab.3 Dynamic response time

3.4 天線增益方向圖

我們測試了該天線的增益方向圖，如圖10和圖11所示。圖10測試的是磁場矢量所在的平面方向圖，圖11測試的是電場矢量所在的平面方向圖。由于暗室測試設備中轉(zhuǎn)臺的影響，在90°和270°之間的輻射能力較弱。天線的最大增益為3.5 dBi，總體上輻射特性可以滿足頻率可重構(gòu)天線的要求。

圖10 H面方向圖Fig.10 H-plane radiation pattern

圖11 E面方向圖Fig.11 E-plane radiation pattern

4 結(jié)論

本文提出了一種用于頻率可調(diào)天線的異質(zhì)基板，闡述了基于液晶聚合物基板的微帶貼片天線設計和制造過程，并測試了不同濃度和厚度的基于液晶聚合物薄膜的貼片天線回波損耗，綜合分析得出最佳濃度和厚度的液晶聚合物薄膜。液晶含量為70%，厚度為50 μm的液晶聚合物薄膜在0～48 V之間的驅(qū)動電壓下可以實現(xiàn)62 MHz連續(xù)可調(diào)，解決了傳統(tǒng)天線頻率不可調(diào)或不可連續(xù)調(diào)節(jié)的問題。該天線的最大增益為3.5 dBi，具有尺寸小、重量輕的優(yōu)點。該天線使用的液晶聚合物基板是柔性固體，易于封裝。基本滿足頻率可重構(gòu)天線的要求。該液晶聚合物基板具有柔性，施加偏置電壓可以變?yōu)橥该?，在未來的柔性透明天線方面具有良好的應用前景。