CN109390672B - 一种基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线 - Google Patents

一种基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线，该全向圆极化天线主要结构包括馈电网络，共形在馈电网络四边介质板上的倾斜玻璃腔，封装在玻璃腔中的液态金属汞。所述倾斜玻璃腔被分成主玻璃腔和附加玻璃腔。所述液态金属汞恰好能装满玻璃腔的上半部分或下半部分，由于上下相连接的部分容积相等。本发明通过翻转该天线，在重力场作用下，液态金属汞的位置会发生改变，形成不同的谐振单元，从而实现工作频带的动态调控，工作范围覆盖2.40~3.39GHz。本发明具有频带覆盖范围宽，实用性强，可重力场调控，功能性强，应用前景广阔等特点。

Description

一种基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线
技术领域
本发明涉及一种重力场调控全向圆极化天线，具体的说是一种基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线，属于液态金属汞实用技术和可重构微波器件技术领域。
背景技术
天线作为电磁波的发射和接收装置，在无线通信系统中起着重要的作用。随着现代无线通讯科技水平的不断发展，人们对性能指标越来越严格，单纯的线极化天线己经难以满足飞速发展的现代通信系统需求。全向圆极化天线因其优良的性能，受到人们的关注，广泛应用于卫星通信系统、无线遥感系统、 WLAN(无线局域网)、WPAN(无线个人区域网)、GPS(全球定位系统)等一系列系统。全向天线能保持车载设备或者移动终端与周围不同方位角的目标进行实时通信，圆极化天线可以有效抑制多径衰落和极化失配带来的损耗，以保证信号传输的稳定性，研究全向圆极化天线技术至关重要。
然而频谱资源是有限的，很难找到一个未被占用的宽带频带。这种情况下，宽带天线就显示出它的劣势，覆盖了不必要带宽会增加系统中滤波器的工作负担，容易拦截他人有用信号，给其他信道的信号造成不必要的干扰等等。多频可调谐天线则恰好能够解决这一问题，此类天线具有可调谐的多个频带，可以适用于多个频带的工作，因此多频可调谐天线具有减少天线的数量，提高空间的利用率的优势。
传统意义上的天线难以得到可调谐的多个工作频带，而液态金属能够很好地解决这一问题，通过配合重力场调控，使得液态金属的位置改变，形成不同的谐振结构，从而使得工作频率可重构。重力场调控不同于集总元件调控和温度调控等调控方式，它具有低耗、高时效性、机理简单等优点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线，通过翻转该天线，在重力场作用下，液态金属汞的位置会发生改变，形成不同的谐振单元，从而实现该全向圆极化天线在两个不同频带工作，以达到频率和方向图可重构的目的。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线，包括由四边侧壁构成的馈电网络，所述馈电网络的四边侧壁上的共形有倾斜的玻璃腔，所述玻璃腔中封装有液态金属汞；所述玻璃腔由主玻璃腔和加载在主玻璃腔上方的附加玻璃腔构成，所述主玻璃腔包括倒y形的第一结构和倒L 形的第二结构，所述附加玻璃腔包括第一倾斜玻璃腔和第二倾斜玻璃腔，通过翻转该馈电网络，在重力场作用下，通过改变液态金属汞的位置以形成不同的谐振单元，从而实现工作频带的动态调控。
作为本发明所述的一种基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线进一步优化方案，所述馈电网络包括顶层的金属贴片、底层的金属底板及二者之间的介质基板；且底层的金属底板与铜金属片相连，为玻璃腔内的汞馈电激励，铜金属片贴在玻璃腔内壁。
作为本发明所述的一种基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线进一步优化方案，所述容积较大的主玻璃腔，倾斜部分与垂直方向夹角均为55°，主玻璃腔的上半部分，呈倒“L”形，厚度为0.24mm；主玻璃腔的下半部分，呈倒“y”形，厚度为0.196mm；且主玻璃腔的上下两部分容积相等。
作为本发明所述的一种基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线进一步优化方案，所述倾斜的容积较小的附加玻璃腔，宽度均为3mm，长度均为23.5 mm,厚度均为0.24mm，与垂直方向夹角均为50°；附加玻璃腔的上下两部分容积相等。
作为本发明所述的一种基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线进一步优化方案，所述主玻璃腔的两部分相互导通连接，且容积相同；所述附加玻璃腔的两部分相互连接，容积相等；天线翻转后，液态金属汞充满对应的整个玻璃腔；所述玻璃腔的玻璃厚度均为0.02mm，相对介电常数2.5，损耗角正切 0.002。
作为本发明所述的一种基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线进一步优化方案，所述液态金属汞的位置可以通过翻转天线改变，进而形成不同的谐振单元，实现工作频带的动态调控，当处于状态一时，天线未翻转，由于重力作用，液态金属汞流入玻璃腔的第一倾斜玻璃腔和第一结构部分，此时第二倾斜玻璃腔和第二结构为空玻璃腔，馈电网络和铜金属片相连接，并对第一结构进行馈电；当处于状态二时，天线进行翻转后，在重力作用下，液态金属汞流入玻璃腔的第二倾斜玻璃腔和第二结构部分，此时第一倾斜玻璃腔和第二结构部分为空玻璃腔，馈电网络对第二结构馈电；由于各相连部分的容积均相等，使得翻转后液态金属汞恰好可以充满对应的整个玻璃腔。
作为本发明所述的一种基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线进一步优化方案，所述馈电网络顶层的金属贴片起到阻抗匹配的作用，与底层金属底板的缝隙耦合，实现宽频带内的阻抗匹配；底层金属底板与铜金属片相连接，铜金属片另一端与玻璃腔中的汞接触，从而对玻璃腔中的金属汞馈电激励。
作为本发明所述的一种基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线进一步优化方案，所述馈电网络介质基板材料为Rogers RT/duroid 5880(tm)，介电常数2.2，损耗角正切0.0009，介质基板边长50mm，厚度0.8mm。
作为本发明所述的一种基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线进一步优化方案，所述倾斜玻璃腔共形在馈电网络四边的介质基板上，介质基板材料为RogersRO4232(tm)，介电常数3.2，损耗角正切0.0018，介质基板长70mm，宽50mm，厚度0.06mm。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线，创新性的将重力场调控与液态金属谐振相结合，通过翻转天线，由于重力场作用，改变液态金属汞的位置，形成不同的谐振单元，从而实现工作频率和方向图的重构，使天线在两个频段工作，分别为2.79～3.39GHz和2.40～3.02GHz；
(2)本发明通过重力场调控，调控机理简单低耗，大大提高了调控的时效性和便携性。
(3)本发明具有频带覆盖范围宽，实用性强，可重力场调控，功能性强，应用前景广阔等特点。
附图说明
图1为基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线的馈电网络的结构示意图。
图2为基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线的单个倾斜玻璃腔的立体图。
图3为基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线未翻转时的立体图。
图4为基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线翻转后的立体图。
图5为基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线未翻转时的|S11|仿真曲线。
图6为基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线翻转后的|S11|仿真曲线。
图7为基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线未翻转时的轴比仿真曲线。
图8为基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线翻转后的轴比仿真曲线。
图9为基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线未翻转时的X-Y平面 (theta＝110°)仿真方向图。
图10为基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线未翻转时的X-Z平面(phi＝0°)仿真方向图。
图11为基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线翻转后的X-Y平面 (theta＝100°)仿真方向图。
图12为基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线翻转后的X-Z平面 (phi＝0°)仿真方向图。
图13为基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线未翻转时的增益仿真曲线。
图14为基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线翻转后的增益仿真曲线。
附图标记解释：1—馈电网络顶层的金属贴片，2—馈电网络的介质基板，3—馈电网络底层的金属底板，4—附加玻璃腔的第一倾斜玻璃腔，5—附加玻璃腔的第二倾斜玻璃腔，6—主玻璃腔的第一结构，7—主玻璃腔的第二结构，8—铜金属片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线，该全向圆极化天线可以通过翻转的方式，使得玻璃腔内的液态金属汞，在玻璃腔的上下两部分流动，从而产生了两种工作状态：未翻转时(状态一)，由于重力作用，液态金属汞流入玻璃腔的4和6部分，馈电网络和铜金属片相连接，并对6进行馈电；翻转后(状态二)，由于重力作用，液态金属汞流入玻璃腔的5和7部分，馈电网络对7馈电。上述各相连部分的容积均相等，使得翻转后，液态金属汞恰好可以充满对应的整个玻璃腔。
通过翻转天线的方式，由于液态金属汞的流动特性和重力场的作用，使得天线参与谐振的单元发生改变，从而使得天线工作频带的可调控。
本发明基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线的产生方法，未翻转时(状态一)是由装有汞的4和6部分引起的，此时5和7为空玻璃腔；翻转后(状态二)，是由装有汞的5和7部分引起的，此时4和6部分为空玻璃腔。
所述基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线，能够通过翻转的方式改变液态金属汞的位置，实现工作频带的可调谐。
该全向圆极化天线的馈电网络由顶层的金属贴片1，底层的金属底板3，金属贴片和底板之间的介质基板2构成，且底层的金属底板与铜金属片相连，为玻璃腔内的汞馈电激励，如图1所示。
该全向圆极化天线馈电网络的介质基板材料为Rogers RT/duroid 5880(tm)，介电常数2.2，损耗角正切0.0009。馈电网络四周共形的介质基板材料为Rogers RO4232(tm)，介电常数3.2，损耗角正切0.0018。
该全向圆极化天线的相关结构参数如表1所示。
基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线，该全向圆极化天线有两种工作状态，未翻转时(状态一)其结构如图3所示，包括馈电网络1、2、3，装有汞的玻璃腔4和6，空的玻璃腔5和7；翻转后(状态二)其结构如图4所示，包括馈电网络1、2、3，装有汞的玻璃腔5和7，空的玻璃腔4和6。
如图5～8分别是该全向圆极化天线在两种状态工作时的|S11|仿真曲线和轴比仿真曲线。由图5～8可以看出未翻转时(状态一)，阻抗带宽为20％(2.79～3.41 GHz)，3dB轴比带宽为21.6％(2.73～3.39GHz)，有效带宽为19.4％(2.79～3.39GHz)；由图5～8可以看出翻转后(状态二)，阻抗带宽为41.1％(2.32～3.52GHz)，3dB 轴比带宽为22.9％(2.40～3.02GHz)，有效带宽为22.9％(2.40～3.02GHz)。
如图9～12是该全向圆极化天线在上述两种状态工作时的X-Y平面和X-Z 平面的方向图，由图9～12可以看出，两种状态下天线的垂直面(X-Z平面)方向图呈“∞”形，水平面(X-Y平面)方向图为全向辐射。水平面的主极化(右旋圆极化)比交叉极化(左旋圆极化)大至少15dB，主极化的不圆度小于0.5dB，表明该天线有良好的全向辐射性能。
如图13、14分别是该全向圆极化天线状态一、状态二的增益仿真曲线，由图13、14可以看出，未翻转时(状态一)，在天线有效频段内(2.79～3.39GHz)，平均增益为0.71dBi；翻转后(状态二)，在天线有效频段内(2.40～3.02GHz)，平均增益为0.61dBi。因为天线全向辐射电磁波且半波束宽度较大，所以增益较低。
所述两种状态，实现了该全向圆极化天线在双频段可调谐工作。显然，我们可以通过翻转这一重力场调控的方式，实现该全向圆极化天线的工作频段可调谐，覆盖了2.40～3.39GHz中的两个频段。本发明具有频带覆盖范围宽，实用性强，可重力场调控，功能性强等特点。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线，其特征在于：包括由四边侧壁构成的馈电网络，所述馈电网络的四边侧壁上共形有倾斜的玻璃腔，所述玻璃腔中封装有液态金属汞，所述玻璃腔由主玻璃腔和加载在主玻璃腔上方的附加玻璃腔构成，所述主玻璃腔包括倒y形的第一结构和倒L形的第二结构，两部分相互导通连接，且容积相同，所述附加玻璃腔包括第一倾斜玻璃腔和第二倾斜玻璃腔，两部分相互连接，容积相等，使得在天线翻转后，金属汞能够充满对应的整个玻璃腔，通过翻转该天线，在重力场作用下，通过改变液态金属汞的位置以形成不同的谐振单元，从而实现工作频带的动态调控。
2.根据权利要求1所述的基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线，其特征在于：所述馈电网络包括顶层的金属贴片、底层的金属底板及二者之间的介质基板；且底层的金属底板与铜金属片相连，为玻璃腔内的汞馈电激励，铜金属片贴在玻璃腔内壁。
3.根据权利要求1所述的基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线，其特征在于：所述容积较大的主玻璃腔，倾斜部分与垂直方向夹角均为55 °，主玻璃腔的第二结构位于其上半部分，呈倒L形，厚度为0.24 mm；主玻璃腔的第一结构位于其下半部分，呈倒y形，厚度为0.196 mm；且主玻璃腔的上下两部分容积相等。
4.根据权利要求1所述的基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线，其特征在于：所述倾斜的容积较小的附加玻璃腔，宽度均为3mm，长度均为23.5 mm, 厚度均为0.24 mm，与垂直方向夹角均为50 °；附加玻璃腔的上下两部分容积相等。
5.根据权利要求3或4所述的基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线，其特征在于：所述主玻璃腔的两部分相互导通连接，且容积相同；所述附加玻璃腔的两部分相互连接，容积相等；天线翻转后，液态金属汞充满对应的整个玻璃腔；所述玻璃腔的玻璃厚度均为0.02 mm，相对介电常数2.5，损耗角正切0.002。
6.根据权利要求1所述的基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线，其特征在于：所述液态金属汞的位置可以通过翻转天线改变，进而形成不同的谐振单元，实现工作频带的动态调控，当处于状态一时，天线未翻转，由于重力作用，液态金属汞流入玻璃腔的第一倾斜玻璃腔和第一结构部分，此时第二倾斜玻璃腔和第二结构为空玻璃腔，馈电网络和铜金属片相连接，并对第一结构进行馈电；当处于状态二时，天线进行翻转后，在重力作用下，液态金属汞流入玻璃腔的第二倾斜玻璃腔和第二结构部分，此时第一倾斜玻璃腔和第一结构部分为空玻璃腔，馈电网络对第二结构馈电；由于各相连部分的容积均相等，使得翻转后液态金属汞恰好可以充满对应的整个玻璃腔。
7.根据权利要求2所述的基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线，其特征在于：所述馈电网络顶层的金属贴片起到阻抗匹配的作用，与底层金属底板的缝隙耦合，实现宽频带内的阻抗匹配；底层金属底板与铜金属片相连接，铜金属片另一端与玻璃腔中的汞接触，从而对玻璃腔中的金属汞馈电激励。
8.根据权利要求1所述的基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线，其特征在于：所述馈电网络介质基板材料为Rogers RT/duroid 5880 (tm)，介电常数2.2，损耗角正切0.0009，介质基板边长50 mm，厚度0.8 mm。
9.根据权利要求1所述的基于液态金属汞的重力场调控全向圆极化天线，其特征在于：所述倾斜玻璃腔共形在馈电网络四边的介质基板上，介质基板材料为Rogers RO4232(tm)，介电常数3.2，损耗角正切0.0018，介质基板长70 mm，宽50 mm，厚度0.06mm。
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Application publication date: 20190226

Assignee: NANJING ORIENT INFORMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS

Contract record no.: X2020980007078

Denomination of invention: An omnidirectional circular polarization antenna based on liquid metal mercury

Granted publication date: 20200515

License type: Common License

Record date: 20201026

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