0 引言

    天線作為無線通信系統中的重要組成部分，能夠實現電磁波的接收與發射，在許多集成化的小型電子設備中發揮著不可替代的作用。但是隨著現代電子技術的迅猛發展，在這些高度集成的小型化系統中，留給天線的物理空間相當有限^[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實現相同性能的天線，即頻率可重構天線^[2]。該類天線可通過改變天線的表面電流來實現頻率的可重構，如加載變容二極管^[3]可以改變電流的路徑，加載PIN(P區-本征層(Intrinsic)-N區)二極管開關^[4]、射頻微機電系統(Radio Frequency Micro-Electro Mechanical Systems，RF-MEMS)開關^[5]、場效應管(Field Effect Transistor，FET)開關^[6]等可以控制電流的通斷，此外，還可以改變天線的機械結構及材料特性^[7-10]。本文就是通過改變機械結構和材料特性兩種方法實現天線的頻率可重構，選用柔性材料聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)作為天線的介質基底，液態金屬鎵銦合金(Eutectic Gallium-Indium，EGaIn)作為輻射元件和接地平面，可通過彎曲、拉伸等機械調節來改變其工作頻率。

    柔性材料PDMS和液態金屬EGaIn的組合特性非常適合柔性天線的應用^[11]。2009年，MICHAEL D D等人^[12]發現了EGaIn在室溫下呈液態并發明了液態金屬天線，大幅提高了柔性天線的輻射效率。液態金屬不僅能很好地接收信號，而且反復彎折也不會導致材料疲勞或開裂，具有很強的自我修復能力，因此具備了實現可重構天線的特質^[13]。而常規的柔性天線雖然基底選用了柔性材料，但金屬結構不是柔性的，經過反復彎曲及拉伸后容易失效，金屬結構開裂并且表面極易氧化，導致柔性天線沒有實用價值。填充液態金屬的柔性天線避免了上述缺點，具有穩定的輻射方向性，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、生物醫療、航空航天等領域有著廣闊的應用前景。

    本文設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]，然后將液態金屬EGaIn注入PDMS的微流體通道，能夠實現可逆變形和機械可調。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，測試結果良好，基本擬合仿真曲線。

1 天線設計

    微帶天線的介質基板使用相對介電常數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量比為3:1、熔點為15.7 ℃、電導率為3.4×10⁶ S/m的EGaIn，其在室溫下為液態，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定性。

    基于PDMS的高彈性特性和EGaIn的流動性及機械穩定性，設計并制作一款在4.4 GHz~5.8 GHz范圍內頻率可重構的微帶貼片天線。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，ε_r為介質基板的介電常數，ε_e是有效介電常數，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，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系式，取參考地面長L=2l，寬W=2w。介質基板的厚度為1.6 mm。

2 仿真結果分析

    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到5.7 GHz，且各項性能指標也沒有滿足要求。然后使用HFSS對天線結構進行優化設計，使天線達到最佳性能。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的值來實現微帶天線頻率可重構的回波損耗圖。從圖中可知，當僅改變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w=18.3 mm時，S₁₁值最優；當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。圖示結果顯示，天線旁瓣較小，沒有明顯的裂瓣產生，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HFSS仿真優化確定天線尺寸，設計掩膜版圖。使用PDMS進行倒模獲取其結構，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構的SU-8負模；其次對SU-8負模進行Parylene氣相沉積（目的是防止PDMS在負模結構上難以剝離），隨后利用軟光刻技術制作PDMS結構，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，為扁平的長方體結構，而PDMS的模量較低，所制作的通道容易發生坍塌現象，甚至導致通道頂部和底部在鍵合的過程中產生粘合。為避免此現象的發生，本文在通道底面設計了半徑為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，發現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。

    將預聚物和固化劑分別按質量為5:1、10:1、15:1的比例配置，逆時針方向充分攪拌5 min，常溫真空脫泡1 h，去除攪拌過程中產生的空氣泡；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，發現質量比為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，使其由疏水性變為親水性，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PDMS，并以80 ℃加熱30 min，徹底密封因注射液態金屬而產生的小孔^[9]。

    利用安捷倫矢量網絡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，包括介質層的厚度變化、天線拉伸長度、液態金屬的分布等，使得實測值與仿真值有較小誤差。

4 結束語

    使用軟光刻快速成型技術制作PDMS通道，能夠在沒有任何磨損的情況下制備天線。液態金屬合金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，但在通道內仍可保持流體的機械穩定性。與傳統的銅天線不同，液體金屬微帶天線在變形時(如拉伸、扭曲、彎曲等)不具有滯后現象，并且能夠抵抗永久變形(即在移除施加的應力后，天線可返回初始狀態)。通過仿真和測試可知，以PDMS包裹EGaIn所制備的液態金屬天線具備兩者的特性，可通過拉伸獲得4~6 GHz范圍內的任意頻率。

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作者信息:

李  峰，李曉丹

(中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原030051)