BR102017000597A2 - System, and, method of configuring an antenna - Google Patents

Description

“SISTEMA, E, MÉTODO DE CONFIGURAR UMA ANTENA” CAMPO TÉCNICO

[001] A presente descrição se refere, de modo geral, a comunicações de ondas eletromagnéticas e, mais particularmente, a um sistema e método para reconfigurar dinamicamente uma ou mais antenas de ondas eletromagnéticas para acomodar diferentes requisitos de formato ou desempenho.

FUNDAMENTOS

[002] Uma antena é uma estrutura usada para transmitir ou receber radiação eletromagnética, tipicamente para fins de comunicação ou detecção. Assim, por exemplo, antenas de bandas celulares são onipresentes sobre as superfícies superiores e laterais de edifícios em áreas povoadas, e a as luzes vermelhas de advertência na aviação de torres de estação de antenas pontilham nas zonas rurais. Uma vez que as características de transmissão e recepção de radiação de uma antena são, de modo importante, uma função do tamanho e forma (configuração) da antena, as antenas vistas diariamente apresentam uma grande variedade de formas e tamanhos.

[003] Embora a presente descrição seja direcionada a um sistema que pode eliminar certas desvantagens, deve ser apreciado que este benefício não é uma limitação sobre o escopo dos princípios descritos, nem das reivindicações apensas, exceto para a extensão expressamente notada nas reivindicações. Adicionalmente, a explicação de tecnologia na presente seção de Fundamentos reflete as próprias observações, considerações e imaginações, e de modo algum pretendida a catalogar precisamente ou resumir compreensivamente a técnica correntemente de domínio público. Desse modo, qualquer identificação ou implicação acima ou, de outro modo aqui, de um curso desejável da ação reflete as próprias observações e idéias, e não devem ser assumidas como para indicar uma desejabilidade reconhecida da técnica.

SUMÁRIO

[004] De acordo com uma modalidade dos princípios descritos, um sistema de antenas seletivamente reconfiguráveis é provida tendo uma primeira camada de material e uma segunda camada de material definindo uma cavidade entre as mesmas. Um primeiro reservatório, pelo menos parcialmente, contém um metal líquido e um segundo reservatório, pelo menos parcialmente, contém um eletrólito líquido. O metal e o eletrólito líquidos ficam em contato em uma camada de óxido metálico na cavidade. Uma pluralidade de eletrodos inclui um primeiro eletrodo em contato com o metal líquido e um segundo eletrodo em contato com o eletrólito, de modo que a camada de óxido metálico se rompe quando um potencial negativo é aplicado ao segundo eletrodo em relação ao primeiro eletrodo.

[005] Em outra modalidade, um método é provido para configurar uma antena. Um metal e um eletrólito líquidos são colocados entre duas superfícies de modo que o metal e o eletrólito líquidos fiquem em contato um com outro em uma camada de interface. Uma voltagem aplicada entre o eletrólito e uma porção do metal líquido opera para mover a porção do metal líquido em direção ao eletrólito. A interrupção (ou cessação) de aplicação de voltagem quando o metal líquido alcança uma predeterminada configuração mantém o metal líquido nesta configuração.

[006] Em outra modalidade ainda dos princípios descritos, uma antena reconfigurável é provida tendo um metal líquido em contato com um eletrólito, com o metal líquido estando em uma primeira configuração. Uma pluralidade de eletrodos inclui um primeiro eletrodo em contato com o metal líquido e um segundo eletrodo em contato com o eletrólito. Uma fonte de voltagem é conectada através do primeiro e segundo eletrodos e é configurada para aplicar uma voltagem de uma predeterminada magnitude e uma polaridade predeterminada para mover o metal líquido da primeira configuração para uma segunda configuração.

[007] Outras características e aspectos de modalidades dos princípios descritos serão apreciados pela descrição detalhada examinada em conjunto com as figuras inclusas.

BREVE DESCRIÇÃO DAS DIVERSAS VISTAS DOS DESENHOS

[008] Embora as reivindicações apensas apresentem as características dos presentes técnicos com particularidade, estas técnicas, juntamente com seus objetivos e vantagens, podem ser mais bem entendidas a partir da descrição detalhada a seguir, tomada em conjunto com os desenhos anexos, dos quais: a figura 1 é uma vista plana esquemática mostrando uma configuração de metal líquido em um canal unidimensional via a aplicação de voltagem tendo uma magnitude e polaridade selecionadas; a figura 2 é uma vista plana esquemática de uma antena reconfigurável bidimensional de acordo com uma modalidade dos princípios descritos; a figura 3 é uma vista plana esquemática mostrando uma antena reconfigurável bidimensional de múltiplos elementos de acordo com uma modalidade dos princípios descritos; a figura 4 é uma vista em perspectiva de um arranjo de antenas tridimensional formado de acordo com uma modalidade dos princípios descritos; a figura 5 é uma vista em perspectiva de um sistema de blindagem configurável de radiofrequência (RF) de acordo com uma modalidade dos princípios descritos; a figura 6 é uma vista plana d e diversos tipos adicionais de antena em várias modalidades dos princípios descritos, bem como, uma vista lateral em perspectiva de um tipo de antena alternativo; e a figura 7 é um fluxograma ilustrando um processo exemplificativo de configurar uma antena reconfigurável de metal líquido de acordo com uma modalidade ou mais modalidades dos princípios descritos.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[009] Antes da apresentação de uma explicação mais detalhada dos princípios descritos, uma visão geral é dada para ajudar o leitor na compreensão do assunto. Estes usam, como notado acima, antenas usadas para muitas finalidades e para muitas porções diferentes do espectro eletromagnético, de micro-ondas de banda de rádio, ambos AM e FM, até rádio de comprimento de onda longa. Estes usos cobrem comprimentos de onda através de cerca de 8 ordens de magnitude. Entretanto, mesmo dentro de uma banda estreita de uso, como rádio FM, projetos de antenas diferentes podem ser necessários para acomodar totalmente a porção relevante do espectro. Por exemplo, comunicações celulares e comunicações WiFi usam, aproximadamente, porções adjacentes do espectro, mas, tipicamente, se beneficiam por antenas diferentemente sintonizadas.

[0010] Outros contextos proveem também, frequentemente, um benefício através de formas de antenas sintonizadas ou padronizadas. Por exemplo, antenas monopolares, dipolares, Vivaldis, antenas de painel e antenas bicônicas são com base em formas específicas de antena para suas funções. As diferentes formas de antenas acima mencionadas podem ser, certamente, produzidas atualmente, mas, uma vez feitas, elas são tipicamente limitadas às suas formas pré-produzidas. Isto significa que, para o sistema de rádio essencial ser usado para outro tipo ou grau de uso, uma antena ou arranjo de antenas inteiramente novo é necessário.

[0011] Entretanto, em uma modalidade dos princípios descritos, um sistema de antenas eletronicamente reconfigurável permite a configuração ou reconfiguração de uma antena no campo em qualquer hora necessária e, entretanto, frequentemente necessária. Desse modo, por exemplo, uma antena linear pode ser alongada ou encurtada, membros transversais podem ser criados, configurados, ou eliminados, e estruturas de antena planares podem ser mudadas em forma e extensão, durante o tempo em que o sistema de antena permanecer fora de uso.

[0012] O gálio forma uma liga eutética com índio para criar um metal (EGaln) com um ponto de fusão essencialmente à temperatura ambiente. Entretanto, gálio e suas ligas não têm, tipicamente, sido usados em aplicações eletrônicas de metal líquido à temperatura ambiente, devido ao gálio formar uma casca de óxido quase instantaneamente quando exposto ao oxigênio. Desse modo, a despeito de sua elevada toxicidade, mercúrio tem, altemativamente, sendo empregado a muito tempo para satisfazer a maior parte de requisitos de metal líquido à temperatura ambiente.

[0013] Entretanto, a camada de óxido do gálio tem o benefício de transmitir estabilidade estrutural à liga quando ela é formada em determinada forma. Além disso, a camada de óxido pode ser rompida via a aplicação de um campo elétrico através da aplicação de um campo elétrico, permitindo que o EGaln seja reconfigurado. Em uma modalidade dos princípios descritos, um arranjo de eletrodos é empregado para endereçar e guiar o EGaln líquido para configurações diferentes bidimensionais e tridimensional limitadas.

[0014] Com esta descrição geral em mente, a passando agora a uma explicação mais detalhada em conjunto com as figuras anexas, a figura 1 mostra uma vista simplificada de um “pixel” 100 do sistema descrito de antenas de metal líquido. Como pode ser visto, o metal líquido (por exemplo, liga eutética de gálio e índio, EGaln) 101 fica localizado inicialmente em um reservatório fonte 103 e em um canal 104 formado por uma superfície superior 105 e uma superfície inferior 106 sobre um primeiro eletrodo 107. O restante do canal 104 é carregado com um eletrólito 109, (por exemplo, hidróxido de sódio, NaOH). Um segundo eletrodo 111 fica localizado no canal 104 entre o primeiro eletrodo 107. O reservatório de metal líquido 103 ou um reservatório similar para o eletrólito pode conter portas controladas para controlar a introdução ou remoção do líquido associado.

[0015] Passando à figura 2, de modo a reconfigurar o metal líquido 205 diferente de sua primeira configuração 206, uma voltagem V - 113 (também referida como um deslocamento bias ou diferença potencial) é aplicada por uma fonte de voltagem 115 entre o primeiro eletrodo e segundo eletrodo 111. O caminho condutivo entre o primeiro e segundo eletrodos 107, 111 inclui uma porção do eletrólito 109, 209 e uma porção do metal líquido 101, 205. A aplicação de voltagem 113 induz um campo elétrico através da camada de interface de óxido 108 no ponto em que o caminho de condução pelo qual o metal líquido 101 encontra o eletrólito 109. O campo elétrico rompe a camada de óxido e eleva a tensão superficial, fazendo com que o metal líquido escoe para a voltagem menor, formando uma segunda configuração 208. Embora o rompimento da camada de óxido seja um fenômeno progressivamente variável com variações em voltagem 113, foi verificado que uma voltagem aplicada V - 113 de 0,5 V causa deformação observável do metal no sistema EGaln/NaOH descrito acima, e uma voltagem aplicada 113 de -1,5 V causa não apenas deformação observável, mas também significativa movimentação do metal. O potencial aplicado 115 cai, primariamente, através da interface de óxido uma vez que o metal seja altamente condutivo, embora NaOH seja muito menos condutivo.

[0016] Se a voltagem aplicada 113 for negativa, com o potencial no primeiro eletrodo 107 sendo maior do que o potencial no segundo eletrodo 111. De outro modo, o metal líquido escoará de volta em direção ao primeiro eletrodo 107.

[0017] Será apreciado que a extensão pela qual o metal líquido escoa é grandemente determinado pela magnitude da voltagem aplicada. Dentro de uma escala de movimentação de 1 para 2 milímetros, uma voltagem de -1,5 V é suficiente para causar movimentação do metal sem levando a consumo excessivo de corrente. Uma voltagem de -0,5 podería ainda causar a movimentação do metal, mas pode ser muito baixa em alguns casos para superar confiavelmente outras influências sobre o metal, por exemplo, gravidade em arranjos estáticos e inércia em arranjos móveis.

[0018] Níveis de voltagem mais elevados ou mais baixos do que -1,5 V podem também ser usados, dependendo do espaçamento de eletrodos (por exemplo, mais do que, ou, mais inversamente do que 1-2 mm) desde que seja o campo elétrico local e não o diferencial de voltagem total que impacta a camada de óxido de EGaln. Como notado acima, NaOH é menos condutor do que EGaln, de modo que, enquanto a voltagem aplicada cai primariamente através da interface de óxido, haverá alguma queda de voltagem no NaOH ao longo da distância. Desse modo, embora -1,5 V entre eletrodos seja suficiente para pequenas movimentações, como de 1-2 mm, voltagens maiores, como 5 V, podem ser benéficas para movimentações em escala centimétrica entre os dois eletrodos.

[0019] Ainda em relação à figura 2, o arranjo 201 inclui uma pluralidade de eletrodos 203 em um arranjo regular plano. Cada eletrodo 203 é individualmente endereçável para induzir movimentação no metal líquido 205, que é novamente usado de um reservatório de metal líquido 207. Similarmente, um eletrólito 209, como NaOH, está presente no arranjo 201 e é retirado e retomo de/para um reservatório de eletrólito 215, que pode estar fora ou dentro da cavidade 104.

[0020] Em geral, a antena de metal líquido é projetada para afetar um padrão de radiação, direção de radiação, comprimento elétrico, frequência central, um ou mais lobos laterais, um ganho, um ângulo de escaneamento ou polarização. A antena formada desta maneira pode ser acionada durante operação por um ou mais conectores de borda 211, por exemplo, na periferia do arranjo 201. Os conectores de borda 211 podem ser alongados com uma ponta ligeiramente aguçada, como mostrado, para perfurar a camada de óxido do metal líquido e permanecer em bom contato. No caso de uma pluralidade destes conectores de borda 211 serem ligados à antena, o dispositivo de acionamento pode determinar qual conector 211 apresenta a melhor impedância casada e a menor perda e pode acionar a antena via este conector 211. Em uma modalidade, os conectores de borda 211 são ligados a uma camada do canal, por exemplo, camada 105, enquanto os contatos restantes 203 são ligados à outra camada, por exemplo, a camada 106.

[0021] Adicionalmente, quando múltiplas estruturas de antenas surgem de uma borda comum, uma tira contínua de metal líquido ao longo desta borda pode ser usada como uma interconexão entre as estruturas de antena. Além disso, uma ou mais estruturas de antenas podem ser acionadas pelos conectores sobre bordas diferentes, por exemplo, de topo e fundo, fundo e lateral etc. Além disso, embora a forma de antena sendo construída pode ser sintonizada para melhor resposta a uma determinada frequência ou faixa de frequência, também é contemplado que o mesmo sistema possa ser usado para criar uma estrutura dessintonizada, por exemplo, para blindagem etc.

[0022] Como pode ser visto, o arranjo de eletrodos permite que o metal líquido seja levado para qualquer número de padrões. Além disso, embora o reservatório de metal líquido permita uma conexão elétrica ser feita para a forma configurada, por exemplo, para acioná-la com um sinal RF, os próprios eletrodos podem também ser usados, uma vez que a modelação seja completa, para suprir um sinal de acionamento a um elemento isolado do padrão. Desse modo, conforme mostrado na figura 3, um padrão 300 que inclui elementos isolados301, 303 pode ser acionado via os respectivos eletrodos 305, 307, 309, 311 suportando os elementos 301, 303.

[0023] Muitas formas e arranjos de antenas podem ser formados pelo uso dos princípios descritos. Uma configuração simples monopólio foi mostrada, e o arranjo exemplificativo 400 mostrado na figura 4 inclui muitos elementos repetidos 401 e é um exemplo de arranjo tridimensional de dipolar, e pode ainda um arranjo faseado. Adicionalmente às configurações de monopolar e dipolar, outras formas de antenas, que são usadas isoladamente ou em arranjos bi- e tridimensionais, incluem Vivaldis 600, de painel 602 e bicônicas 604, como mostrado na figura 6, bem como, qualquer outra forma desejada de antena. Embora a ilustração da figura 4 mostre um arranjo tridimensional constituído de arranjos bidimensionais individuais, um próprio arranjo pode ser também tridimensional, por curvamento ou dobragem em uma forma, por exemplo, uma superfície externa de aeronave ou similar, ou pela incorporação de linhas adicionais de eletrodos que surgem de um outro arranjo, de outro modo, planar. Um exemplo de uma antena curva é a antena 606 da figura 6. A antena curva ilustrada 606 é uma antena patch conformada a uma superfície curva 608, mas deverá ser apreciado que qualquer forma de antena ou arranjo de antenas pode ser criado sobre uma superfície curva usando os princípios descritos.

[0024] Na implementação, o arranjo de eletrodos, por exemplo, o arranjo mostrado na figura 3, inclui um plano de topo e um plano de fundo (105 e 106 na figura 1) que proveem um espaço interior plano dentro do qual o metal líquido e eletrólito são capazes de se se mover. Os próprios planos de topo e de fundo são, de preferência, não condutores para não interferir com a ação das antenas configuradas.

[0025] Deverá ser apreciado que a capacidade para configurar uma camada metálica também provê benefícios fora de operação regular de antena. Por exemplo, uma camada metálica configurável pode ser usada para blindar temporariamente componentes sensitivos contra forte radiação eletromagnética. Em uma modalidade dos princípios descritos, tal blindagem usa a capacidade eletromotora para direcionar o metal líquido para formar uma tal blindagem.

[0026] Um exemplo deste conceito está mostrado na figura 5. Como pode ser visto, o metal líquido 501, que pode ser EGaln, reside em um reservatório de metal líquido 503 sob uma cavidade de blindagem 505. A cavidade de blindagem 505 é, inicialmente, carregada com um eletrólito 507 como NaOH, o qual, ao ser deslocado, escoa para um reservatório de eletrólito 509. Desse modo, atuação seletiva dos eletrodos na cavidade de blindagem 505 pode ser usada para blindar um sistema sensitivo a RF 511 contra uma fonte de RF 513. Os eletrodos podem ser deixados flutuar livremente em relação à voltagem após a etapa de modelagem, para permitir a total blindagem do sistema sensitivo a RF 511. Deverá ser apreciado que a blindagem eletromagnética pode, ao contrário, ser configurada como uma íris ou orifício em vez de uma cortina, dependendo dos detalhes de um determinado ambiente de instalação.

[0027] Com respeito a muitas modalidades, deverá ser apreciado que o fluxo resultante de corrente de uma voltagem aplicada pode ser medido, por exemplo, pela fonte de voltagem 115 ou, de outro modo, determinar o progresso do fluxo metálico e para ajustar, de modo adaptável, a voltagem aplicada (ou a localização na qual a voltagem é aplicada) em resposta. Neste contexto, é a 'presença ou ausência de fluxo trivial de corrente mais do que sua precisa magnitude o que reflete a configuração do circuito de metal líquido. Por exemplo, quando o metal líquido estiver sendo acionado entre um primeiro contato e um segundo contato via uma voltagem aplicada através destes contatos, e não tiver ainda tocado o segundo contato, a corrente resultante será limitada à menor corrente permitida através do NaOH.

[0028] Quando o metal líquido toca o segundo contato, porém, o circuito entre os dois contatos será encurtado, resultando em um aumento de fluxo de corrente de uma ordem de magnitude ou mais (enquanto a voltagem é mantida). Desse modo, a localização da borda de ataque do metal pode ser determinada e um terceiro contato energizado (e o segundo contato aterrado ou deixado flutuante) para estender o caminho de metal em qualquer direção desejada a partir deste ponto em frente. A corrente entre o segundo e terceiro contatos será, então, usada para determinar o momento em que a borda de ataque do metal líquido atinge o terceiro contato etc.

REIVINDICAÇÕES

Claims (13)

1. Sistema de antena seletivamente reconfigurável (100) caracterizado pelo fato de que compreende: uma primeira camada de material (105) e uma segunda camada de material (106) definindo uma cavidade (104) entre as mesmas; um primeiro reservatório (207) e um metal líquido (205) pelo menos parcialmente no primeiro reservatório; um segundo reservatório (215) e um eletrólito líquido (209) pelo menos parcialmente no segundo reservatório, de modo que o metal líquido e o eletrólito fiquem em contato em uma camada de óxido metálico (108) na cavidade; e uma pluralidade de eletrodos (107, 111 e 203) em comunicação elétrica com a cavidade, com um primeiro eletrodo (107) ficando em contato com o metal líquido e um segundo eletrodo (111) ficando em contato com o eletrólito, de modo que a camada de óxido metálico se rompe quando um potencial negativo (113) é aplicado ao segundo eletrodo em relação ao primeiro eletrodo.

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos um de: o metal líquido é atraído para o segundo eletrodo em virtude de seu potencial negativo; uma primeira porção (211) da pluralidade de eletrodos é ligada à primeira camada de material e uma segunda porção (203) da pluralidade de eletrodos é ligada à segunda camada de material. o metal líquido compreende um dentre gálio e mercúrio, em que o metal líquido compreende uma liga eutética de gálio e índio “EGaln”, e o eletrólito é hidróxido de sódio “NaOH”.

3. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma estrutura de metal líquido (401, 600, 602, 604, 606) dentro da cavidade formada por romper seletivamente a camada de óxido e mover o metal líquido via a aplicação de potencial entre pelo menos um par dos eletrodos.

4. Sistema de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a estrutura de metal líquido é uma dentre uma cortina, uma janela, um orifício, uma superfície seletiva de frequência e um dreno termal.

5. Sistema de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a estrutura de metal líquido compreende pelo menos uma de uma antena monopolar, uma antena dipolar, um elemento de cometa Vivaldi, um elemento bicônico e um elemento laminar.

6. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira e segunda camadas de material são planares.

7. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira e a segunda camadas de material conformam com uma superfície curvada (608), em que a superfície curvada é uma linha de molde externo de aeronave.

8. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos um da pluralidade de eletrodos é um conector elétrico (211) ligado ao metal líquido em uma borda da cavidade em que o conector elétrico tem uma forma alongada (211) configurada para contatar com o metal líquido intemamente em relação a qualquer camada superficial.

9. Método (700) de configurar uma antena, o método caracterizado pelo fato de que compreende: colocar (702) um metal líquido (205) e um eletrólito (209) entre duas superfícies (105, 106) de modo que o metal líquido e o eletrólito fiquem em contato em uma camada intermediária (108) que inclui um óxido de superfície; iniciar (704) aplicação de voltagem (113) entre o eletrólito e uma porção do metal líquido para gerar um campo elétrico na camada de interface, rompendo, pelo menos parcialmente, (706) o óxido de superfície e causando movimentação da porção do metal líquido em direção ao eletrólito; e cessar (708) aplicação da voltagem entre o eletrólito e a porção do metal líquido para congelar a camada de interface no lugar quando o metal líquido atingir uma configuração predeterminada.

10. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a camada de interface é um óxido do metal líquido.

11. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a aplicação da voltagem rompe a camada de interface.

12. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o metal líquido compreende gálio e o eletrólito compreende hidróxido de sódio “NaOH”.

13. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que cessar aplicação de voltagem entre o eletrólito e a porção do metal líquido faz com que a camada de óxido de superfície seja reformada.