柔性材料PDMS和液态金属EGaIn的组合特性非常适宜柔性天线的运用[11]。2009年，MICHAEL D D等人[12]创造了EGaIn在室温下呈液态并发明了液态金属天线，大幅提高了柔性天线的辐射效率。液态金属不仅能很好地吸收旗子暗记，而且反复弯折也不会导致材料疲倦或开裂，具有很强的自我修复能力，因此具备了实现可重构天线的特质[13]。而常规的柔性天线虽然基底选用了柔性材料，但金属构造不是柔性的，经由反复波折及拉伸后随意马虎失落效，金属构造开裂并且表面极易氧化，导致柔性天线没有实用代价。添补液态金属的柔性天线避免了上述缺陷，具有稳定的辐射方向性，可用于仿生传感、智能穿着、电子皮肤等小型化的柔性电子器件，并且在军事、生物医疗、航空航天等领域有着广阔的运用前景。
本文设计了一种柔性微带天线，利用软光刻工艺来制作定义辐射元件和接地平面形状的两个PDMS微流体通道[9]，然后将液态金属EGaIn注入PDMS的微流体通道，能够实现可逆变形和机器可调。然后对其天线性能(回波损耗及辐射方向)和机器性能(波折度及拉伸性)进行了测试，测试结果良好，基本拟合仿真曲线。
1 天线设计
微带天线的介质基板利用相对介电常数εr≈2.67、介电损耗角正切tanδ=0.037 5的可拉伸弹性体PDMS，辐射贴片利用镓铟质量比为3:1、熔点为15.7 ℃、电导率为3.4×106S/m的EGaIn，其在室温下为液态，可快速充满通道，并在与氧气打仗后形成一层薄的氧化层，使其保持较高的机器稳定性。
基于PDMS的高弹性特性和EGaIn的流动性及机器稳定性，设计并制作一款在4.4 GHz~5.8 GHz范围内频率可重构的微带贴片天线。图1为天线的仿真模型，采取同轴线馈电办法，馈电位置离中央间隔为3.65 mm，以供应50 Ω的输入阻抗，天线底部设计有半径为0.1 mm、间距为4.5 mm的微柱阵列。
微带辐射贴片天线的有效长度近似为半波长，辐射贴片长l与宽w估算公式如下：
式中，εr为介质基板的介电常数，εe是有效介电常数，c是光速，f是谐振频率，h是PDMS板的厚度。
由式(1)可知，微带贴片天线的谐振频率随着其有效长度的增加而减小，利用PDMS高弹性的性子，可以通过拉伸PDMS以改变天线的谐振频率。取谐振频率f=5.7 GHz，由上述公式打算得到l=17.8 mm，w=19.35 mm。由于天线通过拉伸以改变谐振频率，建立参考地面与辐射贴片间的关系式，取参考地面长L=2l，宽W=2w。介质基板的厚度为1.6 mm。
2 仿真结果剖析
确定天线的大致尺寸后，在HFSS中进行建模拟真可知，初始值并没有使天线达到5.7 GHz，且各项性能指标也没有知足哀求。然后利用HFSS对天线构造进行优化设计，使天线达到最佳性能。通过对天线辐射贴片的尺寸进行扫频剖析，选出最优值l=14.8 mm，w=18.5 mm。
图2、图3为通过改变w与l的值来实现微带天线频率可重构的回波损耗图。从图中可知，当仅改变w的值时，天线的谐振频率变革很小，即天线的谐振频率不随辐射贴片宽度的变革而变革，当w=18.3 mm时，S11值最优；当w=18.3 mm，其他条件不变，仅改变l值时，随着l值的增加，天线的谐振频率向低频靠近，S11也随之有所颠簸。
图4是天线的辐射方向图。图示结果显示，天线旁瓣较小，没有明显的裂瓣产生，且最大增益为5.617 2 dB，知足实际的事情哀求。
3 天线制备
经HFSS仿真优化确定天线尺寸，设计掩膜版图。利用PDMS进行倒模获取其构造，并进行封装测试。首先利用紫外光刻工艺制作具有辐射贴片和参考地面构造的SU-8负模；其次对SU-8负模进行Parylene气相沉积（目的是防止PDMS在负模构造上难以剥离），随后利用软光刻技能制作PDMS构造，并利用等离子体机作表面处理（Plasma处理）；末了在一定温度下进行封装，制得PDMS包裹体。通过微量进样器注射EGaIn，制得微带贴片天线。工艺流程如图5所示。
在制作微带天线参考地面和辐射贴片的过程中，由于两者尺寸较大，为扁平的长方体构造，而PDMS的模量较低，所制作的通道随意马虎发生坍塌征象，乃至导致通道顶部和底部在键合的过程中产生粘合。为避免此征象的发生，本文在通道底面设计了半径为100 μm的微柱阵列，用以支撑通道的顶部。并重新做了仿真实验，创造微柱阵列对天线性能的影响较低，可以忽略。天线实物图如图6所示。
将预聚物和固化剂分别按质量为5:1、10:1、15:1的比例配置，逆时针方向充分搅拌5 min，常温真空脱泡1 h，去除搅拌过程中产生的空气泡；将PDMS旋涂于SU-8模具上，以1 000 r/min的低速旋转45 s，使PDMS水平均匀铺开，静置12 h；在烘台上以每升高10 ℃加热5 min的梯度式升温至75 ℃加热3 h，得到厚度约0.8 mm的完备固化的PDMS。通过实验比较3种不同配比下PDMS的拉伸量，创造质量比为10:1的情形下，PDMS的拉伸性较好，黏性较低，符合实验哀求。
将PDMS模具与盖片进行Plasma处理(改性韶光60 s，射频功率200 W，等离子体流量150 sccm)改变其表面特性，使其由疏水性变为亲水性，然后迅速贴合并加以1 kg重物供应粘合所需压力，在75 ℃温度下加热2 h进行键合。利用微量注射器将EGaIn注入PDMS模型中，随后在注射口涂抹少许液态PDMS，并以80 ℃加热30 min，彻底密封因注射液态金属而产生的小孔[9]。
利用安捷伦矢量网络剖析仪测试了所制作天线随长度改变，其谐振频率的变革趋势和S11值。图7为天线实测值与仿真值的比拟曲线，结果基本同等，并得出天线辐射贴片长度与谐振频率的线性关系图。图8是天线在5.7 GHz处的辐射方向图，E面和H面的重合度较高。但由于利用软光刻工艺制作天线的过程中存在一定的精度偏差，以及在测试过程中存在掌握偏差，包括介质层的厚度变革、天线拉伸长度、液态金属的分布等，使得实测值与仿真值有较小偏差。
4 结束语
利用软光刻快速成型技能制作PDMS通道，能够在没有任何磨损的情形下制备天线。液态金属合金EGaIn可在室温下快速添补PDMS通道，并形成薄的氧化层“皮肤”，只管金属表面能较高，但在通道内仍可保持流体的机器稳定性。与传统的铜天线不同，液体金属微带天线在变形时(如拉伸、扭曲、波折等)不具有滞后征象，并且能够抵抗永久变形(即在移除施加的应力后，天线可返回初始状态)。通过仿真和测试可知，以PDMS包裹EGaIn所制备的液态金属天线具备两者的特性，可通过拉伸得到4~6 GHz范围内的任意频率。
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作者信息:
李 峰，李晓丹
(中北大学 仪器科学与动态测试教诲部重点实验室，山西 太原030051)
