CN109888493B - 一种基于液态金属的单频波束扫描天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于液态金属的单频波束扫描天线，其包括：微带线部分，包括微带线输入端口、微带线输出端口、微带线交指电容、以及组成电感的多个矩形微带线以及液态金属部分，其中，多个矩形液态金属流控管穿过地面层后与控制层连接。发明基于液态金属在可以导电的同时具有流动性的原理，同时得益于当流控管中充满电解液且液态金属在一端接正电极时，会向电解液中负电极流动的原理，通过接通负电极阵列中不同位置的单个负电极，控制液态金属流动，改变天线中电感部分的长度，从而改变所对应的电感值并改变天线中电磁场的传播常数。

Description

一种基于液态金属的单频波束扫描天线

技术领域

本发明涉及微波技术领域，尤其涉及一种基于液态金属的单频波束扫描天线。

背景技术

波束(wave beam)是指由卫星天线发射出来的电磁波在地球表面上形成的形状(比如说像手电筒向黑暗处射出的光束)，主要有全球波束、点形波束、赋形波束。它们由发射天线来决定其形状。波束指向角随天线某一参数改变而有规律地大范围改变的天线，简称波束扫描天线。

实现波束扫描的方法大致可以分为机械控制与电控制两种。机械控制的波束扫描天线，通过步进电极完成天线的指向改变，从而改变对应的波束指向；电控制的波束扫描天线，则通过改变天线单元辐射相位的方法，进而改变整个天线阵列的波束指向。

改变天线单元的相位可以通过半导体移相器、FPGA芯片、半导体开关或改变天线工作频率等手段来实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于液态金属的单频波束扫描天线，使得单频波束扫描天线的辐射波束可以在工作频率不变的情况下，实现扫描。

一种基于液态金属的单频波束扫描天线，其包括：微带线部分，包括微带线输入端口、微带线输出端口、位于微带线输入端口和微带线输出端口之间的微带线交指电容、以及组成电感的多个矩形微带线，每个矩形微带线均与微带线交指电容连接；以及液态金属部分，与微带线部分连接，其包括组成电感且与对应矩形微带线连接的多个矩形液态金属流控管、地面层以及控制层，其中，多个矩形液态金属流控管穿过地面层后与控制层连接。

进一步地，所述微带线部分由高频介质基板的上表面金属蚀刻而成且属于固定结构；所述液态金属部分流动于塑料制成的矩形液态金属流控管中且属于可重构结构。

进一步地，多个矩形微带线平行设置，每个矩形微带线的一端与微带线交指电容垂直连接。

进一步地，每个矩形液态金属流控管包括液态金属存储池、与对应矩形微带线另一端连接的液态金属流控管道、正电极、负电极阵列、与正电极连接的第一金属化通孔以及多个第二金属化通孔，其中，所述液态金属存储池位于液态金属流控管道和对应的矩形微带线连接处。

进一步地，所述液态金属流控管道由塑料制成的。

进一步地，所述正电极一端连接在液态金属流控管道和对应的矩形微带线连接处，另一端连接第一金属化通孔。

进一步地，所述负电极阵列远离液态金属流控管道和对应的矩形微带线连接处设置。

进一步地，所述负电极阵列具有平行设置的多个负电极，第二金属化通孔的数量和负电极的数量相同，每个负电极一端连接在液态金属流控管道，另一端连接金属化通孔。

进一步地，所述地面层包括底板以及位于底板上的多个第一金属圆盘和第二金属圆盘，其中第一金属圆盘和第二金属圆盘均设有贯穿孔；所述控制层包括第一控制电路线、与第一控制电路线绝缘的多个第二控制电路线以及可编程芯片，其中第一控制电路线和多个第二控制电路线均与可编程芯片连接；正电极通过第一金属化通孔穿过对应的第一金属圆盘的贯穿孔再与第一控制电路线连接，负电极阵列分别通过对应的第二金属化通孔穿过第二金属圆盘的贯穿孔再与第二控制电路线连接。

进一步地，单频波束扫描天线具有三层，分别为位于第一层的天线层、位于第二层的所述地面层以及位于第三层的所述控制层，其中，天线层穿过地面层后与控制层连接；其中天线层包括微带线部分以及与微带线部分连接的多个矩形液态金属流控管实施本发明提供的基于液态金属天线的转速测量装置。

发明基于液态金属在可以导电的同时具有流动性的原理，同时得益于当流控管中充满电解液且液态金属在一端接正电极时，会向电解液中负电极流动的原理，通过接通负电极阵列中不同位置的单个负电极，控制液态金属流动，改变天线中电感部分的长度，从而改变所对应的电感值并改变天线中电磁场的传播常数；通过本发明天线波束的指向可以在工作频率不变的情况下实现改变，从而减少了频谱外泄的可能，提高了抗截获能力。

附图说明

图1是本发明实施例的第一层(天线层)结构示意图；

图2是本发明实施例的第二层(地面层)结构示意图；

图3是本发明实施例的第三层(控制层)结构示意图；

图4是本发明实施例中液态金属流控管道中液态金属长度分别为1/16工作频率电磁波的空气波长和1/10工作频率电磁波的空气波长时，辐射电磁波的波束指向对比图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图3所示，本发明提供了一种基于液态金属的单频波束扫描天线，单频波束扫描天线具有三层，分别为位于第一层的天线层100、位于第二层的地面层200以及位于第三层的控制层300，其中，天线层100穿过地面层200后与控制层300连接。

单频波束扫描天线包括微带线部分以及与微带线部分连接的液态金属部分。其中，微带线部分由高频介质基板的上表面金属蚀刻而成，属于固定结构；液态金属部分则流动于塑料制成的矩形液态金属流控管中，属于可重构结构。

图1为单频波束扫描天线的辐射层示意图，微带线部分包括微带线输入端口1、微带线输出端口100、位于微带线输入端口1和微带线输出端口101之间的微带线交指电容2、以及组成电感的多个矩形微带线3。其中多个矩形微带线3平行设置，每个矩形微带线3的一端与微带线交指电容2垂直连接。

在本实施例中，4个矩形微带线3平行设置。

液态金属部分包括组成电感的多个矩形液态金属流控管4(虚线框内)、地面层200以及控制层300。其中，多个矩形液态金属流控管4穿过地面层200后与控制层300连接。

其中多个矩形液态金属流控管4平行设置，每个矩形液态金属流控管4与对应的矩形微带线3另一端连接。

每个矩形液态金属流控管4包括液态金属存储池5、与对应矩形微带线3另一端连接的液态金属流控管道6、正电极7、负电极阵列8、与正电极7连接的第一金属化通孔9以及多个第二金属化通孔10。其中，液态金属流控管道6由塑料制成的；液态金属存储池5位于液态金属流控管道6和对应的矩形微带线3连接处；正电极7一端连接在液态金属流控管道6和对应的矩形微带线3连接处，另一端连接第一金属化通孔9；负电极阵列8远离液态金属流控管道6和对应的矩形微带线3连接处设置，负电极阵列8具有平行设置的多个负电极，第二金属化通孔10的数量和负电极的数量相同，每个负电极一端连接在液态金属流控管道6，另一端连接金属化通孔10。

在本实施例中，负电极阵列8具有平行设置的3个负电极。

图1中所示的正电极7与液态金属存储池5相连，负电极阵列8以一定间隔分别与液态金属流控管道6相连。

其中天线层100包括微带线部分以及与微带线部分连接的多个矩形液态金属流控管4。

图2为地面层的结构示意图，地面层200包括底板201以及位于底板201上的多个第一金属圆盘11和第二金属圆盘12，其中第一金属圆盘11和第二金属圆盘12均设有贯穿孔(图未示)。

图3为控制层结构示意图，控制层300包括第一控制电路线13、与第一控制电路线13绝缘的多个第二控制电路线14以及可编程芯片15。其中多个第二控制电路线14彼此绝缘；第一控制电路线13和多个第二控制电路线14均与可编程芯片15连接。

正电极7通过金属化通孔9穿过对应的第一金属圆盘11的贯穿孔再与第一控制电路线13连接，负电极阵列8分别通过对应的第二金属化通孔10穿过第二金属圆盘12的贯穿孔再与第二控制电路线14连接。第一控制电路线13和多个第二控制电路线14最终与可编程芯片15连接。液态金属部分的重构基于直流电压控制液态金属流动的原理，通过可编程芯片15进行控制。

图4为本发明的一个上述实施例的方向图在液态金属流控管道内液态金属长度不同时的仿真结果，调整单频波束扫描天线参数使其工作在中心频率f0处，其中液态金属流控管道6液态金属的部分的长度为中心频率处电磁波空气波长λ0的十六分之一，波束指向如图4中所示，指向7o方向。保持工作频率不变，依然为f0，但将液态金属部分的长度变为空气波长λ0的十分之一，波束指向改变，变为指向39o的方向。

本发明通过改变矩形液态金属流控管中液态金属的长度，也即是改变了超材料中用于产生等效电感部分的长度，从而改变天线中每个超材料单元中的等效电感值，进一步改变该超材料的传播常数，在单一频点即可实现天线辐射波束指向的改变。

发明基于液态金属在可以导电的同时具有流动性的原理，同时得益于当流控管中充满电解液且液态金属在一端接正电极时，会向电解液中负电极流动的原理，通过接通负电极阵列中不同位置的单个负电极，控制液态金属流动，改变天线中电感部分的长度，从而改变所对应的电感值并改变天线中电磁场的传播常数β，由于该型天线的波束指向可以表示为:

θ＝sin-1(β/k0) (1)

其中k0为工作频率在空气中的波数值，使得改变传播常数β即可实现天线波束指向的改变。通过本发明，天线波束的指向可以在工作频率不变的情况下实现改变，从而减少了频谱外泄的可能，提高了抗截获能力。

可以理解地，上述各个尺寸参数只是在本实施例中的一种优化设置，其不能作为限制本发明范围的理由，各个尺寸参数可以根据实际情况进行优化配置。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于液态金属的单频波束扫描天线，其特征在于，其包括：

微带线部分，包括微带线输入端口、微带线输出端口、位于微带线输入端口和微带线输出端口之间的微带线交指电容、以及组成电感的多个矩形微带线，每个矩形微带线均与微带线交指电容连接；以及

液态金属部分，与微带线部分连接，其包括组成电感且与对应矩形微带线连接的多个矩形液态金属流控管、地面层以及控制层，其中，多个矩形液态金属流控管穿过地面层后与控制层连接；多个矩形微带线平行设置，每个矩形微带线的一端与微带线交指电容垂直连接，每个矩形液态金属流控管包括液态金属存储池、与对应矩形微带线另一端连接的液态金属流控管道、正电极、负电极阵列、与正电极连接的第一金属化通孔以及多个第二金属化通孔，所述液态金属存储池位于液态金属流控管道和对应的矩形微带线连接处；所述负电极阵列远离液态金属流控管道和对应的矩形微带线连接处设置，所述负电极阵列具有平行设置的多个负电极，第二金属化通孔的数量和负电极的数量相同，每个负电极一端连接在液态金属流控管道，另一端连接金属化通孔。

2.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的单频波束扫描天线，其特征在于，所述微带线部分由高频介质基板的上表面金属蚀刻而成且属于固定结构；所述液态金属部分流动于塑料制成的矩形液态金属流控管中且属于可重构结构。

3.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的单频波束扫描天线，其特征在于，所述液态金属流控管道由塑料制成。

4.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的单频波束扫描天线，其特征在于，所述正电极一端连接在液态金属流控管道和对应的矩形微带线连接处，另一端连接第一金属化通孔。

5.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的单频波束扫描天线，其特征在于，所述地面层包括底板以及位于底板上的多个第一金属圆盘和第二金属圆盘，其中第一金属圆盘和第二金属圆盘均设有贯穿孔；所述控制层包括第一控制电路线、与第一控制电路线绝缘的多个第二控制电路线以及可编程芯片，其中第一控制电路线和多个第二控制电路线均与可编程芯片连接；正电极通过第一金属化通孔穿过对应的第一金属圆盘的贯穿孔再与第一控制电路线连接，负电极阵列分别通过对应的第二金属化通孔穿过第二金属圆盘的贯穿孔再与第二控制电路线连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的单频波束扫描天线，其特征在于，单频波束扫描天线具有三层，分别为位于第一层的天线层、位于第二层的所述地面层以及位于第三层的所述控制层，其中，天线层穿过地面层后与控制层连接；其中天线层包括微带线部分以及与微带线部分连接的多个矩形液态金属流控管。

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