文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.182688
中文引用格式: 李峰,李曉丹. 一款基于軟光刻技術(shù)的液態(tài)金屬天線[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2019,45(2):67-70.
英文引用格式: Li Feng,Li Xiaodan. A liquid metal alloy antenna based on soft lithography[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(2):67-70.
0 引言
天線作為無線通信系統(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],所以對天線性能的要求也越來越高。這就需要一個能夠在多個不同頻段內(nèi)實現(xiàn)相同性能的天線,即頻率可重構(gòu)天線[2]。該類天線可通過改變天線的表面電流來實現(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))二極管開關(guān)[4]、射頻微機電系統(tǒng)(Radio Frequency Micro-Electro Mechanical Systems,RF-MEMS)開關(guān)[5]、場效應(yīng)管(Field Effect Transistor,F(xiàn)ET)開關(guān)[6]等可以控制電流的通斷,此外,還可以改變天線的機械結(jié)構(gòu)及材料特性[7-10]。本文就是通過改變機械結(jié)構(gòu)和材料特性兩種方法實現(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,可通過彎曲、拉伸等機械調(diào)節(jié)來改變其工作頻率。
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,而且反復(fù)彎折也不會導(dǎo)致材料疲勞或開裂,具有很強的自我修復(fù)能力,因此具備了實現(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)過反復(fù)彎曲及拉伸后容易失效,金屬結(jié)構(gòu)開裂并且表面極易氧化,導(dǎo)致柔性天線沒有實用價值。填充液態(tài)金屬的柔性天線避免了上述缺點,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)計了一種柔性微帶天線,使用軟光刻工藝來制作定義輻射元件和接地平面形狀的兩個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)可逆變形和機械可調(diào)。然后對其天線性能(回波損耗及輻射方向)和機械性能(彎曲度及拉伸性)進行了測試,測試結(jié)果良好,基本擬合仿真曲線。
1 天線設(shè)計
微帶天線的介質(zhì)基板使用相對介電常數(shù)εr≈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,使其保持較高的機械穩(wěn)定性。
基于PDMS的高彈性特性和EGaIn的流動性及機械穩(wěn)定性,設(shè)計并制作一款在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度近似為半波長,輻射貼片長l與寬w估算公式如下:
式中,εr為介質(zhì)基板的介電常數(shù),εe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度的增加而減小,利用PDMS高彈性的性質(zhì),可以通過拉伸PDMS以改變天線的諧振頻率。取諧振頻率f=5.7 GHz,由上述公式計算得到l=17.8 mm,w=19.35 mm。由于天線通過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中進行建模仿真可知,初始值并沒有使天線達(dá)到5.7 GHz,且各項性能指標(biāo)也沒有滿足要求。然后使用HFSS對天線結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計,使天線達(dá)到最佳性能。通過對天線輻射貼片的尺寸進行掃頻分析,選出最優(yōu)值l=14.8 mm,w=18.5 mm。
圖2、圖3為通過改變w與l的值來實現(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,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,S11值最優(yōu);當(dāng)w=18.3 mm,其他條件不變,僅改變l值時,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。
圖4是天線的輻射方向圖。圖示結(jié)果顯示,天線旁瓣較小,沒有明顯的裂瓣產(chǎn)生,且最大增益為5.617 2 dB,滿足實際的工作要求。
3 天線制備
經(jīng)HFSS仿真優(yōu)化確定天線尺寸,設(shè)計掩膜版圖。使用PDMS進行倒模獲取其結(jié)構(gòu),并進行封裝測試。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SU-8負(fù)模進行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),并利用等離子體機作表面處理(Plasma處理);最后在一定溫度下進行封裝,制得PDMS包裹體。通過微量進樣器注射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程中,由于兩者尺寸較大,為扁平的長方體結(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。并重新做了仿真實驗,發(fā)現(xiàn)微柱陣列對天線性能的影響較低,可以忽略。天線實物圖如圖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,逆時針方向充分?jǐn)嚢? min,常溫真空脫泡1 h,去除攪拌過程中產(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,靜置12 h;在烘臺上以每升高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。通過實驗比較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,符合實驗要求。
將PDMS模具與蓋片進行Plasma處理(改性時間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)分析儀測試了所制作天線隨長度改變,其諧振頻率的變化趨勢和S11值。圖7為天線實測值與仿真值的對比曲線,結(jié)果基本一致,并得出天線輻射貼片長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程中存在一定的精度誤差,以及在測試過程中存在控制誤差,包括介質(zhì)層的厚度變化、天線拉伸長度、液態(tài)金屬的分布等,使得實測值與仿真值有較小誤差。
4 結(jié)束語
使用軟光刻快速成型技術(shù)制作PDMS通道,能夠在沒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(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))。通過仿真和測試可知,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)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,山西 太原030051)