CN109546307A - 一种基于液态金属的重力场调控的圆极化空馈天线 - Google Patents

一种基于液态金属的重力场调控的圆极化空馈天线 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的圆极化空馈天线，包括底层金属反射板，置于底层金属反射板上的挖槽介质层，置于槽底的L形金属贴片，置于顶层表面的十字形玻璃腔和两个贴附于槽壁上的I形玻璃腔、封装在玻璃腔中的液态金属汞。两个I形玻璃腔和十字形玻璃腔通过小孔相互连接，且两个I形玻璃腔可容纳总体积、十字形玻璃腔可容纳体积、液态金属体积三者均相等。本发明通过翻转该天线，在重力场作用下，液态金属汞在玻璃腔内会发生转移从而形成不同的谐振单元，从而实现工作频带的动态调控，工作范围可动态覆盖K波段和Ka波段。本发明具有频带覆盖范围宽，实用性强，调控手段便捷，功能性强，应用前景广阔等特点。

Description

一种基于液态金属的重力场调控的圆极化空馈天线
技术领域
本发明涉及一种基于液态金属的重力场调控圆极化空馈天线，特别是基于液态金属汞的重力场调控圆极化空馈天线，属于液态金属汞实用技术和可重构微波器件。
背景技术
天线作为一种接收和发射无线电波的设备，是无线通信和雷达系统中的一个关键部件。伴随着现今社会信息技术的高速发展，各行各业对于天线的需求与日俱增。而以空气为传播媒质的“馈源—口径面”天线即为空馈(Air Fed)阵列天线。由于其在设计上的灵活和多变性，可以使体积更小、剖面更低，易于实现多频、多波束以及极化控制等更多的扩展功能。由于圆极化波在各类通信系统中无可替代的重要性，圆极化技术已经广泛地应用于无线局域网通讯、雷达、导航、卫星等电子系统中。所以圆极化空馈阵列天线由于其突出的应用价值，一直以来是国内外学者的研究热点。
但传统意义上的圆极化空馈天线一旦结构固定，其工作频带便很难发生改变，为了获取可调谐的工作频带，传统意义的方法是通过引入大量的集总元件来获得可调控的圆极化工作范围，但控制电路复杂而且不利于集成和芯片化一体制造，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的重力场调控的圆极化空馈天线，通过翻转的形式，在重力场作用下，液态金属汞会在不同玻璃腔之间移动从而形成不同的谐振单元，从而实现该圆极化空馈天线的工作范围动态转移的目的。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：一种基于液态金属的重力场调控圆极化空馈天线，包括底层金属反射板及置于底层金属反射板上的挖槽介质层，所述挖槽介质层的中间位置具有呈六面体的槽体，所述槽体的槽底具有L形金属贴片，沿槽体的两侧斜槽壁上贴附有I形玻璃腔，所述介质层顶面沿槽体的槽口设有十字形玻璃腔，且所述I形玻璃腔与十字形玻璃腔的端部相连通，其内部封装有液态金属，通过翻转该天线，在重力场作用下，液态金属在不同玻璃腔中移动从而形成不同的谐振单元，以实现超宽带圆极化工作范围及工作范围的动态转移。
进一步的，所述I形玻璃腔外部为长a＝1.803mm，宽b＝0.33mm，厚度为 h1＝0.05mm的长方体，其内部空间为长c＝1.8mm，宽d＝0.32mm，厚度为 h2＝0.042mm的长方体；所述十字形玻璃腔外部由两个相同的长e＝2.689mm，宽f＝0.568mm，厚度为h3＝0.06mm的矩形相互垂直重叠构成，内部空间由两个相同为长i＝2.65mm，宽j＝0.53mm，厚度为h4＝0.0191mm的长方体相互垂直重叠构成，所述十字形玻璃腔沿槽边距离为g＝1.909mm。
进一步的，两个I形玻璃腔可容纳液态金属的总体积与十字形玻璃腔可容纳的液态金属的总体积相同，为0.0484mm3。
进一步的，所述十字形玻璃腔与两个I形玻璃腔分别通过一个宽k＝0.074mm 的小孔连通，通过翻转的形式，可以实现液态金属汞在玻璃腔中进行转移的目的。
进一步的，当重力方向沿-z轴方向时，翻转前，电磁波沿-z方向入射，所述天线平行与xoy面放置时，在重力作用下，液态金属均流入且充满两个I形玻璃腔。翻转后，电磁波沿-x方向入射，所述天线垂直于xoy面放置，在重力作用下，液态金属均流入且充满十字形玻璃腔。
进一步的，所述挖槽介质层的材料为Neltec NY9220，介电常数2.2，损耗角正切0.0009，设置在底层金属反射板上方；所述挖槽介质层由一个边长 p＝4.5mm，厚度h5＝2mm的完整介质层挖去一个呈六面体的槽体构成，所述槽体的底面为边长l＝1mm的正方形且位于所述完整介质层厚度一半处，所述槽体的顶面为边长m＝2.5mm的正方形且与所述完整介质层顶面重合，所述槽体侧面由第一、二、三、四直角梯形构成，所述第一、二直角梯形垂直于槽体的底面与顶面，两个上底l＝1mm，下底m＝2.5mm，高h5/2＝1mm，所述第三、四直角梯形与底面呈33°41′36″，两个上底l＝1mm，下底m＝2.5mm，高c＝1.803mm。
进一步的，所述L形金属贴片由两个相互垂直的长o＝0.64mm，宽q＝0.28mm 的矩形重叠构成。
进一步的，所述金属反射板为边长p＝4.5mm的正方形。
进一步的，所述金属反射板和金属贴片材料均为铜，厚度为w＝0.018mm，液态金属材料为汞。
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的重力场调控圆极化空馈天线，创新性地使用重力场调控来调控液态金属，通过翻转的方法，在重力场的作用下，改变液态金属汞的位置，形成不同的谐振单元，从而实现圆极化工作范围动态调控的目的，工作范围可动态覆盖K波段和Ka波段。
(2)本发明通过重力场调控来调控液态金属，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，调控手段便捷，功能性强，应用前景广阔等特点。
附图说明
图1为基于液态金属的重力场调控圆极化空馈天线状态一的结构示意图。
图2为基于液态金属的重力场调控圆极化空馈天线状态二的结构示意图。
图3为基于液态金属的重力场调控圆极化空馈天线十字形玻璃腔的结构示意图。
图4为基于液态金属的重力场调控圆极化空馈天线I形玻璃腔的结构示意图。
图5为基于液态金属的重力场调控圆极化空馈天线侧视图。
图6为基于液态金属的重力场调控圆极化空馈天线状态二立体图。
图7为基于液态金属的重力场调控圆极化空馈天线状态一(3×3)立体图。
图8为基于液态金属的重力场调控圆极化空馈天线状态一极化转换率曲线。
图9为基于液态金属的重力场调控圆极化空馈天线状态二极化转换率曲线。
图10为基于液态金属的重力场调控圆极化空馈天线状态一反射相位差曲线。
图11为基于液态金属的重力场调控圆极化空馈天线状态二反射相位差曲线。
图12为基于液态金属的重力场调控圆极化空馈天线状态一、二轴比曲线。
附图标记解释：1—金属贴片，2—十字形玻璃腔，3，4—I形玻璃腔，5—挖槽介质层，6—金属反射板，7—液态金属。
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的重力场调控圆极化空馈天线，该圆极化空馈天线可以通过翻转的方式，在重力场的作用下，使液态金属汞在十字形玻璃腔和两个 I形玻璃腔之间流动，由于十字形玻璃腔2内部体积和两个I形玻璃腔3、4内部总体积相等，当重力方向沿-z轴方向时，翻转前后，液态金属汞恰好能分别充满对应的整个玻璃腔，从而产生了两种工作状态：翻转前(状态一)，电磁波沿-z方向入射(电场沿y轴方向)，在重力作用下，其结构单元包括底层金属反射板6，挖槽介质层5，金属贴片1，十字形玻璃腔2，I形玻璃腔3、4和充满3、4的液态金属7，如图1所示；翻转后(状态二)，电磁波沿-x方向入射(电场沿y 轴方向)，在重力作用下，其结构单元包括底层金属反射板6，挖槽介质层5，金属贴片1，十字形玻璃腔2，I形玻璃腔3、4和充满2的液态金属7，如图2 所示。由于液态金属汞形状和位置的改变，形成了不同谐振单元，从而使得该圆极化空馈天线工作范围实现动态转移的目的。
本发明基于液态金属的重力场调控圆极化空馈天线的产生方法，状态一：当电磁波沿-z方向入射(电场沿y轴方向)时，圆极化是由是由装有汞的3、4部分和金属贴片1引起的，此时2为空玻璃腔；状态二：电磁波沿-x方向入射(电场沿y轴方向)时，圆极化是由是由装有汞的2部分和金属贴片1引起的，此时 3、4为空玻璃腔。
该圆极化空馈天线能够通过翻转的方法，灵活使用重力场改变液态金属汞的位置，实现工作频带可调谐的目的。
该圆极化空馈天线挖槽介质层材料为Neltec NY9220，介电常数2.2，损耗角正切值0.0009，所述玻璃腔材料为玻璃，相对介电常数为5.5。
该圆极化空馈天线的相关结构参数如表1所示。
表1
基于液态金属的重力场调控圆极化空馈天线，由若干个单元周期排列而成，其状态一的3×3阵列图如图8所示。当重力方向沿-z轴方向时，该圆极化空馈天线有两种工作状态，翻转前(状态一)，其结构如图1所示，包括底层金属反射板6，挖槽介质层5，金属贴片1，十字形玻璃腔2，“I”形玻璃腔3、4和充满3、4的液态金属7；翻转后(状态二)，其结构如图2所示，包括底层金属反射板6，挖槽介质层5，金属贴片1，十字形玻璃腔2，“I”形玻璃腔3、4 和充满2的液态金属7。
图8、图9分别是所述圆极化空馈天线在两种状态下工作时的极化转换率曲线。如图10、图11所示，分别是所述圆极化空馈天线在两种状态下工作时的相位差曲线。由极化转换率公式PCR表示反射极化转换率，rps表示交叉极化反射系数，rss表示同极化反射系数，tps表示交叉极化透射系数，tss表示同极化透射系数，由于底层为完全金属反射板，所以 tps＝tss＝0,所以当PCR＝0.5且正交反射极化波相位差为±90°(或者其奇数倍) 时，表示发生完全线-圆极化转换。如图8、图9所示，该圆极化空馈天线反射相位差始终为-±90°或者±270°，所以当PCR在0.5附近时即可判断为实现线- 圆极化转换。图10中，所述圆极化空馈天线处于状态一(液态金属7充满玻璃腔3、4，玻璃腔2为空)，在31.83～42.67GHz内极化转换率基本处在0.5附近。图11中，所述极化转换器处于状态二(液态金属7充满玻璃腔2，玻璃腔3、4 为空)，在19.22～31.96GHz内极化转换率基本处在0.5附近。该圆极化空馈天线在两种状态下均可以实现线-圆极化转换，并且可以认为能使用翻转的方法来实现重力场调控工作范围的目的。
图12是该圆极化空馈天线在状态一和状态二下的轴比曲线。工程上定义当极化波轴比小于3dB时即认为是圆极化波。如图12所示，实线表示状态一(液态金属充满玻璃腔3、4，玻璃腔2为空)轴比曲线，3dB轴比频带为32.37～42.58 GHz，相对带宽为27.24％。虚线表示状态二(液态金属充满玻璃腔2，玻璃腔3、 4为空)轴比曲线，3dB轴比频带为19.61～31.29GHz，相对带宽为45.89％。显然，可以认为在实现了超宽带线-圆极化转换的同时，能用翻转的方式来利用重力场，从而调控该圆极化空馈天线的圆极化工作频带动态转移，工作频带动态覆盖几乎全部的K波段和Ka波段。
在经过特定设计后，本发明能在实现超宽带线-圆极化转换的同时，可以通过翻折的方式来利用重力场，使得液态金属在玻璃腔内改变位置和形状，从而调控该圆极化空馈天线的圆极化工作频带动态转移。本发明具有频带覆盖范围宽，实用性强，调控手段便捷，功能性强，应用前景广阔等特点。
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的圆极化空馈天线，其特征在于：包括底层金属反射板及置于底层金属反射板上的挖槽介质层，所述挖槽介质层的中间位置具有呈六面体的槽体，所述槽体的槽底具有L形金属贴片，沿槽体的两侧斜槽壁上贴附有I形玻璃腔，所述介质层顶面沿槽体的槽口设有十字形玻璃腔，且所述I形玻璃腔与十字形玻璃腔的端部相连通，其内部封装有液态金属，通过翻转该天线，在重力场作用下，液态金属在不同玻璃腔中移动从而形成不同的谐振单元，以实现超宽带圆极化工作范围及工作范围的动态转移。
2.根据权利要求1所述的基于液态金属汞的重力场调控的圆极化空馈天线，其特征在于：所述I形玻璃腔外部为长a＝1.803mm，宽b＝0.33mm，厚度为h1＝0.05mm的长方体，其内部空间为长c＝1.8mm，宽d＝0.32mm，厚度为h2＝0.042mm的长方体；所述十字形玻璃腔外部由两个相同的长e＝2.689mm，宽f＝0.568mm，厚度为h3＝0.06mm的矩形相互垂直重叠构成，内部空间由两个相同为长i＝2.65mm，宽j＝0.53mm，厚度为h4＝0.0191mm的长方体相互垂直重叠构成，所述十字形玻璃腔沿槽边距离为g＝1.909mm。
3.根据权利要求1所述的基于液态金属汞的重力场调控的圆极化空馈天线，其特征在于：两个I形玻璃腔可容纳液态金属的总体积与十字形玻璃腔可容纳的液态金属的总体积相同，为0.0484mm3。
4.根据权利要求2所述的基于液态金属汞的重力场调控的圆极化空馈天线，其特征在于：所述十字形玻璃腔与两个I形玻璃腔分别通过一个宽k＝0.074mm的小孔连通，通过翻转的形式，可以实现液态金属汞在玻璃腔中进行转移的目的。
5.根据权利要求4所述的基于液态金属汞的重力场调控的圆极化空馈天线，其特征在于：当重力方向沿-z轴方向时，翻转前，电磁波沿-z方向入射，所述天线平行与xoy面放置时，在重力作用下，液态金属均流入且充满两个I形玻璃腔。翻转后，电磁波沿-x方向入射，所述天线垂直于xoy面放置，在重力作用下，液态金属均流入且充满十字形玻璃腔。
6.根据权利要求1所述的基于液态金属汞的重力场调控的圆极化空馈天线，其特征在于：所述挖槽介质层的材料为Neltec NY9220，介电常数2.2，损耗角正切0.0009，设置在底层金属反射板上方；所述挖槽介质层由一个边长p＝4.5mm，厚度h5＝2mm的完整介质层挖去一个呈六面体的槽体构成，所述槽体的底面为边长l＝1mm的正方形且位于所述完整介质层厚度一半处，所述槽体的顶面为边长m＝2.5mm的正方形且与所述完整介质层顶面重合，所述槽体侧面由第一、二、三、四直角梯形构成，所述第一、二直角梯形垂直于槽体的底面与顶面，两个上底l＝1mm，下底m＝2.5mm，高h5/2＝1mm，所述第三、四直角梯形与底面呈33°41′36″，两个上底l＝1mm，下底m＝2.5mm，高c＝1.803mm。
7.根据权利要求1所述的基于液态金属汞的重力场调控的圆极化空馈天线，其特征在于：所述L形金属贴片由两个相互垂直的长o＝0.64mm，宽q＝0.28mm的矩形重叠构成。
8.根据权利要求1所述的基于液态金属汞的重力场调控的圆极化空馈天线，其特征在于：所述金属反射板为边长p＝4.5mm的正方形。
9.根据权利要求1所述的基于液态金属汞的重力场调控的圆极化空馈天线，其特征在于：所述金属反射板和金属贴片材料均为铜，厚度为w＝0.018mm，液态金属材料为汞。
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