CN105390803A - 基于旋转机构的液态金属螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于旋转机构的液态金属螺旋天线，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；所述液态金属螺旋天线还包括：用于带动所述介质支撑体和接地板旋转的旋转机构、置于所述介质支撑体上方的上固定板；所述螺旋管的末端固定在所述上固定板上；所述螺旋辐射体和所述馈电匹配体随所述介质支撑体一起旋转；本发明可应用于海事卫星通信，具有极化可重构、重量轻、带宽宽、低剖面等优点。

Description

基于旋转机构的液态金属螺旋天线

技术领域

本发明涉及一种天线，具体为一种基于旋转机构的液态金属螺旋天线。

背景技术

天线作为一种用来发射或接收无线电波的部件,在无线通信系统中起到了举足轻重的作用,是无线通信系统中不可缺少的组成部分。随着无线通信飞速发展,对天线的要求也越来越高。一方面,需要使天线能够工作在多个频带,具有多种工作模式并具有良好的传输性能。另一方面,又要减轻天线的重量、减小天线体积并降低成本。正是由于这样的需求,可重构天线的概念被提出并得到蓬勃发展。极化可重构天线对于多径效应造成的信号衰落能够消除,同时可以提高系统对干扰信号的免疫能力以及频谱利用率与通信系统的容量,因此得到广泛研究。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种基于旋转机构的液态金属螺旋天线。

本发明的技术手段如下：

一种基于旋转机构的液态金属螺旋天线，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，并自下而上螺旋环绕于所述介质支撑体外壁上；所述液态金属螺旋天线还包括：用于带动所述介质支撑体和接地板旋转的旋转机构、置于所述介质支撑体上方的上固定板；所述螺旋管的末端固定在所述上固定板上；所述螺旋辐射体和所述馈电匹配体随所述介质支撑体一起旋转；

进一步地，所述液态金属螺旋天线还包括下固定板；所述旋转机构包括放置在所述下固定板上的电机和基座、与所述电机的转轴相连接的主动轮、通过传动皮带与所述主动轮相连接的从动轮、以及由所述从动轮带动的中轴；所述中轴一端转动地连接在所述基座上，并依次穿过所述从动轮、接地板和介质支撑体；所述电机带动所述主动轮转动，所述主动轮通过传动皮带带动所述从动轮转动，所述中轴随所述从动轮一起转动；在所述中轴的带动下，所述介质支撑体和接地板旋转；

进一步地，所述介质支撑体外壁上对称设置有左旋螺旋槽和右旋螺旋槽；在所述旋转机构的带动下，所述螺旋辐射体能够左旋或右旋转动，并最后布设于左旋螺旋槽中或右旋螺旋槽中；

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{\π}N}\×t)\×\cos \left(t\right)\\ y=(R^{\′}+\frac{(R-R^{\′})}{2\mathrm{\π}N}\×t)\×\sin \left(t\right)\\ z=R^{\′}\×\tan \[({\mathrm{\α}}_0+\frac{({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_0)\×t}{2\mathrm{\π}N})\×\frac{\mathrm{\π}}{180}\]\×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，所述上固定板、主动轮、从动轮和基座由聚苯乙烯材料制成；

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，使用天线时，将液态金属注射入所述螺旋管内，并在所述螺旋管的起始端和末端均预留出未注射有液态金属的一定空间，然后采用发泡聚乙烯将所述一定空间填充；在不使用天线时，将螺旋管内的液态金属抽取出来。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的基于旋转机构的液态金属螺旋天线，本发明可应用于海事卫星通信，具有极化可重构、重量轻、带宽宽、低剖面等优点。

附图说明

图1是本发明所述螺旋天线的结构示意图；

图2是截断前的螺旋天线结构示意图；

图3是本发明所述左旋螺旋槽和所述右旋螺旋槽的结构示意图；

图4-a是本发明螺旋天线左旋转动后的轴比随工作频率的变化曲线图；

图4-b是本发明螺旋天线右旋转动后的轴比随工作频率的变化曲线图；

图5-a是本发明螺旋天线左旋转动后的反射系数随工作频率的变化曲线图；

图5-b是本发明螺旋天线右旋转动后的反射系数随工作频率的变化曲线图；

图6-a、图6-b、图6-c、图6-d是本发明螺旋天线在中心频率1600MHz时的方向性图。

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，6、上固定板，7、下固定板，8、电机，9、基座，10、主动轮，11、从动轮，12、传动皮带，13、中轴，14、左旋螺旋槽，15、右旋螺旋槽，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、图2和图3所示的一种基于旋转机构的液态金属螺旋天线，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，并自下而上螺旋环绕于所述介质支撑体1外壁上；所述液态金属螺旋天线还包括：用于带动所述介质支撑体1和接地板4旋转的旋转机构、置于所述介质支撑体1上方的上固定板6；所述螺旋管21的末端固定在所述上固定板6上；所述螺旋辐射体2和所述馈电匹配体3随所述介质支撑体1一起旋转；进一步地，所述液态金属螺旋天线还包括下固定板7；所述旋转机构包括放置在所述下固定板7上的电机8和基座9、与所述电机8的转轴相连接的主动轮10、通过传动皮带12与所述主动轮10相连接的从动轮11、以及由所述从动轮11带动的中轴13；所述中轴13一端转动地连接在所述基座9上，并依次穿过所述从动轮11、接地板4和介质支撑体1；所述电机8带动所述主动轮10转动，所述主动轮10通过传动皮带12带动所述从动轮11转动，所述中轴13随所述从动轮11一起转动；在所述中轴13的带动下，所述介质支撑体1和接地板4旋转；进一步地，所述介质支撑体1外壁上对称设置有左旋螺旋槽14和右旋螺旋槽15；在所述旋转机构的带动下，所述螺旋辐射体2能够左旋或右旋转动，并最后布设于左旋螺旋槽14中或右旋螺旋槽15中；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{\π}N}\×t)\×\cos \left(t\right)\\ y=(R^{\′}+\frac{(R-R^{\′})}{2\mathrm{\π}N}\×t)\×\sin \left(t\right)\\ z=R^{\′}\×\tan \[({\mathrm{\α}}_0+\frac{({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_0)\×t}{2\mathrm{\π}N})\×\frac{\mathrm{\π}}{180}\]\×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21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，所述上固定板6、主动轮10、从动轮11和基座9由聚苯乙烯材料制成；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，使用天线时，将液态金属22注射入所述螺旋管21内，并在所述螺旋管21的起始端和末端均预留出未注射有液态金属22的一定空间，然后采用发泡聚乙烯将所述一定空间填充；在不使用天线时，将螺旋管21内的液态金属22抽取出来。

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，且由弹性体材料如聚二甲基硅氧烷材料(PDMS)制成，PDMS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15mm，高度H′可以取值为93mm；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{\π}N}\×t)\×\cos \left(t\right)\\ y=(R^{\′}+\frac{(R-R^{\′})}{2\mathrm{\π}N}\×t)\×\sin \left(t\right)\\ z=R^{\′}\×\tan \[({\mathrm{\α}}_0+\frac{({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_0)\×t}{2\mathrm{\π}N})\×\frac{\mathrm{\π}}{180}\]\×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，选取截断前的天线的螺旋圈数N为4，螺旋起始升角α₀为14°、以及螺旋终止升角α₁为7°，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)，图1示出了本发明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)，再利用馈电匹配体3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3的尺寸、以及所述馈电匹配体3底端与接地板4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3的长度L_p为24.2mm、宽度W_p为28mm、所述馈电匹配体3底端与接地板4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。

本发明所述左旋螺旋槽14和右旋螺旋槽15的宽度与螺旋管21的外径相适配；所述螺旋管21的起始端贴附在所述馈电匹配体3上，所述螺旋管21的末端固定在所述上固定板6上，且所述螺旋辐射体2随所述介质支撑体1一起旋转，使得螺旋辐射体2能够完成360度的旋转；所述中轴13可转动地连接在所述上固定板6上，具体地，中轴13可以通过轴承与上固定板6连接，同样地，中轴13也可以通过轴承与基座9相连接，即上固定板6和基座9并不随中轴13一起转动；另外，中轴13可以与从动轮11、介质支撑体1、以及接地板4之间通过键连接，以实现从动轮11带动中轴13转动，中轴13带动介质支撑体1和接地板4转动。

图4-a示出了本发明螺旋天线左旋转动后的轴比随工作频率的变化曲线图，图4-b示出了本发明螺旋天线右旋转动后的轴比随工作频率的变化曲线图，如图4-a、图4-b所示，本发明所述螺旋天线可以得到轴比小于3dB、带宽分别为33.5％and30.6％、同时在该频带内对应的天线增益近似达到8dB；图5-a是本发明螺旋天线左旋转动后的反射系数随工作频率的变化曲线图，图5-b是本发明螺旋天线右旋转动后的反射系数随工作频率的变化曲线图，如图5-a、图5-b所示，本发明所述螺旋天线在整个海事卫星通信工作频带内反射系数小于-15dB，输入阻抗取得较好的匹配；图6-a、图6-b、图6-c、图6-d是本发明螺旋天线在中心频率1600MHz时的方向性图，如图6-a、图6-b、图6-c、图6-d所示，左旋圆极化在XOZ平面为44°，在YOZ平面为56.4°；右旋圆极化在XOZ平面为44°，在YOZ平面为56.2°；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；图4-a、图4-b、图5-a、图5-b、图6-a、图6-b、图6-c和图6-d中的仿真数据为利用仿真软件对本发明所述螺旋天线进行仿真设计后得到的数据，图4-a、图4-b、图5-a、图5-b、图6-a、图6-b、图6-c和图6-d中的测试数据为将本发明所述螺旋天线制作成实体产品后得到的数据。

本发明提供的基于旋转机构的液态金属螺旋天线，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，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，结合所增加的旋转机构，使得螺旋天线具备了极化可重构的特点，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。现有技术中的可重构天线，多构造单极子及微带天线，尚未构造极化可重构螺旋天线，不同的极化方式需要多个天线，不仅资源浪费，更存在增加电磁耦合干扰，同时制作成本也在提高。

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 (9)

1.一种基于旋转机构的液态金属螺旋天线，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，并自下而上螺旋环绕于所述介质支撑体外壁上；其特征在于所述液态金属螺旋天线还包括：用于带动所述介质支撑体和接地板旋转的旋转机构、置于所述介质支撑体上方的上固定板；所述螺旋管的末端固定在所述上固定板上；所述螺旋辐射体和所述馈电匹配体随所述介质支撑体一起旋转。

2.根据权利要求1所述的基于旋转机构的液态金属螺旋天线，其特征在于所述液态金属螺旋天线还包括下固定板；所述旋转机构包括放置在所述下固定板上的电机和基座、与所述电机的转轴相连接的主动轮、通过传动皮带与所述主动轮相连接的从动轮、以及由所述从动轮带动的中轴；所述中轴一端转动地连接在所述基座上，并依次穿过所述从动轮、接地板和介质支撑体；所述电机带动所述主动轮转动，所述主动轮通过传动皮带带动所述从动轮转动，所述中轴随所述从动轮一起转动；在所述中轴的带动下，所述介质支撑体和接地板旋转。

3.根据权利要求1所述的基于旋转机构的液态金属螺旋天线，其特征在于所述介质支撑体外壁上对称设置有左旋螺旋槽和右旋螺旋槽；在所述旋转机构的带动下，所述螺旋辐射体能够左旋或右旋转动，并最后布设于左旋螺旋槽中或右旋螺旋槽中。

4.根据权利要求1所述的基于旋转机构的液态金属螺旋天线，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{\π}N}\×t)\×\cos \left(t\right)\\ y=(R^{\′}+\frac{(R-R^{\′})}{2\mathrm{\π}N}\×t)\×\sin \left(t\right)\\ z=R^{\′}\×\tan \[({\mathrm{\α}}_0+\frac{({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_0)\×t}{2\mathrm{\π}N})\×\frac{\mathrm{\π}}{180}\]\×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。

5.根据权利要求1所述的基于旋转机构的液态金属螺旋天线，其特征在于所述螺旋管由聚二甲基硅氧烷材料制成。

6.根据权利要求1所述的基于旋转机构的液态金属螺旋天线，其特征在于所述液态金属为镓铟合金。

7.根据权利要求2所述的基于旋转机构的液态金属螺旋天线，其特征在于所述上固定板、主动轮、从动轮和基座由聚苯乙烯材料制成。

8.根据权利要求1所述的基于旋转机构的液态金属螺旋天线，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。

9.根据权利要求1所述的基于旋转机构的液态金属螺旋天线，其特征在于使用天线时，将液态金属注射入所述螺旋管内，并在所述螺旋管的起始端和末端均预留出未注射有液态金属的一定空间，然后采用发泡聚乙烯将所述一定空间填充；在不使用天线时，将螺旋管内的液态金属抽取出来。