Yumuşak litografi teknolojisine dayalı bir sıvı metal anten
Kablosuz iletişim sisteminin önemli bir parçası olan anten, elektromanyetik dalgaların alımını ve iletimini gerçekleştirebilir ve birçok entegre küçük elektronik cihazda yeri doldurulamaz bir rol oynar. Bununla birlikte, modern elektronik teknolojisinin hızla gelişmesiyle, bu son derece entegre minyatürleştirilmiş sistemlerde, antenler için kalan fiziksel alan oldukça sınırlı olduğundan, anten performansı gereksinimleri gittikçe artmaktadır. Bu, birden çok farklı frekans bandında aynı performansı elde edebilen bir anten, yani frekansı yeniden yapılandırılabilir bir anten gerektirir. Bu tip anten, antenin yüzey akımını değiştirerek frekansın yeniden yapılandırılmasını sağlayabilir.Örneğin, bir varaktör yüklemek akımın yolunu değiştirebilir, bir PIN (P alanı-İç-N alanı) diyot anahtarı, radyo frekansı mikro Radyo Frekansı Mikro-Elektro Mekanik Sistemler (RF-MEMS) anahtarları, Alan Etkili Transistör (FET) anahtarları vb. Akımın açılıp kapanmasını kontrol edebilir ve ayrıca antenin mekanik yapısını ve malzeme özelliklerini değiştirebilir. Bu yazıda, antenin frekansı yeniden yapılandırılması mekanik yapı ve malzeme özelliklerinin değiştirilmesiyle elde edilmiştir.Esnek malzeme polidimetilsiloksan (PDMS) antenin dielektrik substratı olarak ve sıvı metal galyum indiyum alaşımı (Ötektik Galyum- Indium, EGaIn) bir yayılan eleman ve bir yer düzlemi olarak kullanılır ve çalışma frekansı bükme ve germe gibi mekanik ayarlamalarla değiştirilebilir.
Esnek malzeme PDMS ve sıvı metal EGaIn kombinasyonu, esnek anten uygulamaları için çok uygundur. 2009'da MICHAEL D D ve diğerleri, EGaIn'in oda sıcaklığında sıvı olduğunu keşfettiler ve esnek antenlerin radyasyon verimliliğini büyük ölçüde artıran bir sıvı metal anten icat ettiler. Sıvı metal sadece sinyalleri iyi almakla kalmaz, aynı zamanda tekrar tekrar bükülme de malzeme yorulmasına veya çatlamasına neden olmaz.Güçlü kendi kendini onarma kabiliyetine sahiptir, bu nedenle yeniden yapılandırılabilir bir anten gerçekleştirme özelliklerine sahiptir. Geleneksel esnek anten, taban olarak esnek malzemeler kullanmasına rağmen, metal yapı esnek değildir ve tekrarlanan bükülme ve gerilmeden sonra arızalanması kolaydır.Metal yapı çatlar ve yüzey kolayca oksitlenir, bu da esnek anten için pratik bir değer sağlamaz. Sıvı metal ile doldurulmuş esnek anten, yukarıdaki eksiklikleri ortadan kaldırır ve kararlı radyasyon yönlülüğüne sahiptir.Biyonik algılama, akıllı aşınma ve elektronik cilt gibi minyatürleştirilmiş esnek elektronik cihazlar için kullanılabilir ve askeri, biyomedikal, havacılık ve diğer alanlarda geniş uygulamalara sahiptir. Uygulama umutları.
Bu yazıda, yayılan elemanın ve yer düzleminin şeklini tanımlayan iki PDMS mikroakışkan kanalı imal etmek için yumuşak bir litografi işlemi kullanılarak esnek bir mikroşerit anten tasarlandı ve daha sonra, tersinir deformasyon ve mekanik elde edebilen PDMS mikroakışkan kanalına sıvı metal EGaIn enjekte edildi. Ayarlanabilir. Daha sonra anten performansı (dönüş kaybı ve radyasyon yönü) ve mekanik performans (bükülme ve gerilebilirlik) test edildi ve test sonuçları iyiydi, temelde simülasyon eğrisine uyuyordu.
1 Anten tasarımı
Mikroşerit antenin dielektrik substratı, nispi dielektrik sabiti r2.67 ve dielektrik kayıp tanjant tan = 0.037 olan gerilebilir bir elastomer PDMS kullanır 5. Radyasyon yaması, 3: 1'lik bir galyum-indiyum kütle oranı, 15.7 'luk bir erime noktası kullanır, Oda sıcaklığında sıvı halde olan 3.4 × 106S / m iletkenliğe sahip EGaIn, yüksek mekanik stabiliteyi korumak için oksijen ile temas ettikten sonra kanalı hızla doldurabilir ve ince bir oksit tabakası oluşturabilir.
PDMS'nin yüksek elastikiyetine ve EGaIn'in akışkanlığına ve mekanik stabilitesine dayanarak, 4.4 GHz ila 5.8 GHz aralığında yeniden yapılandırılabilir frekansa sahip bir mikroşerit yama anteni tasarlandı ve üretildi. Şekil 1, antenin simülasyon modelini göstermektedir.Koaksiyel hat beslemesini benimser.Yesleme pozisyonu, 50 of'luk bir giriş empedansı sağlamak için merkezden 3.65 mm'dir. Antenin alt kısmı, 0.1 mm yarıçaplı ve 4.5 mm aralıklı mikropillar ile tasarlanmıştır. Dizi.
Mikroşerit yayan yama anteninin etkin uzunluğu dalga boyunun yaklaşık yarısı kadardır ve yayılan yamanın uzunluğu l ve genişliği w için tahmin formülü aşağıdaki gibidir:
Formülde r, dielektrik substratın dielektrik sabitidir, e etkili dielektrik sabitidir, c ışık hızıdır, f rezonans frekansıdır ve h PDMS plakasının kalınlığıdır.
Formül (1) 'den mikroşerit yama anteninin rezonans frekansının etkin uzunluğunun artmasıyla azaldığı görülmektedir.PDMS'nin yüksek esnekliği kullanılarak, PDMS gerilerek antenin rezonans frekansı değiştirilebilir. Yukarıdaki formül, l = 17,8 mm, w = 19,35 mm ile hesaplanan rezonans frekansını f = 5,7 GHz alın. Anten, rezonans frekansını değiştirmek için gerildiği için, referans zemin ile radyasyon yaması arasındaki ilişki kurulur ve referans zemin uzunluğu L = 2l ve genişlik W = 2w. Dielektrik substratın kalınlığı 1,6 mm'dir.
2 Simülasyon sonuçlarının analizi
Antenin yaklaşık boyutunu belirledikten sonra, HFSS'deki modelleme ve simülasyon, başlangıç değerinin anteni 5.7 GHz'e ulaştırmadığını ve çeşitli performans göstergelerinin gereksinimleri karşılamadığını göstermektedir. Ardından, antenin en iyi performansını elde etmek için anten yapısının tasarımını optimize etmek için HFSS'yi kullanın. Anten radyasyon yamasının boyutu üzerinde frekans taraması analizi yoluyla, optimum değer l = 14,8 mm ve w = 18,5 mm seçilir.
Şekil 2 ve Şekil 3, w ve l değerlerinin değiştirilmesiyle mikroşerit antenin yeniden yapılandırılabilir frekansının dönüş kaybı diyagramlarıdır. Sadece w değeri değiştiğinde antenin rezonans frekansının çok az değiştiği, yani radyasyon yama genişliğinin değişmesiyle antenin rezonans frekansının değişmediği şekilden görülebilmektedir. W = 18,3 mm olduğunda S11 değeri optimal; w olduğunda = 18,3 mm, diğer koşullar aynı kalır, sadece l'nin değeri değiştirildiğinde, l'nin değeri arttıkça, antenin rezonans frekansı düşük frekansa yaklaşır ve S11 de buna göre dalgalanır.
Şekil 4, antenin bir radyasyon modelidir. Grafiksel sonuç, anten yan loblarının küçük olduğunu, belirgin bölünmüş lobların oluşturulmadığını ve maksimum kazancın 5.6172 dB olduğunu ve bu da gerçek çalışma gereksinimlerini karşıladığını göstermektedir.
3 Anten hazırlama
HFSS simülasyon optimizasyonundan sonra anten boyutu belirlenir ve maske düzeni tasarlanır. Yapısını elde etmek için kalıbı tersine çevirmek için PDMS kullanın ve paketleme testi yapın. Öncelikle, radyasyon yaması ve referans zemin yapısı ile SU-8 negatif kalıbı yapmak için ultraviyole litografi işlemini kullanın; ikinci olarak, SU-8 negatif kalıbında Parilen buharı biriktirme gerçekleştirin (amaç, PDMS'nin negatif kalıp yapısında sıyrılmasını zorlaştırmasını önlemektir) ve ardından yumuşak kullanın. PDMS yapısı, fotolitografi teknolojisi ile üretilir ve plazma makinesi yüzey işlemi için kullanılır (Plazma işlemi); Son olarak, PDMS kapanımları elde etmek için belirli bir sıcaklıkta kapsülleme gerçekleştirilir. EGaIn, bir mikroşerit yama anteni hazırlamak için bir mikro enjektörden enjekte edildi. Teknolojik süreç Şekil 5'te gösterildiği gibi gösterilmektedir.
Mikroşerit antenin referans zemini ve radyasyon yamasını yapma sürecinde, büyük boyutları ve düz dikdörtgen paralel yüzlü yapıları nedeniyle, PDMS modülü düşükken, fabrikasyon kanal çökmeye meyillidir, hatta kanalın tepesine neden olur ve Alt kısım yapıştırma işlemi sırasında yapıştırılır. Bu fenomeni önlemek için, kanalın üstünü desteklemek için kanalın alt kısmında 100 m yarıçaplı bir mikropillar dizisi tasarlanmıştır. Simülasyon deneyi tekrar yapıldı ve mikro sütun dizisinin anten performansı üzerindeki etkisinin nispeten düşük olduğu ve göz ardı edilebileceği bulundu. Antenin fiziksel diyagramı Şekil 6'da gösterilmektedir.
Ön polimer ve sertleştirme ajanı sırasıyla kütle olarak 5: 1, 10: 1 ve 15: 1 oranında yapılandırılır, 5 dakika boyunca saat yönünün tersine tamamen karıştırılır ve karıştırma işlemi sırasında oluşan hava kabarcıklarını çıkarmak için oda sıcaklığında 1 saat vakumla gazdan arındırılır; SU-8 kalıbındaki PDMS'yi döndürün, PDMS seviyesini eşit olarak yaymak için 45 saniye boyunca 1000 dev / dak gibi düşük bir hızda döndürün ve 12 saat bekletin; kurutma masasında her 10 'de 5 dakikalık bir gradyanla ısıtın Formül 75 ° C'ye ısıtıldı ve yaklaşık 0.8 mm kalınlığa sahip tamamen kürlenmiş bir PDMS elde etmek için 3 saat ısıtıldı. PDMS'nin gerilmesini üç farklı oran altında karşılaştırmak için yapılan deneyler sayesinde, kütle oranı 10: 1 olduğunda, PDMS'nin deneysel gereksinimleri karşılayan daha iyi gerilebilirliğe ve daha düşük viskoziteye sahip olduğu bulunmuştur.
Yüzey özelliklerini değiştirmek için PDMS kalıbının ve kapak tabakasının plazma işlemi (modifikasyon süresi 60 s, radyo frekansı gücü 200 W, plazma akışı 150 sccm), onu hidrofobikten hidrofilik hale getirip ardından hızla takılıp 1 kg Ağırlık, yapıştırma için gerekli basıncı sağlar ve yapıştırma için 75 'de 2 saat ısıtılır. EGaIn'i PDMS modeline enjekte etmek için bir mikro şırınga kullanın, ardından enjeksiyon portuna az miktarda sıvı PDMS uygulayın ve sıvı metal enjeksiyonunun oluşturduğu küçük deliği tamamen kapatmak için 30 dakika boyunca 80 ° C'de ısıtın.
Uzunluk değiştikçe üretilen antenin rezonans frekansının ve S11 değerinin değişim eğilimini test etmek için Agilent vektör ağ analizörü kullanıldı. Şekil 7, antenin ölçülen değeri ile simüle edilen değer arasındaki karşılaştırma eğrisidir Sonuçlar temelde aynıdır ve anten radyasyon yama uzunluğu ile rezonans frekansı arasındaki doğrusal ilişki elde edilir. Şekil 8, antenin E-düzlemi ve H-düzleminin yüksek derecede örtüşme derecesine sahip olduğu 5.7 GHz'deki radyasyon modelidir. Bununla birlikte, yumuşak litografi ile antenin üretilmesi sürecinde belirli doğruluk hataları olması ve test sürecinde, dielektrik tabakanın kalınlık değişimi, antenin gerilmiş uzunluğu, sıvı metal dağılımı vb. Dahil olmak üzere kontrol hataları olması nedeniyle, ölçülen değer ve simülasyon Değerin küçük bir hatası var.
4. Sonuç
PDMS kanallarını imal etmek için yumuşak litografi hızlı prototipleme teknolojisini kullanarak antenler herhangi bir aşınma olmadan üretilebilir. Sıvı metal alaşım EGaIn, oda sıcaklığında PDMS kanallarını hızla doldurabilir ve ince bir oksit tabakası "deri" oluşturabilir Metalin yüzey enerjisi daha yüksek olmasına rağmen, akışkanın mekanik stabilitesi yine de kanalda korunabilir. Geleneksel bakır antenlerden farklı olarak, sıvı metal mikroşerit antenler deformasyon sırasında histerezise sahip değildir (gerilme, bükülme, bükülme vb.) Ve kalıcı deformasyona karşı koyabilir (yani uygulanan gerilimi giderdikten sonra anten orijinal durumuna geri dönebilir. ). Simülasyon ve testler sayesinde EGaIn'in PDMS ile sarılarak hazırlanan sıvı metal antenin her ikisinin de özelliklerine sahip olduğu ve gerilerek 4-6 GHz aralığında herhangi bir frekansı elde edilebildiği görülebilmektedir.
Referanslar
YU Y, XIONG J, LI H, ve diğerleri.Geniş bir ayar aralığına sahip, elektriksel olarak küçük bir frekans yeniden yapılandırılabilir anten. IEEE Anten Kablosuz Yayılma Mektupları, 2011, 10 (1): 103-106.
SCHAUBERT D H, FARRAR F G, HAYES ST, ve diğerleri.Frekans çevik, polarizasyon çeşitli mikro şerit antenler ve frekans taramalı diziler
.US: ABD Patenti 4367474 A, 1983.
WHITE CR, REBEIZ G M.A, bağımsız frekans ayarlı, diferansiyel, çift polarize, boşluk destekli mikroşerit yama anteni Antenler ve Yayılma Üzerine IEEE İşlemleri, 2010, 58 (11): 3490-3498.
KOMULAINEN M, BERG M, JANTUNEN H, vd. Düzlemsel ters çevrilmiş F anteni için bir frekans ayarlama yöntemi Antenler ve Yayılma Üzerine IEEE İşlemleri, 2008, 56 (4): 944-950.
RAJAGOPALAN H, KOVITZ J M, RAHMAT-SAMII Y. MEMS, bilişsel radyo için yeniden yapılandırılabilir optimize edilmiş E-şekilli yama anten tasarımı Antenler ve Yayılma Üzerine IEEE İşlemleri, 2014, 62 (3): 1056-1064.
ABOUFOUL T, ALOMAINY A, PARINI C.GaAs FET anahtarları kullanarak bilişsel radyo uygulamaları için UWB tek kutuplu anteni yeniden yapılandırma.IEEE Antenleri ve Kablosuz Yayılma Mektupları, 2012, 11 (5): 392-394.
Qin Peiyuan Yeniden yapılandırılabilir anten üzerine araştırma ve MIMO sistemindeki uygulaması Xi'an: Xidian Üniversitesi, 2011.
Xu Yongqing. PDMS'ye dayalı MEMS esnek anten tasarımı ve üretimi. Application of Electronic Technology, 2018, 44 (11): 5-8.
Zheng Pengshuai, Chen Jing, Yao Pei.Sıvı metale dayalı esnek frekanslı tekrarlayan CPW anten tasarımı.Çin Elektronik Dergisi, 2018, 46 (9): 2276-2282.
Wang Dajun, Wang Yanhu, Liao Yongbo Yeni elektromanyetik malzemeli mikroşerit antenlerin gözden geçirilmesi Elektronik Teknolojinin Uygulanması, 2015, 41 (12): 11-14.
HAYES G J, SO J H, QUSBA A, ve diğerleri Esnek sıvı metal alaşımlı (EGaIn) mikroşerit yama anten Antenler ve Yayılma Üzerine IEEE İşlemleri, 2012, 60 (5): 2151-2156.
MICHAEL D D, SO J H. Tersinir şekilde deforme olabilen ve mekanik olarak ayarlanabilen akışkan antenler Gelişmiş Fonksiyonlu Malzemeler (S1616-301X), 2009, 19 (22): 3632-3637.
LIU T, SEN P, KIM C J. Damlacık uygulamaları için sıvı metal Galinstan'ın karakterizasyonu.2010 IEEE 23rd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 2010: 560-563.
yazar bilgileri:
Li Feng, Li Xiaodan
(Enstrüman Bilimi ve Dinamik Test Anahtar Laboratuvarı, Eğitim Bakanlığı, Çin Kuzey Üniversitesi, Taiyuan, Shanxi 030051)
