CN104300205A - 一种液态金属螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态金属螺旋天线，其特征在于，所述液体金属螺旋天线包括：介质支撑体、螺旋辐射体、馈电匹配体、接地板和射频同轴接头；所述介质支撑体为设置在所述接地板上的圆锥台结构；所述馈电匹配体贴附在所述介质支撑体外壁下部；所述射频同轴接头包括同轴设置的外导体和内导体；所述外导体连接所述接地板；所述内导体连接所述馈电匹配体；所述螺旋辐射体包括变升角螺旋管和容置于所述螺旋管内的液态金属；所述螺旋管的起始端贴附在所述馈电匹配体上，并沿所述介质支撑体外壁螺旋环绕形成锥形；本发明使得所述螺旋天线更具备可重构性，同时本发明的带宽要宽于相同结构和尺寸的固态金属天线的带宽。

Description

一种液态金属螺旋天线

技术领域

本发明涉及一种天线，具体为一种液态金属螺旋天线。

背景技术

天线是无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件，广泛应用于无线电通信、广播、电视、雷达、导航、遥感等工程系统，现有技术中的天线通常是使用铜等固态金属导体制成的，运输和携带不便、轴比带宽相对较窄、天线可重构性发展有限。近年来，随着雷达和通信系统的迅速发展，卫星、舰船和飞机等载体上需要搭载的天线越来越多，同时，伴随搭载天线密度的提高，天线之间的电磁耦合干扰变得严重，甚至会影响天线的正常工作，因此采用一个天线来实现多个天线的功能，即能够动态改变天线物理结构或尺寸，具有重要的应用价值。螺旋天线在卫星通信和卫星导航中均有广泛的应用，其频段分布在UHF、L、S、C、X和Ku等频段上，螺旋天线分为法向和轴向两种辐射模式，其中轴向模螺旋天线具有宽频带、高增益和低轴比的特点；另外，由于对天线体积越来越小的需求的影响，天线小型化是必然的趋势。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种液态金属螺旋天线。

本发明的技术手段如下：

一种液态金属螺旋天线，所述液体金属螺旋天线包括：介质支撑体、螺旋辐射体、馈电匹配体、接地板和射频同轴接头；所述介质支撑体为设置在所述接地板上的圆锥台结构；所述馈电匹配体贴附在所述介质支撑体外壁下部；所述射频同轴接头包括同轴设置的外导体和内导体；所述外导体连接所述接地板；所述内导体连接所述馈电匹配体；所述螺旋辐射体包括变升角螺旋管和容置于所述螺旋管内的液态金属；所述螺旋管的起始端贴附在所述馈电匹配体上，并沿所述介质支撑体外壁螺旋环绕形成锥形；

进一步地，所述螺旋天线由具备同种结构、且参数方程为 $\begin{array}{c}x=(R^{\′}+\frac{(R-R^{\′})}{2\mathrm{\πN}}\×t)\×\cos \left(t\right)\\ y=(R^{\′}+\frac{(R-R^{\′})}{2\mathrm{\πN}}\×t)\×\sin \left(t\right)\\ z=R^{\′}\×\tan [({\mathrm{\α}}_0+\frac{({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_0)\×t}{2\mathrm{\πN}})\×\frac{\mathrm{\π}}{180}]\×t\end{array}$ 的螺旋天线在纵向方向上的某一位置截断得到，该位置为螺旋管环绕过程中弧度变化值t等于预设值处；参数方程中R为螺旋天线的顶面半径、R′为螺旋天线的底面半径、N为螺旋圈数、α₀为螺旋起始升角、α₁为螺旋终止升角、t为螺旋管环绕过程中弧度变化值，变化范围为0≤t≤2πN；

进一步地，所述螺旋管由聚二甲基硅氧烷材料制成；

进一步地，所述液态金属为镓铟合金；

进一步地，所述馈电匹配体为矩形结构；通过调整所述馈电匹配体的尺寸、以及所述馈电匹配体底端与所述接地板上表面之间的距离实现天线阻抗匹配；

进一步地，所述螺旋天线的底面直径D与螺旋天线中心频率所对应的波长λ的比值范围为0.25～0.42。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种液态金属螺旋天线，本发明所述螺旋辐射体包括变升角螺旋管和容置于所述螺旋管内的液态金属，所述螺旋天线由螺旋管沿所述介质支撑体外壁螺旋环绕形成锥形，液态金属的流动性、延展性属性和螺旋管的弹性属性使得所述螺旋天线更具备可重构性和运输便捷性，同时本发明的带宽要宽于相同结构和尺寸的固态金属天线的带宽，不仅具有传统螺旋天线高增益宽频带的优势，还具有抑制旁瓣的特点，既能实现较为理想的圆极化性能，又能满足对小体积天线的需求；另外，利用本发明所述馈电匹配体来调谐天线的输入阻抗，调谐方式简单可靠，且能够获得良好的阻抗匹配。

附图说明

图1是本发明所述螺旋天线的结构示意图；

图2是本发明所述螺旋天线轴向轴比和增益随工作频率的变化曲线图；

图3是本发明所述螺旋天线与相同结构尺寸的固态金属(铜)天线的轴向轴比随工作频率变化曲线对比图；

图4是本发明所述螺旋天线反射系数随工作频率的变化曲线图；

图5是本发明所述螺旋天线的左旋和右旋圆极化仿真图；

图6是截断前的螺旋天线结构示意图。

图中：1、介质支撑体，2、螺旋辐射体，3、馈电匹配体，4、接地板，5、射频同轴接头，21、螺旋管，22、液态金属，51、外导体，52、内导体。

具体实施方式

如图1所示的一种液态金属螺旋天线，所述液体金属螺旋天线包括：介质支撑体1、螺旋辐射体2、馈电匹配体3、接地板4和射频同轴接头5；所述介质支撑体1为设置在所述接地板4上的圆锥台结构；所述馈电匹配体3贴附在所述介质支撑体1外壁下部；所述射频同轴接头5包括同轴设置的外导体51和内导体52；所述外导体51连接所述接地板4；所述内导体52连接所述馈电匹配体3；所述螺旋辐射体2包括变升角螺旋管21和容置于所述螺旋管21内的液态金属22；所述螺旋管21的起始端贴附在所述馈电匹配体3上，并沿所述介质支撑体1外壁螺旋环绕形成锥形；进一步地，所述螺旋天线由具备同种结构、且参数方程为 $\begin{array}{c}x=(R^{\′}+\frac{(R-R^{\′})}{2\mathrm{\πN}}\×t)\×\cos \left(t\right)\\ y=(R^{\′}+\frac{(R-R^{\′})}{2\mathrm{\πN}}\×t)\×\sin \left(t\right)\\ z=R^{\′}\×\tan [({\mathrm{\α}}_0+\frac{({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_0)\×t}{2\mathrm{\πN}})\×\frac{\mathrm{\π}}{180}]\×t\end{array}$ 的螺旋天线在纵向方向上的某一位置截断得到，该位置为螺旋管环绕过程中弧度变化值t等于预设值处；上述参数方程中R为螺旋天线的顶面半径、R′为螺旋天线的底面半径、N为螺旋圈数、α₀为螺旋起始升角、α₁为螺旋终止升角、t为螺旋管环绕过程中弧度变化值，变化范围为0≤t≤2πN；进一步地，所述螺旋管21由聚二甲基硅氧烷材料制成；进一步地，所述液态金属22为镓铟合金；进一步地，所述馈电匹配体3为矩形结构；通过调整所述馈电匹配体3的尺寸、以及所述馈电匹配体3底端与所述接地板4上表面之间的距离实现天线阻抗匹配；进一步地，所述螺旋天线的底面直径D与螺旋天线中心频率所对应的波长λ的比值范围为0.25～0.42。

本发明所述接地板4在射频同轴接头5处设有通孔；所述内导体52底端穿过所述通孔；实际设计时，所述螺旋管21外径可取值为6mm、内径取值为4mm、相对介电常数ε_r≈2.67，且由弹性体材料如聚二甲基硅氧烷材料(PDM)制成，PDM是一种高弹体，伸展性强，利于天线的可重构性；所述液态金属22采用镓铟合金(EGaIn)，其熔点低、常温下呈现液态、接触空气会形成氧化表层，进而不再流动、具有天线需要的所有电子特性、弹性大于铜等固态金属、能够很好地接收信号、反复弯折也不会导致材料疲劳、具有自我修复能力、以及具备实现可重构天线的特质；所述螺旋天线的底面直径D与螺旋天线中心频率所对应的波长λ的比值范围为0.25～0.42之间，此时螺旋天线为轴向辐射模式，当比值超出这个范围，天线将不再呈现圆极化特性，同时波瓣图也会出现畸变；所述介质支撑体1可以采用发泡聚乙烯材料制成，实际设计时介质支撑体1底面半径R_b可以为30mm，顶面半径R_a可以为14mm，高度H′可以取值为90mm；本发明所述螺旋天线由具备同种结构、且参数方程为 $\begin{array}{c}x=(R^{\′}+\frac{(R-R^{\′})}{2\mathrm{\πN}}\×t)\×\cos \left(t\right)\\ y=(R^{\′}+\frac{(R-R^{\′})}{2\mathrm{\πN}}\×t)\×\sin \left(t\right)\\ z=R^{\′}\×\tan [({\mathrm{\α}}_0+\frac{({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_0)\×t}{2\mathrm{\πN}})\×\frac{\mathrm{\π}}{180}]\×t\end{array}$ 的螺旋天线在纵向方向上的某一位置截断得到，该位置为螺旋管环绕过程中弧度变化值t等于预设值处，预设值可以取t＝4π，可以通过调整螺旋起始升角α₀、螺旋终止升角α₁或螺旋管环绕过程中弧度变化值t来改变具有上述参数方程的螺旋天线的圆极化辐射特性，进而改变本发明截断后的天线的圆极化辐射特性。

下面针对海事卫星通信应用为例进行说明：天线的工作频段为1525～1660.5MHz、中心频率为1600MHz，为满足轴向辐射模式，选取截断前的螺旋天线的底面半径R′为33mm，同时选取截断前的天线的螺旋圈数N为4，针对实际应用中对于天线体积小的需求，设定本发明所述螺旋天线(即截断后的螺旋天线)的高度为76mm；在设定截断后的螺旋天线高度为76mm，以及截断前的螺旋天线的底面半径R′为33mm的基础上，经过大量计算机的仿真分析，选取截断前的螺旋天线的顶面半径R为3mm、螺旋起始升角α₀为13°、以及螺旋终止升角α₁为7°，则得到截断前的螺旋天线，图6示出了截断前的螺旋天线结构示意图，为了降低剖面，且不破坏螺旋线上的电流分布，在截断前的螺旋天线的纵向方向上，选取螺旋管环绕过程中弧度变化值t等于2π×2处进行截断，即将截断前的螺旋天线4圈中的下部分2圈作为本发明所述螺旋天线(截断后的螺旋天线)，进而得出介质支撑体上半径为14mm，得到了良好的圆极化辐射性能，图1示出了本发明所述螺旋天线的结构示意图(即截断后的螺旋天线的结构示意图)，此时本发明所述螺旋天线的高度为76mm，再利用馈电匹配体对螺旋天线的输入阻抗进行匹配，可以通过调整所述馈电匹配体的尺寸、以及所述馈电匹配体底端与接地板上表面之间的距离来实现天线阻抗匹配，在天线的中心频率1600MHz处，设定所述馈电匹配体的长度L_p为24.2mm、宽度W_p为28mm、所述馈电匹配体底端与接地板上表面之间的距离h为9mm，得到了较为理想的阻抗曲线，进而优化了天线输入阻抗匹配；图2示出了本发明所述螺旋天线轴向轴比和增益随工作频率的变化曲线图，如图2所示，可以得到轴比小于3dB、带宽为1.36～1.88GHz、同时在该频带内对应的天线增益近似高于8dB；图3示出了本发明所述螺旋天线与相同结构尺寸的固态金属(铜)天线的轴向轴比随工作频率变化曲线对比图，如图3所示，可以看出液态金属(镓铟合金)天线比固态金属(铜)天线的带宽宽约30MHz，液态金属天线的圆极化性能更好；图4示出了本发明所述螺旋天线反射系数随工作频率的变化曲线图，如图4所示，在整个海事卫星通信工作频带内反射系数小于25dB，输入阻抗取得较好的匹配；图5示出了本发明所述螺旋天线的左旋和右旋圆极化仿真图，如图5所示，交叉极化隔离度超过20dB，半功率波瓣宽度达到45°，实际应用时截断前的螺旋天线的螺旋圈数N并不局限于4，截断后的本发明所述螺旋天线的螺旋圈数也不局限于2，截断位置可根据实际的螺旋天线高度要求和对圆极化辐射特性的影响进行调整，通过这种截断方式，有效降低了螺旋天线高度和体积，同时不破坏螺旋线上的电流分布，保持了良好的圆极化辐射特性。

本发明提供的一种液态金属螺旋天线，本发明所述螺旋辐射体包括变升角螺旋管和容置于所述螺旋管内的液态金属，所述螺旋天线由螺旋管沿所述介质支撑体外壁螺旋环绕形成锥形，液态金属的流动性、延展性属性和螺旋管的弹性属性，使得所述螺旋天线更具备可重构性和运输便捷性，同时本发明的带宽要宽于相同结构和尺寸的固态金属天线的带宽，不仅具有传统螺旋天线高增益宽频带的优势，还具有抑制旁瓣的特点，既能实现较为理想的圆极化性能，又能满足对小体积天线的需求；另外，利用本发明所述馈电匹配体来调谐天线的输入阻抗，调谐方式简单可靠，且能够获得良好的阻抗匹配；本发明适合用于要求小型化、高增益、带宽宽的天线场合，同时具备易携带、易保密、反侦察的特性，可以用作军事侦察系统等领域。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种液态金属螺旋天线，其特征在于，所述液体金属螺旋天线包括：介质支撑体、螺旋辐射体、馈电匹配体、接地板和射频同轴接头；所述介质支撑体为设置在所述接地板上的圆锥台结构；所述馈电匹配体贴附在所述介质支撑体外壁下部；所述射频同轴接头包括同轴设置的外导体和内导体；所述外导体连接所述接地板；所述内导体连接所述馈电匹配体；所述螺旋辐射体包括变升角螺旋管和容置于所述螺旋管内的液态金属；所述螺旋管的起始端贴附在所述馈电匹配体上，并沿所述介质支撑体外壁螺旋环绕形成锥形。

2.根据权利要求1所述的一种液态金属螺旋天线，其特征在于所述螺旋天线由具备同种结构、且参数方程为 $\begin{array}{c}x=(R^{\′}+\frac{(R-R^{\′})}{2\mathrm{\πN}}\×t)\×\cos \left(t\right)\\ y=(R^{\′}+\frac{(R-R^{\′})}{2\mathrm{\πN}}\×t)\×\sin \left(t\right)\\ z=R^{\′}\×\tan [({\mathrm{\α}}_0+\frac{({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_0)\×t}{2\mathrm{\πN}})\×\frac{\mathrm{\π}}{180}]\×t\end{array}$ 的螺旋天线在纵向方向上的某一位置截断得到，该位置为螺旋管环绕过程中弧度变化值t等于预设值处；参数方程中R为螺旋天线的顶面半径、R′为螺旋天线的底面半径、N为螺旋圈数、α₀为螺旋起始升角、α₁为螺旋终止升角、t为螺旋管环绕过程中弧度变化值，变化范围为0≤t≤2πN。

3.根据权利要求1所述的一种液态金属螺旋天线，其特征在于所述螺旋管由聚二甲基硅氧烷材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种液态金属螺旋天线，其特征在于所述液态金属为镓铟合金。

5.根据权利要求1所述的一种液态金属螺旋天线，其特征在于所述馈电匹配体为矩形结构；通过调整所述馈电匹配体的尺寸、以及所述馈电匹配体底端与所述接地板上表面之间的距离实现天线阻抗匹配。

6.根据权利要求1所述的一种液态金属螺旋天线，其特征在于所述螺旋天线的底面直径D与螺旋天线中心频率所对应的波长λ的比值范围为0.25～0.42。