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CN112821041B - 基于液态金属的频率极化可重构单极子天线 - Google Patents

基于液态金属的频率极化可重构单极子天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于天线技术领域，涉及一种基于液态金属的频率极化可重构单极子天线，包括介质基板、金属贴片、微流管基板、微流管道、注射口和液态金属。本发明利用液态金属在室温下流动的特性改变天线形状和尺寸，实现0.35‑18GHz内50倍频频率极化可重构。用液态金属控制单极子天线的长度，实现天线的频率可重构，利用液态金属改变单极子天线地板的电流分布，可以由原本的线极化变为圆极化，实现了极化可重构。与传统天线相比，液态金属天线可以实现连续调谐，可重构范围较大；其次液态金属具有较强的自我修复特性，基本不会产生折断或者弯曲等难以修复的损伤。

Description

基于液态金属的频率极化可重构单极子天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种基于液态金属的频率极化可重构单极子天线及其重构方法，利用液态金属在室温下流动的特性改变天线形状和尺寸实现可重构，满足多种环境对天线工作频率与极化状态要求不同的需求。
背景技术
在军事电子领域，未来机载平台往往要求电子系统集电子侦察、电子干扰、雷达探测、无线通信等多种功能于一体。这也势必要求天线朝着超宽带、多频带、多功能方向发展。同时在结构特性上也要求天线具有轻量化、低剖面、易共形等特点，以满足机载平台气动性能与隐身性能的需求。因此需要天线实现可重构，即用一副天线满足多种工作环境需求。
可重构天线根据重构的性质可以分为：频率可重构、极化可重构和方向图可重构。传统的可重构天线一般利用变容二极管、pin二极管、开关等实现天线的可重构，但是这些半导体器件会产生非线性效应，收发系统由此产生严重的交调失真。此外，上述手段还存在辐射性能的重构状态极其有限、偏置电路复杂等问题。而且传统金属制备的天线存在着易腐蚀、损坏后难以修复的问题。
相对于传统的可重构天线，液态金属可重构天线优势较为明显，首先液态金属可以实现连续调谐，可重构范围也较大；其次液态金属由于其流动性而具有较强的自我修复特性，基本不会产生折断或者弯曲等难以修复的损伤；最后当天线处于非工作状态时，可以将液态金属抽出，能够大大降低其雷达散射截面。
2019年，Lingnan Song等人在IEEE Transactions on Antennas andPropagation发表的“Wideband Frequency Reconfigurable Patch Antenna WithSwitchable Slots Based on Liquid Metal and 3-D Printed Microfluidics”，该论文中利用针管的推力驱动微流管内液态金属的流动，组成不同大小形状的贴片天线，得到12种工作状态，天线工作频带覆盖2-3.6GHz。虽然该论文利用液态金属得到了一种频率可重构天线，但是天线工作频带较窄，且只有一种极化状态。
目前所发表的关于液态金属频率可重构天线的论文或专利都存在上述的问题，而实现超宽带频率可重构在通信领域有着重大的意义，为了解决该技术难题，本发明提出了一种超宽带可重构单极子天线，实现了0.35-18GHz的50倍频工作范围，而且该发明还能实现线极化到圆极化的极化重构。
发明内容
本发明的目的是针对上述所提到的现有技术不足，提出了一种基于液态金属的频率极化可重构的单极子天线，对天线形状进行设计，通过改变液态金属的填充长度来控制天线辐射体的尺寸和形状，实现频率和极化可重构，解决现有的可重构频率范围较窄，可重构性能单一的问题。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种基于液态金属频率极化可重构的单极子天线，包括介质基板1、金属贴片2、微流管基板3、微流管道4、注射口5、液态金属6和同轴馈线7，其特征在于：
所述金属贴片2由第一金属贴片2.1和第二金属贴片2.2组成；所述微流管基板3包括第一微流管基板3.1、第二微流管基板3.2、第三微流管基板3.3和第四微流管基板3.4；所述微流管道4包括第一直线型微流管道4.1、折叠型微流管道4.2、折线型微流管道4.3、蜿蜒型微流管道4.4、第二直线型微流管道4.5和第三直线型微流管道4.6；所述注射口5包括第一注射口5.1、第二注射口5.2、第三注射口5.3、第四注射口5.4、第五注射口5.5、第六注射口5.6、第七注射口5.7、第八注射口5.8、第九注射口5.9、第十注射口5.10、第十一注射口5.11和第十二注射口5.12。
所述介质基板1正面印制有第一金属贴片2.1，覆有第一微流管基板3.1、第二微流管基板3.2和第三微流管基板3.3，背面印制有第二金属贴片2.2，覆有第四微流管基板3.4；所述微流管基板3和介质基板1之间利用双面胶密封在一起；所述第一微流管基板3.1与介质基板1接触的表面蚀刻有第一直线型微流管道4.1和折叠型微流管道4.2，另一面覆有第一注射口5.1、第二注射口5.2、第三注射口5.3和第四注射口5.4；所述第二微流管基板3.2与介质基板1接触的表面蚀刻有折线型微流管道4.3，另一面覆有第五注射口5.5和第六注射口5.6；所述第三微流管基板3.3与介质基板1接触的表面蚀刻有蜿蜒型微流管道4.4，另一面覆有第七注射口5.7和第八注射口5.8；所述第四微流管基板3.4与介质基板1接触的表面蚀刻有第二直线型微流管道4.5和第三直线型微流管道4.6，另一面覆有第九注射口5.9、第十注射口5.10、第十一注射口5.11和第十二注射口5.12；所述微流管基板3与注射口5采用热键和的方式连接在一起。
所述液态金属6被压力驱动在微流管道内流动，通过控制液态金属6的位置与注入体积，实现天线的频率与极化可重构。
所述在微流管道4内流动的液态金属6为镓铟合金(EGaIn)。
所述介质基板1为罗杰斯5880，所述微流管基板3和注射口5为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
综上所述，本发明的优点为：
本发明将液态金属作为天线的辐射体，利用液态金属室温下呈现液态、流动性较强、具有自我修复能力、电导率较高、无毒无害的特点来替代传统的固态金属。将液态金属注入到由PDMS制成的微流管道中，利用推力使液态金属流动，很好地保持了液态金属的各种优良特性。
本发明利用液态金属改变天线尺寸形状，实现了超宽频带内频率可重构，且天线同时可以进行极化重构，解决传统天线加工好后天线性能无法改变的问题。
由液态金属制成的可重构天线，在重构过程中对天线不会造成损伤，与传统重构天线相比，不用额外添加用于重构的电路器件，缩小了天线的体积，简化了天线的结构，增加了天线的实用性。
对比现有的关于液态金属可重构天线的文献与专利，该发明具有宽频带、可重构状态多、调控简单等优点。
附图说明
图1是本发明一种基于液态金属的频率极化可重构单极子天线立体结构图。该图所示天线工作在0.35-18GHz，天线整体尺寸为110mm×70mm×5.524mm。
图2是图1所示天线结构的正面视图。
图3是图1所示天线结构的背面视图。
图4是图1所示天线结构的侧视图。
图5是图1所示天线结构工作在状态1时天线结构示意图。
图6是图1所示天线结构在0.35-2.6GHz范围内频率重构子天线的反射系数。
图7是图1所示天线结构在2-18GHz范围内频率重构子天线的反射系数。
图8是图1所示天线结构在不同频率工作时的辐射方向图。
图9是图1所示天线结构在极化重构时圆极化的轴比与反射系数。
图10是图1所示天线结构的极化重构时圆极化的辐射方向图。
图中：1、介质基板；2、金属贴片；3、微流管基板；4、微流管道；5、注射口；6、液态金属；7、同轴馈线。
具体实施方式
下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行具体描述。本发明包括但不限于以下所列举天线具体工作状态。
参照图1，参照图2，参照图3，参照图4，参照图5。
一种频率极化可重构的单极子天线由介质基板1、金属贴片2、微流管基板3、微流管道4、注射口5、液态金属6和同轴馈线7构成：
所述金属贴片2由第一金属贴片2.1和第二金属贴片2.2组成；所述微流管基板3包括第一微流管基板3.1、第二微流管基板3.2、第三微流管基板3.3和第四微流管基板3.4；所述微流管道4包括第一直线型微流管道4.1、折叠型微流管道4.2、折线型微流管道4.3、蜿蜒型微流管道4.4、第二直线型微流管道4.5和第三直线型微流管道4.6；所述注射口5包括第一注射口5.1、第二注射口5.2、第三注射口5.3、第四注射口5.4、第五注射口5.5、第六注射口5.6、第七注射口5.7、第八注射口5.8、第九注射口5.9，第十注射口5.10、第十一注射口5.11和第十二注射口5.12。
所述介质基板1正面印制有第一金属贴片2.1，覆有第一微流管基板3.1、第二微流管基板3.2和第三微流管基板3.3，背面印制有第二金属贴片2.2，覆有第四微流管基板3.4；所述微流管基板3和介质基板1之间利用双面胶密封在一起；所述第一微流管基板3.1与介质基板1接触的表面蚀刻有第一直线型微流管道4.1和折叠型微流管道4.2，另一面覆有第一注射口5.1、第二注射口5.2、第三注射口5.3和第四注射口5.4；所述第二微流管基板3.2与介质基板1接触的表面蚀刻有折线型微流管道4.3，另一面覆有第五注射口5.5和第六注射口5.6；所述第三微流管基板3.3与介质基板1接触的表面蚀刻有蜿蜒型微流管道4.4，另一面覆有第七注射口5.7和第八注射口5.8；所述第四微流管基板3.4与介质基板1接触的表面蚀刻有第二直线型微流管道4.5和第三直线型微流管道4.6，另一面覆有第九注射口5.9、第十注射口5.10、第十一注射口5.11和第十二注射口5.12；所述微流管基板3与注射口5采用热键和的方式连接在一起。
输入信号通过同轴馈线7由第一直线型微流管道4.1内的液态金属6向天线辐射体馈电，第一直线型微流管道4.1内的液态金属6起到微带线馈电的作用。当第一直线型微流管道4.1下半部分填充液态金属6时，只有部分第一金属贴片2.1参与辐射，背面第二金属贴片2.2作为金属地板；当第一直线型微流管道4.1上半部分填充液态金属6时，由除了第一直线型微流管道4.1中填充的液态金属6外的其它液态金属6和部分第一金属贴片2.1共同起到辐射的作用，背面第二金属贴片2.2作为金属地板。
所述介质基板1的尺寸为110mm×70mm×1.524mm，所述微流管基板3厚度为2mm，所述微流管道4深度为1.2mm，宽度为1mm-2mm。
所述介质基板1为罗杰斯5880，所述微流管基板3和注射口5为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
常温下，金属汞是唯一的重质液态金属，有较高的电导率。但是汞在常温下可以蒸发，汞蒸汽有剧毒，会对人体造成巨大损害。可替代的，镓单质和铟单质按特殊配比制成的镓铟合金在常温下可以呈现液态，并有着和汞相似的物理性质，不同的是，镓铟合金是无毒无害的。所以，所述在微流管道4内流动的液态金属6为镓铟合金(EGaIn)。
参照图5举例给出了天线工作在状态1下天线结构示意图，通过第一注射口5.1和第二注射口5.2在第一直线型微流管道4.1内部分填充液态金属6；通过第三注射口5.3和第四注射口5.4在折叠型微流管道4.2内部分填充液态金属6；通过第五注射口5.5和第六注射口5.6在折线型微流管道4.3内部分填充液态金属6；通过第七注射口5.7和第八注射口5.8在蜿蜒线型微流管道4.4内填充满液态金属6，此时天线以线极化的形式工作在0.35GHz。
下表1列举了天线几种典型工作状态的液态金属填充情况，本发明包括但不限于以下所列举的天线具体工作状态。
表1天线工作状态与液态金属填充对应关系说明
Figure BDA0002873045500000051
以下结合附图对天线性能做进一步详细说明：
图6为上述实施方式在0.35-2.6GHz频段内的不同工作状态天线的反射系数，图中横轴为频率，纵轴为反射系数幅度。
图7为上述实施方式在2-18GHz频段内不同工作状态天线的反射系数，图中横轴为频率，纵轴为反射系数幅度。
图8为上述实施方式在0.35-18GHz频段典型工作频点的辐射方向图，图8(a)是0.35GHz时的辐射方向图，图8(b)是2GHz时的辐射方向图，图8(c)是4GHz时的辐射方向图，图8(d)是7GHz时的辐射方向图，图8(e)是13GHz时的辐射方向图，图8(f)是18GHz时的辐射方向图。
图9为上述实施方式由线极化重构为圆极化时，圆极化天线的轴比与反射系数，图中横轴为频率，纵轴为轴比和反射系数幅度。
图10为上述实施方式工作在圆极化时天线的辐射方向图，此时天线沿x轴正向为右旋圆极化。
以上描述和实施方式，仅为本发明的部分优选实例，不对本发明构成任何限制，对于本领域的专业人员来说，本申请可以有各种更改和变化，但是基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于液态金属频率极化可重构的单极子天线，天线结构包括介质基板(1)、金属贴片(2)、微流管基板(3)、微流管道(4)、注射口(5)、液态金属(6)和同轴馈线(7)；其特征在于：所述金属贴片(2)由第一金属贴片(2.1)和第二金属贴片(2.2)组成；所述微流管基板(3)包括第一微流管基板(3.1)、第二微流管基板(3.2)、第三微流管基板(3.3)和第四微流管基板(3.4)；所述微流管道(4)包括第一直线型微流管道(4.1)、折叠型微流管道(4.2)、折线型微流管道(4.3)、蜿蜒型微流管道(4.4)、第二直线型微流管道(4.5)和第三直线型微流管道(4.6)；所述注射口(5)包括第一注射口(5.1)、第二注射口(5.2)、第三注射口(5.3)、第四注射口(5.4)、第五注射口(5.5)、第六注射口(5.6)、第七注射口(5.7)、第八注射口(5.8)、第九注射口(5.9)、第十注射口(5.10)、第十一注射口(5.11)和第十二注射口(5.12)；所述介质基板(1)正面印制有第一金属贴片(2.1)，覆有第一微流管基板(3.1)、第二微流管基板(3.2)和第三微流管基板(3.3)，背面印制有第二金属贴片(2.2)，覆有第四微流管基板(3.4)；所述微流管基板(3)和介质基板(1)之间利用双面胶密封在一起；所述第一微流管基板(3.1)与介质基板(1)接触的表面蚀刻有第一直线型微流管道(4.1)和折叠型微流管道(4.2)，另一面覆有第一注射口(5.1)、第二注射口(5.2)、第三注射口(5.3)和第四注射口(5.4)；所述第二微流管基板(3.2)与介质基板(1)接触的表面蚀刻有折线型微流管道(4.3)，另一面覆有第五注射口(5.5)和第六注射口(5.6)；所述第三微流管基板(3.3)与介质基板(1)接触的表面蚀刻有蜿蜒型微流管道(4.4)，另一面覆有第七注射口(5.7)和第八注射口(5.8)；所述第四微流管基板(3.4)与介质基板(1)接触的表面蚀刻有第二直线型微流管道(4.5)和第三直线型微流管道(4.6)，另一面覆有第九注射口(5.9)、第十注射口(5.10)、第十一注射口(5.11)和第十二注射口(5.12)；所述微流管基板(3)与注射口(5)采用热键和的方式连接在一起；所述液态金属(6)被压力驱动在微流管道内流动，通过控制液态金属(6)的位置与注入体积，实现了天线的频率与极化可重构。
2.根据权利要求1所述的基于液态金属频率极化可重构单极子天线，其特征在于：输入信号通过同轴馈线(7)由第一直线型微流管道(4.1)内的液态金属(6)向天线辐射体馈电，第一直线型微流管道(4.1)内的液态金属(6)起到微带线馈电的作用；当第一直线型微流管道(4.1)下半部分填充液态金属(6)时，只有部分第一金属贴片(2.1)参与辐射，背面第二金属贴片(2.2)作为金属地板；当第一直线型微流管道(4.1)上半部分填充液态金属(6)时，由除了第一直线型微流管道(4.1)中填充的液态金属(6)外的其它液态金属(6)和部分第一金属贴片(2.1)共同起到辐射的作用，背面第二金属贴片(2.2)作为金属地板。
3.根据权利要求1所述的基于液态金属频率极化可重构单极子天线，其特征在于：所述介质基板(1)的尺寸为110mm×70mm×1.524mm，所述微流管基板(3)厚度为2mm，所述微流管道(4)深度为1.2mm，宽度为1mm-2mm。
4.根据权利要求1所述的基于液态金属频率极化可重构单极子天线，其特征在于：所述介质基板(1)为罗杰斯5880，所述微流管基板(3)和注射口(5)为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
5.根据权利要求1所述的基于液态金属频率极化可重构单极子天线，其特征在于：所述在微流管道(4)内流动的液态金属(6)为镓铟合金(EGaIn)。
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