基于向列型液晶的磁可調U形槽微帶貼片天線

一個可重構U形槽微帶貼片天線使用了一個在5GHz工作的向列型液晶（LC）混合物，用于無線通信，如Wi-Fi。一個從0到1200 Oe的外部磁場改變了LC的相對介電常數，以調整貼片的諧振頻率。在測量和模擬中都展示了200MHz的調節范圍，最大增益為4.05dB。由于其低成本、低剖面和高性能，LC被認為是可重構天線的良好候選材料。

無線通信市場的增長導致了不同頻段的系統和終端的標準數量增加。這種通信標準的多重性通常要求使用數根天線，每根天線專用于一個特定的頻段。然而，這意味著系統尺寸的增加，對其成本、能耗和復雜性有很大影響。使用能在數個頻段上工作的可重構天線可以減少尺寸、功耗和成本。

貼片天線有許多優點，如重量輕、成本適中、易于制造。然而，對于某些應用，其帶寬太窄。這種限制可以通過使用PIN二極管1、變容二極管2,3、射頻MEMS開關4或可調節材料（如鐵電體5和LC）使其可重構來克服。6-13 通過施加電場或磁場改變LC介電常數的可能性已經吸引了微波界的研究人員幾十年了。

我們設計了一個貼片天線，利用LC的特性來增加可重構性。在貼片天線和地面之間注入了線狀的LC混合物E7。仿真和測量表明，在應用磁場的情況下，可調節范圍為200MHz，峰值增益為4.05dB。

液晶的屬性

在微波和毫米波波系統中，通過外部施加電場或磁場，LC的向列狀態通常被用來改變其介電常數。使用電場來改變LC分子的方向等同于使用磁場。在本項工作中，磁場被用來改變一個貼片天線的頻率。兩塊磁鐵在天線兩側間隔5mm可以打開磁場；移開兩塊磁鐵可以關閉磁場。

施加在LC上的磁場必須大于600 Oe。13 為了確保LC的分子與施加的磁場平行，兩個磁鐵被放置在距離天線兩側5mm的地方，那里的總磁場強度等于1200 Oe（見圖1）。LC分子是根據所施加的磁場來定向的。當沒有施加磁場時，分子的排列是通過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εr⊥。當施加的磁場等于1200 Oe時，分子的方向與磁場相同，這決定了平行介電常數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的可調節頻率范圍，使用LC E7獲得了從5.43到5.66GHz的4%的調節范圍。13

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

貼片天線結構

使用公式1到5設計了一個5GHz天線（見圖2a）。14 基板是FR-4，相對介電常數εr=4.4，厚度h=1.6mm。貼片的尺寸為Ls和Ws=30mm。嵌入的饋電線Li=5.7mm，間隙Wg=0.2mm。一條50Ω的微帶線（Lf=2.9mm；Wf=12.05mm）被用來給接地基底上的貼片供電。結構的選擇基于CST Studio的模擬。寬度W是用以下方法計算的：

審核編輯 ：李倩