CN109687101A - 一种液态金属分形天线及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液态金属分形天线及其制备方法与应用。本发明利用过氧化氢激发的液态金属指进效应，得到的一种方便快捷的制备分形天线的方法。所述液态金属分形天线包括辐射贴片，所述辐射贴片包括由液态金属形成的树枝状复合分形结构。本发明充分利用了液态金属的流动性、导电性及可变形性，基于激发形成的分形结构，一次成型制备液态金属分形天线，解决了现有分形天线制备困难、不能自我修复以及无法自由弯折的问题。

Description

一种液态金属分形天线及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及分形天线技术领域，具体涉及一种液态金属分形天线及其制备方法与应用。

背景技术

将分形理论和天线技术融合，分形天线应运而生。所谓分形天线指的是在几何属性上具有分形特征的天线，是分形电动力学的众多应用之一。现代通信的发展对天线的小型化、多频率谐振提出了越来越高的要求。在这种情况下，用分形曲线来构建天线成为一种新的策略。利用分形结构的空间填充能力可以增加天线的电长度，提高天线的辐射能力，实现天线的多频多模设计。因为这些优点，分形天线获得了广泛的关注。

分形结构是一种与标度无关的几何结构，通常具有优美的图案。自相似性(self-similarity)和空间填充性(space-filling)是其重要的特点。传统天线的性能都依赖于天线的电尺寸。这意味着对于固定的天线尺寸，主要天线参数(增益、输入阻抗、方向图和副瓣电平等)将随着工作频率的改变而改变。而分形天线通过迭代产生的自相似结构，其整体与局部具有自相似性，这意味着分形天线形状在不同的尺度变化下保持相似性，从而具有相似的电特性，形成多频带天线。因此，分形的自相似性使分形天线可具有多频和宽频特性。此外，在天线研究领域中，天线小型化一直都是研究的重点。在设计天线时，不仅要考虑其辐射性能和工作带宽是否符合需求，天线的体积大小也至关重要。而分形结构的空间填充性意味着分形天线可以在尺寸较小的情况满足性能的需要，有效地解决了天线体积的问题。

传统的天线要实现多频段工作通常需要采用多个辐射单元或电抗性负载贴片或多频介质谐振天线，这些都增加了天线的复杂性和制备的难度及成本。现代无线通信要求用低剖面、小尺寸、多频带(宽频带)、可集成的天线，分形天线能更好的满足这种要求。然而，拥有自相似和空间填充特性的分形天线结构普遍比较复杂，制备比较困难。在天线追求小型化的今天，复杂分形天线的制备难题更为凸显。目前分形天线的制备方法普遍费时费力，亟需进行革新。

液态金属天线指的是利用室温下呈现液态的金属(通常为镓基合金)制备的天线。而我们知道，构成天线的导电路径的形状和长度决定了天线的重要性质如工作频率和辐射模式等。利用液态金属的可流动性，这种液态金属天线可以改变自身长度和形状，进而改变天线的特征；并且对这种天线进行弯折而不会影响其结构的稳定性。这种天线不仅接受信号能力强，而且具有自我修复的特征，可用于各种便携式设备。

因而，液态金属分形天线的研究和应用，在军事和民用方面都有着巨大的潜力，尤其是在无线、卫星和移动通信系统中将会发挥巨大的作用，有着非常广阔的市场前景。

发明内容

本发明基于液态金属指进效应，提出一种崭新的液态金属分形天线及其制备方法。本发明充分利用了液态金属的流动性、导电性及可变形性，基于激发形成的分形结构，一次成型制备液态金属分形天线，解决了现有分形天线制备困难、不能自我修复以及无法自由弯折的问题。

本发明采用如下技术方案：

一种液态金属分形天线，包括辐射贴片，所述辐射贴片包括由液态金属形成的树枝状复合分形结构。

具体地说，所述液态金属分形天线还包括基板和天线接地板，所述天线接地板和辐射贴片分别贴合在所述基板的两面上。

进一步地，所述由液态金属形成的树枝状复合分形结构由封装层固定其形状(封装液态金属导电线路)，例如将其固定于所述基板上。所述封装层可由柔性材料制成。可用于制备封装层的材料包括但不限于聚二甲基硅氧烷、聚酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚乙烯等中的一种或几种。所述封装层厚度可为500-1500微米。

本发明优选采用在室温条件下(20±9℃左右)为液态的液态金属；采用这种液态金属制成的分形结构可以保证分形天线的柔软性，且当其受到外界损伤时，因为液体的流动性可以自我修复。

具体地，所述液态金属包括金属镓、镓基合金等中的一种或几种，所述镓基合金包括镓铟合金、镓铟锡合金等中的一种或几种，例如Ga₆₀In₄₀、Ga₈₀In₂₀、Ga₇₀In₃₀、Ga₆₅In₃₅、Ga_75.5In_24.5等。

所述天线接地板由金属材料构成，例如导电性能较好的铜等金属。也可采用液态金属材料。当所述天线接地板由液态金属材料制成时，其可由封装层固定在所述基板上。

进一步地，所述液态金属分形天线整体结构大小控制在5cm内。

进一步地，所述由液态金属形成的树枝状复合分形结构正中心设有天线馈电点。

进一步地，所述基板为柔性材料，可进行拉伸扭转等变形，可方便的应用于各种复杂曲面。

进一步地，所述基板为玻璃纤维环氧树脂材料，其相对介电常数优选为5-15。

具体地，所述由液态金属形成的树枝状复合分形结构是由液态金属受过氧化氢激发后自发铺展形成，优选其至少为三阶，分行维数大于1.3。

本发明意外地发现，过氧化氢可以激发液态金属发生指进效应，进而形成树枝状复合分形结构，特别是在碱性溶液环境下。基于该研究，特提出一种如上所述的液态金属分形天线的制备方法，具体包括：将基板置于碱性溶液中，然后将液态金属放到所述基板上，在所述液态金属表面上滴加过氧化氢，使液态金属受到激发进行铺展形成树枝状分形结构，然后将温度降至所述液态金属熔点以下，使所形成的液态金属树枝状分形结构变为固态，取出后用封装材料封装制成辐射贴片。

进一步地，所述碱性溶液中氢氧根(-OH)离子浓度为0.1-2mol/L。优选采用氢氧化钠溶液。

进一步地，所述过氧化氢(溶液)浓度为5％-30％。

一般地，当所用液态金属熔点高于室温(20±9℃左右)时，可先将其熔化变成液态，再在处于液态状态的所述液态金属表面上滴加过氧化氢，使液态金属受到激发进行铺展形成树枝状分形结构。

上述液态金属分形天线的制备方法还包括：在所述基板另一面固定金属作为天线接地线；从而制得所述液态金属分形天线。

本发明还包括上述液态金属分形天线在移动通讯技术领域的应用。

有益效果：

本发明系利用过氧化氢激发的液态金属指进效应，得到的一种方便快捷的制备液态金属分形天线的方法。本发明制备方法避免了繁琐的流程和工艺，方便快捷。所得到的液态金属分形天线可全部由柔性材料组成，可进行拉伸扭转等变形，可方便的应用于各种复杂曲面。并且所用的分形结构系自然形成，分形维数高，结构更为合理。利用此分形结构的自相似性和空间填充性使天线的尺寸得以缩减，达到小型化的目的。由此制备的液态金属分形天线性能稳定、结构紧凑、抗干扰能力强、频带宽且具有很好的自我修复能力。

附图说明

图1表示基于液态金属的指进效应形成树枝状分形结构的原理示意图。

图2表示实验中观测到的液态金属自发铺展形成的树枝状的分形结构。

图3表示本发明液态金属分形天线的结构示意图；

其中1是辐射贴片、2是基板、3是天线接地板、4是封装层。

图4表示本发明液态金属分形天线的制备方法流程图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。

实施例1

形成树枝状分形结构的原理是基于液态金属的指进效应，其原理如图1所示。将过氧化氢滴加于浸没在碱性溶液中的液态金属表面，受到氧化应力的影响，液态金属会自发铺展并形成如图2所示的树枝状的分形结构(实验中观测到的实际分形图)。

基于以上原理，本实施例提供一种液态金属分形天线，其结构如图3所示，主要包括基板、天线接地板和辐射贴片；其中天线接地板和辐射贴片分别贴合在基板的两面；所述天线接地板由金属材料构成(例如铜、液态金属等)；所述辐射贴片包括由液态金属形成的树枝状复合分形结构，其由封装层固定于所述基板上。所述由液态金属形成的树枝状复合分形结构正中心设有天线馈电点。

可用于制备封装层的材料可选自聚二甲基硅氧烷、聚酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚乙烯等中的一种或几种。

在一个具体实施方式中，所述天线接地板由铜制成，固定于所述基板上。

在一个具体实施方式中，所述天线接地板由液态金属制成，由封装层固定于所述基板上。

在一个具体实施方式中，液态金属分形天线整体尺寸为：长和宽均为48mm，厚度为5mm。

在一个具体实施方式中，制备封装层所用的封装材料为聚二甲基硅氧烷，封装层厚度为800微米。

在一个具体实施方式中，所用的液态金属为镓铟合金Ga_75.5In_24.5(熔点为15.7℃)。

在一个具体实施方式中，所用的基板为玻璃纤维环氧树脂材料，其相对介电常数为8。

实施例2

如图4所示，本实施例提供结构如实施例1所示的液态金属分形天线的制备方法，主要包括以下步骤：

1)准备0.5mol/L氢氧化钠溶液、3ml液态金属(Ga_75.5In_24.5)、基板(玻璃纤维环氧树脂材料，其相对介电常数为8)、控温平台、封装膜(聚二甲基硅氧烷)以及质量浓度为20％的过氧化氢溶液；

2)将基板置于氢氧化钠溶液中，然后将液态金属放到基板上；

3)在液态金属上表面滴加1ml过氧化氢溶液；

4)等待5min，液态金属铺展充分，形成树枝状分形结构；

5)将整体装置置于所制备的控温平台上，调节温度至5℃，保持10min；

6)待树枝状的液态金属凝固后，用吸管吸出碱性溶液；

7)用PDMS封装膜封装已经凝固的液态金属树枝状的分形结构；

8)利用喷头将液态金属(Ga_75.5In_24.5)喷涂在基板背面作为天线接地线并用PDMS封装，最终得到分形天线。

本实施例所制得的液态金属分形天线在室温条件下柔软性颇佳，适用于各种曲面环境。此时的天线中的液态金属呈现液态，当天线受到外界损伤时，因为液体的流动性可以进行自我修复。

实施例3

一种液态金属分形天线，其制备方法与实施例2的区别仅在于：制备辐射贴片(由液态金属形成的树枝状复合分形结构)所用的液态金属为镓铟锡共晶合金(Ga₆₇In₂₁Sn₁₂，熔点为10.5℃)，通过控制液态金属金属和过氧化氢等材料的用量，使所制成的液态金属分形天线尺寸为25mm×25mm×5mm，结构更为小巧紧凑。

经理论计算和初步模拟，本实施例所制备的液态金属分形天线能够覆盖目前移动通信标准通信频段(2.555-2.655GHz)，能稳定的工作。充分利用分形结构的自相似性和空间填充性天线的尺寸得以缩减，带宽也将展宽，并具有稳定的物理和化学特性，抗干扰能力强。

实施例4

实施例1-3制备的液态金属分形天线在移动通讯技术领域的应用。

我们知道，第四代移动通信技术的使用为我国的社会经济做出了巨大贡献。但在近几年来，随着人们通信需求的不断增大，移动通信技术也随之发生改变。第五代移动通信标准制式就是在这样的背景下应运而生的。第五代移动通信标准制式，我国已拥有其自主知识产权和其相关专利，有望取得先发优势。第五代移动通信标准制式的通信速率和频谱效率都较高，标志着我国信息通信产业在国际上已经拥有一席之地。天线作为无线通信中不可或缺的部分，是连接收发端的桥梁，对通信设备的通信质量有着决定性作用。在天线研究领域中，天线小型化一直都是研究的重点。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种液态金属分形天线，其特征在于，包括辐射贴片，所述辐射贴片包括由液态金属形成的树枝状复合分形结构。

2.根据权利要求1所述的液态金属分形天线，其特征在于，还包括基板和天线接地板，所述天线接地板和辐射贴片分别贴合在所述基板的两面上。

3.根据权利要求1或2所述的液态金属分形天线，其特征在于，所述由液态金属形成的树枝状复合分形结构由封装层固定其形状；所述封装层优选柔性材料制成；进一步优选地，用于制备所述封装层的材料选自聚二甲基硅氧烷、聚酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚乙烯中的一种或几种；进一步优选地，所述封装层厚度为500-1500微米。

4.根据权利要求1-3任一项所述的液态金属分形天线，其特征在于，所述天线接地板由金属材料构成，优选由铜或液态金属构成。

5.根据权利要求1-4任一项所述的液态金属分形天线，其特征在于，所述液态金属在室温条件下为液态；

优选地，所述液态金属包括金属镓、镓基合金中的一种或几种，所述镓基合金包括镓铟合金、镓铟锡合金等中的一种或几种；

进一步优选地，所述液态金属为Ga₆₀In₄₀、Ga₈₀In₂₀、Ga₇₀In₃₀、Ga₆₅In₃₅或Ga_75.5In_24.5。

6.根据权利要求1-5任一项所述的液态金属分形天线，其特征在于，所述基板为柔性材料，优选地，所述基板为玻璃纤维环氧树脂材料，其相对介电常数优选为5-15。

7.根据权利要求1-6任一项所述的液态金属分形天线，其特征在于，所述由液态金属形成的树枝状复合分形结构正中心设有天线馈电点。

8.根据权利要求1-7任一项所述的液态金属分形天线，其特征在于，所述由液态金属形成的树枝状复合分形结构是由液态金属受过氧化氢激发后自发铺展形成，优选其至少为三阶，分行维数大于1.3。

9.权利要求1-8任一项所述液态金属分形天线的制备方法，其特征在于，包括：将基板置于碱性溶液中，然后将液态金属放到所述基板上，在所述液态金属表面上滴加过氧化氢，使液态金属受到激发进行铺展形成树枝状分形结构，然后将温度降至所述液态金属熔点以下，使所形成的液态金属树枝状分形结构变为固态，取出后用封装材料封装制成辐射贴片；或者，还包括：在所述基板另一面固定金属作为天线接地线；从而制得所述液态金属分形天线；

优选地，所述碱性溶液中氢氧根离子浓度为0.1-2mol/L；和/或，

优选地，所述过氧化氢浓度为5％-30％。

10.权利要求1-8所述液态金属分形天线或权利要求9所述方法制备的液态金属分形天线在移动通讯技术领域的应用。