CN109638426B - 一种基于重力场调控液态金属的圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于重力场调控液态金属的共面波导圆极化天线，该圆极化天线由四部分组成，分别为金属反射面，金属辐射贴片、底层小金属片、中间的介质基板以及包含有液态金属Hg的玻璃容器，金属贴片包含了馈电网络和主辐射贴片，通过物理意义上的垂直旋转，利用重力场控制天线中的液态金属流动，从而连通不同的辐射枝节，实现该天线的圆极化辐射频段和主极化辐射方向的改变。该圆极化天线在3.9~4.6 GHz和4.4~5.1 GHz波段具有良好的圆极化性能。另外，该天线对金属地反射面进行适当开槽，也在很大程度提升了天线的圆极化性能。本发明体积小,重量轻以及拥有较为简易的平面结构，具有易于制作，工作高效，调控手段多样，屏蔽性好，性能优良等特点。

Description

一种基于重力场调控液态金属的圆极化天线
技术领域
本发明涉及一种基于重力场调控液态金属的圆极化天线，属于液态金属和可重构微波器件技术领域。
背景技术
随着现代无线技术及微波电路的迅猛发展，天线作为各种无线通信-设备中必不可少的元器件，获得了广泛的应用和重要的技术进展。在许多雷达系统、导航系统、卫星系统和遥控遥测等系统中，圆极化天线是一种常用的天线形式。圆极化天线有利于对空间电磁波的接收，同时还能够抑制雨雾反射杂波的干扰。开展低成本、小型化、低剖面的圆极化天线的研究具有重要的实际意义。近年来，随着无线通信的发展，5G(3.4-3.6GHz和4.8-5.0GHz)作为国家最新部署频段，有广大的开发前景。目前，圆极化天线在宽频带、小型化、高增益等方面面临着各式各样的挑战。共面波导技术(CPW)馈电的平面天线由于其易于和有源器件集成、易于实现宽频带和直连、感性耦合和容性耦合多种馈电方式，近年来受到广泛的关注和研究。而利用微带线技术做成的天线具有质量轻、体积小、易于馈电、易于和载体共形等特点，也在微波集成电路、天线和天线阵列中得到广泛应用。这两种技术的独特之处恰恰成为了圆极化天线领域的研究热点。
同时，我们发现液态金属的流动性质，利用天然的重力场来调控液态金属的流动方向，加强了天线的可重构性，也使天线具有一定的方向性，此类天线可以通过翻转，产生多个可调谐的频带，可以适用于多个频带的工作，提高空间的利用率的优势。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种基于重力场调控液态金属的圆极化天线，通过表面的微带传输、金属辐射贴片与金属反射面的共面波导效果增加带宽，通过在介质基板下层增加一块小的金属片来适当提高增益，在重力场作用下，液态金属Hg的位置会发生改变，连通不同的金属枝节，从而实现该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。最终在5G波段实现大范围覆盖。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：一种基于重力场调控液态金属的圆极化天线，由表层金属贴片、装有液态金属Hg的玻璃容器、金属反射面、底层小金属片以及它们之间的介质基板所构成的圆极化天线；表层金属贴片包含与微带线连接的主辐射贴片以及两个与主辐射贴片分隔的金属辐射枝节，且这两个枝节通过装有液态金属Hg的玻璃容器跟主辐射贴片相连通，金属反射面环绕附着在介质基板四周，底层小金属片设置在基板下层与左辐射贴片枝节对应的位置；所述金属贴片由微带馈线、主辐射片及两个金属辐射枝节构成，且均位于介质基板上层，装有液态金属Hg的玻璃容器由左右两侧玻璃容器及连通二者之间的玻璃腔组成；所述金属反射面为在介质基板表层，围绕金属贴片并将其包围的一层金属，在其中开有长为16mm，宽为1mm的矩形槽；所述底层小金属片由长为3mm，宽为1.5mm和长为7.5mm，宽为2mm的矩形金属片构成。金属贴片与金属反射面同时分布在介质板的上层，实现了物理意义上的共面。
进一步的，所述主辐射片由三个分别长为6.741mm，宽为1mm，长为4.5mm，宽为1mm、长为10mm，宽为1.5mm的矩形金属组成。所述金属辐射枝节包括左侧金属枝节及右侧金属枝节，所述左侧金属枝节呈倒L形，由长为7.5mm，宽为2mm和长为6mm，宽为1.5mm的矩形金属组成；所述右侧金属枝节呈T形，由长为7.5mm，宽为1.5mm和长为3.5mm，宽为1mm的矩形金属组成。所述微带馈线由长为2.85mm，宽为1mm的50Ω的微带线及长为5mm，宽为1.482mm的阻抗转换器组成。
进一步的，所述左侧玻璃容器为长1.5mm，宽1.5mm，厚度0.02mm的长方体，所述右侧玻璃容器为长1.5mm，宽0.5mm，厚度0.06mm的长方体，且左右两侧玻璃容器容积相等，通过玻璃腔贯通连接。
进一步的，所述液态金属Hg的位置可以通过翻转天线改变，进而连通不同的谐振结构，实现工作频带的动态调控；当处于状态一时，沿x轴逆时针翻转90°时，由于重力作用，液态金属Hg流入玻璃腔的左侧玻璃容器部分；当处于状态二时，沿x轴顺时针翻转90°时，在重力作用下，液态金属Hg流入玻璃腔的右侧玻璃容器部分。由于上述各相连接部分的容积均相等，使得翻转后，液态金属Hg恰好可以充满对应的左右两个玻璃容器。
进一步的，所述介质基板为介电常数4.7，正切损耗角为0.022的FR4环氧板，所述金属均为Cu。
进一步的，所述介质基板为长40mm，宽26mm，厚度1.6mm的长方体。
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)本发明是基于重力场调控液态金属的圆极化天线，通过结合共面波导馈电和微带线传输，实现天线的圆极化特性，同时创新性地将重力场调控与液态金属相结合，通过沿特定轴线翻转天线，由于重力场作用，改变液态金属Hg的位置，连通了两边不同的金属辐射枝节，从而实现工作频率和极化方向的重构，使天线在两个频段工作，分别为3.9～4.6GHz和4.4～5.1GHz。这样结合了微带线损耗低和波导馈电带宽较宽的两大优势，使得该天线带宽和轴比指数较为优越，从而大范围覆盖5G通信频段。
(2)本发明可以在较小的物理尺寸下实现天线的圆极化特性，具有通俗易加工，可细节调控，设计灵活，功能性强等特点。
(3)本发明通过重力场调控，调控原理方法较为简易，实现难度较低，很大程度上提高了调控的时效性。
附图说明
图1为基于重力场调控液态金属的圆极化天线上层部分的结构示意图。
图2为基于重力场调控液态金属的圆极化天线下层部分的结构示意图。
图3为基于重力场调控液态金属的圆极化天线上层部分的正视图。
图4为基于重力场调控液态金属的圆极化天线的主辐射贴片。
图5为基于重力场调控液态金属的圆极化天线的右侧金属辐射枝节。
图6为基于重力场调控液态金属的圆极化天线的左侧金属辐射枝节。
图7为基于重力场调控液态金属的圆极化天线底层俯视图。
图8为基于重力场调控液态金属的圆极化天线上层玻璃容器的立体结构图。
图9为基于重力场调控液态金属的圆极化天线沿x轴逆时针旋转90°(状态一)工作时的回波损耗曲线图。
图10为基于重力场调控液态金属的圆极化天线沿x轴顺时针旋转90°(状态二)工作时的回波损耗曲线图。
图11为基于重力场调控液态金属的圆极化天线沿x轴逆时针旋转90°(状态一)工作时的轴比曲线图。
图12为基于重力场调控液态金属的圆极化天线沿x轴顺时针旋转90°(状态二)工作时的轴比曲线图。
图13为基于重力场调控液态金属的圆极化天线沿x轴逆时针旋转90°(状态一)工作时在XOZ面上的辐射方向图。
图14为基于重力场调控液态金属的圆极化天线沿x轴逆时针旋转90°(状态一)工作时在YOZ面上的辐射方向图。
图15为基于重力场调控液态金属的圆极化天线沿x轴顺时针旋转90°(状态二)工作时在XOZ面上的辐射方向图。
图16为基于重力场调控液态金属的圆极化天线沿x轴顺时针旋转90°(状态二)工作时在YOZ面上的辐射方向图。
图17为基于重力场调控液态金属的圆极化天线沿x轴逆时针旋转90°(状态一)工作时增益仿真曲线。
图18为基于重力场调控液态金属的圆极化天线沿x轴顺时针旋转90°(状态二)工作时增益仿真曲线。
附图标记解释：1—金属反射面上的矩形槽，2—金属反射面，3—金属辐射枝节，4—左侧玻璃容器，5—主辐射片，6—微带馈线，7—右侧玻璃容器，8—底层小金属片。
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：
一种基于重力场调控液态金属的圆极化天线的设计及原理，如图1所示通过在厚度为1.6mm，相对介电常数为4.7，正切损耗角为0.022的矩形印制板的金属反射面上端开了一个的矩形缝隙，如图4所示，再用50Ω的CPW对其馈电，又在介质基板表面加载金属主辐射贴片，该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Hg，在玻璃容器的左右两部分流动，从而产生了两种工作状态：如图8所示，沿x轴逆时针旋转90°(状态一)，由于重力作用，液态金属Hg流入玻璃腔的4部分，如图6所示，主辐射贴片与左边金属枝节相连；沿x轴顺时针旋转90°(状态二)，由于重力作用，液态金属Hg流入玻璃腔的7部分，主辐射贴片与右边金属枝节相连，如图5所示。上述玻璃容器左右容积均相等，使得两个状态工作时，液态金属Hg恰好可以充满对应的整个玻璃容器。如图7所示，在介质基板下层加载一块小金属片，改善天线的部分增益。
本发明基于液态金属Hg的重力场调控圆极化天线的产生方法，沿x轴逆时针旋转90°(状态一)，是由装有Hg的4部分左边金属枝节引起的，此时7为空玻璃容器；沿x轴顺时针旋转90°(状态二)，是由装有Hg的7部分右边金属枝节引起的，此时4为空玻璃容器。
所述基于液态金属Hg的重力场调控圆极化天线，能够通过翻转的方式改变液态金属Hg的位置，实现工作频带的可调谐。
该天线的相关参数如表1所示。
参数 W0 W1 W2 W3 W4
值(mm) 40 11 1 5.741 1.482
参数 W5 W6 W7 W8 W9
值(mm) 2.825 7.5 1 9 1.5
参数 W10 W11 L0 L1 L2
值(mm) 9 7.5 26 1.5 3
参数 L3 L4 L5 L6 L7
值(mm) 1 5 1 1.5 3.5
参数 L8 L9 L10 L11 a
值(mm) 2 4 2 3 0.02
参数 b c d e f
值(mm) 1.5 1.5 0.06 0.5 1.5
参数 h1 h2 h3 h4 K1
值(mm) 16 32 1.575 4 1
参数 K2
值(mm) 16
表1
如图9～12分别是该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9～12可以看出沿x轴逆时针旋转90°时(状态一)，阻抗带宽为14.7％(4.4～5.1GHz)，3dB轴比带宽为15％(4.3～5.0GHz)，有效带宽为12.7％(4.4～5.0GHz)；由图9～12可以看出沿x轴顺时针旋转90°(状态二)，阻抗带宽为16.4％(3.9～4.6GHz)，3dB轴比带宽为32.5％(3.6～5GHz)，有效带宽为16.4％(3.9～4.6GHz)。
如图13～16给出了天线在两种状态下中心频率处的远场归一化圆极化方向图，可以看出该天线上半空间呈现左旋圆极化而下半空间呈现右旋圆极化的辐射特性。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，表明该天线有良好的辐射性能。
如图17、18分别是该圆极化天线状态一、状态二的增益仿真曲线，由图15、16可以看出，沿x轴逆时针旋转90°时(状态一)，在天线有效频段内(4.4～5.0GHz)，平均增益为1dBi；x轴顺时针旋转90°(状态二)，在天线有效频段内(3.9～4.6GHz)，平均增益为1.5dBi。因为天线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，实现该圆极化天线的工作频段可调谐，覆盖了5G通信频段中的一部分(4.8-5.0GHz)。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。通过金属辐射贴片和金属反射面的共同作用形成圆极化波，结构简单，适合应用在各类便携移动终端设备上，可以在较小的物理尺寸下实现天线的圆极化性能，本发明具有通俗易加工，设计灵活，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 (7)

1.一种基于重力场调控液态金属的圆极化天线，其特征在于：包括表层金属贴片、微带馈线、装有液态金属Hg的玻璃容器、金属反射面、底层小金属片以及它们之间的介质基板；表层金属贴片包含与微带馈线连接的主辐射贴片以及两个与主辐射贴片分隔的金属辐射枝节，所述金属辐射枝节包括左侧金属枝节及右侧金属枝节，且这两个枝节通过装有液态金属Hg的玻璃容器跟主辐射贴片相连，金属反射面位于介质基板上层，环绕附着在介质基板四周并包围表层金属贴片，底层小金属片设置在介质基板下层与左侧金属枝节对应的位置；
装有液态金属Hg的玻璃容器由左右两侧玻璃容器及连通二者之间的玻璃腔组成；所述金属反射面开有长为16mm，宽为1mm的矩形槽；所述底层小金属片由长为3mm，宽为1.5mm和长为7.5mm，宽为2mm的两个矩形金属片构成，呈L形；
所述液态金属Hg的位置通过翻转天线改变，进而连通不同的金属辐射枝节，实现工作频带的动态调控；当处于状态一时，由于重力作用，液态金属Hg流入玻璃腔的左侧玻璃容器部分，主辐射贴片与左侧辐射枝节相连；当处于状态二时，在重力作用下，液态金属Hg流入玻璃腔的右侧玻璃容器部分，主辐射贴片与右侧辐射枝节相连。
2.根据权利要求1所述的基于重力场调控液态金属的圆极化天线，其特征在于：所述主辐射贴片由长为6.741mm、宽为1mm，长为4.5mm、宽为1mm，长为10mm、宽为1.5mm的三个矩形金属片组成，呈C形。
3.根据权利要求1所述的基于重力场调控液态金属的圆极化天线，其特征在于：所述左侧金属枝节呈倒L形，由长为7.5mm，宽为2mm和长为6mm，宽为1.5mm的矩形金属组成；所述右侧金属枝节呈T形，由长为7.5mm，宽为1.5mm和长为3.5mm，宽为1mm的矩形金属组成。
4.根据权利要求1所述的基于重力场调控液态金属的圆极化天线，其特征在于：所述微带馈线由长为2.85mm，宽为1mm的50Ω的微带线及长为5mm，宽为1.482mm的阻抗转换器组成。
5.根据权利要求1所述的基于重力场调控液态金属的圆极化天线，其特征在于：所述左侧玻璃容器为长1.5mm，宽1.5mm，厚度0.02mm的长方体，所述右侧玻璃容器为长1.5mm，宽0.5mm，厚度0.06mm的长方体，且左右两侧玻璃容器容积相等，通过玻璃腔贯通连接。
6.根据权利要求1所述的基于重力场调控液态金属的圆极化天线，其特征在于：所述介质基板为介电常数4.7，正切损耗角为0.022的FR4环氧板，所述表层金属贴片为Cu。
7.根据权利要求1所述的基于重力场调控液态金属的圆极化天线，其特征在于：所述介质基板为长40mm，宽26mm，厚度1.6mm的长方体。
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