CN110197945A - 基于液态镓铟合金的可重构天线振子及可重构天线 - Google Patents

基于液态镓铟合金的可重构天线振子及可重构天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于液态镓铟合金的可重构天线振子和可重构天线，所述可重构天线振子包括中空壳体以及填充在所述中空壳体内部的液态镓铟合金柱，其中，所述中空壳体上设置有多个溶液存储器以及与所述溶液存储器对称分布的多个吸附剂存储器；所述溶液存储器的一端和所述吸附剂存储器的一端均穿过所述中空壳体并与所述液态镓铟合金柱接触；所述溶液存储器选择性地容纳有NaOH溶液或H2O2溶液，所述吸附剂存储器中容纳有溶液吸附剂。该可重构天线通过溶液存储器中的溶液与液态镓铟合金柱发生化学反应来改变可重构天线振子的有效长度，调节天线的结构，使天线兼容不同谐振频率，拓展了天线的带宽。

Description

基于液态镓铟合金的可重构天线振子及可重构天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于液态镓铟合金的可重构 天线振子及可重构天线。
背景技术
可重构天线(Reconfigurable Antenna)，一般可分为频率可重构天线、方 向图可重构天线、极化可重构天线这三类，其中，频率可重构天线是在保 持天线的方向图和极化方式不变的前提下，通过调节天线的有效电长度来 改变谐振频率，使之具有改变频率的能力。目前的可重构天线主要为固态 天线，设计集中在使用射频PIN、二极管、变容二极管等开关式设计来调整 天线的结构，完成天线的频率、极化或方向图的可重构。
虽然固态天线设计增加了天线带宽、功能和系统内容，但固态天线的 固有缺点无法满足当今时代对天线应用的需求，例如，固态天线馈电点与 辐射导体之间的间隙会带来电磁耦合干扰，固态天线材料本身的机械疲劳 会导致天线性能的下降，固态天线由于其材料本身可塑性差导致可重构难 度较大等。
液态天线的提出为固态天线的缺陷找到了新的解决办法，因为液态天 线具备传统固体天线所不具备的可塑性。与固体天线相比，液态镓铟合金 天线具备流动性、介电常数高、润湿性好、导电率高、不易挥发、无毒性 等性能，这些性能为液态镓铟合金天线的制作提供了安全保障，且液态镓 铟合金所具备的这些特性完全满足制作天线时选择材料的指标，但是，现 有的可重构天线均为固态天线，对于液态金属天线的可重构方面的研究较少，因此液态金属天线如何进行可重构，仍是需要不断解决和改进的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于液态镓 铟合金的可重构天线振子及可重构天线。本发明要解决的技术问题通过以 下技术方案实现：
本发明提供了一种基于液态镓铟合金的可重构天线振子，包括中空壳 体以及填充在所述中空壳体内部的液态镓铟合金柱，其中，
所述中空壳体上设置有多个溶液存储器以及与所述溶液存储器对称分 布的多个吸附剂存储器；
所述溶液存储器的一端和所述吸附剂存储器的一端均穿过所述中空壳 体并与所述液态镓铟合金柱接触；
所述溶液存储器选择性地容纳有NaOH溶液或H2O2溶液，所述吸附剂存 储器中容纳有溶液吸附剂。
在本发明的一个实施例中，所述溶液存储器上开设有溶液注入口，所 述吸附剂存储器上开设有吸附剂注入口。
在本发明的一个实施例中，所述中空壳体的侧壁上开设有多个通孔， 所述溶液存储器的一部分和所述吸附剂存储器的一部分分别穿过相应的通 孔进入所述中空壳体内部。
在本发明的一个实施例中，所述通孔的直径为0.8-1.2mm。
在本发明的一个实施例中，所述溶液存储器和所述吸附剂存储器均为 锥形结构，且所述锥形结构的收缩部伸入所述中空壳体内部。
在本发明的一个实施例中，所述NaOH溶液的浓度为0.5-3mol/L，所述H2O2溶液的质量百分数为30％。
在本发明的一个实施例中，所述中空壳体、所述溶液存储器和所述吸 附剂存储器均采用PDMS材料。
本发明的另一方面提供了一种基于液态镓铟合金的可重构天线，包括 多个上述实施例中任一项所述的可重构天线振子。
在本发明的一个实施例中，包括相互对称且间隔分布的两个所述可重 构天线振子，两个所述可重构天线振子位于同一直线上。
在本发明的一个实施例中，两个所述可重构天线振子之间的间距为 1.5-2.5mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明基于液态镓铟合金的可重构天线通过溶液存储器中的溶液与 液态镓铟合金发生化学反应来改变可重构天线振子的有效长度，调节天线 的结构，使天线兼容不同谐振频率，拓展了天线的带宽。
2、与现有的通过施加机械外力来切断或修复液态金属柱的天线结构控 制相比，该可重构天线设计减小了由于机械外力作用导致的天线材料的机 械疲劳，从而提高了天线的辐射性能。
3、与传统的铜制天线相比，该可重构天线不需要添加电子开关，减少 了开关焊接时对天线电气性能的影响。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于液态镓铟合金的可重构天线振子 的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于液态镓铟合金的可重构天线振子 的断开示意图；
图3是本发明实施例提供的一种基于液态镓铟合金的可重构天线振子 的修复示意图；
图4是本发明实施例提供的一种基于液态镓铟合金的可重构天线振子 的尺寸示意图；
图5是本发明实施例提供的一种基于液态镓铟合金的可重构天线的结 构立体图；
图6是本发明实施例提供的一种基于液态镓铟合金的可重构天线在3 种模式下天线回波损耗的对比图。
附图标记如下：
1-可重构天线振子；2-中空壳体；3-液态镓铟合金柱；4-溶液存储器； 5-吸附剂存储器；6-通孔；7-SMA接头；71-内导体；72-外导体。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效， 以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种基于液态镓铟合 金的可重构天线振子及可重构天线进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的 具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可 对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地 了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术 方案加以限制。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用 来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者 暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语 “包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使 得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明 确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……” 限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相 同要素。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于液态镓铟合金的可重 构天线振子的结构示意图。本实施例的可重构天线振子1包括中空壳体2 以及填充在中空壳体2内部的液态镓铟合金柱3，其中，中空壳体2上设置 有多个溶液存储器4以及与溶液存储器4对称分布的多个吸附剂存储器5； 溶液存储器4的一端和吸附剂存储器5的一端均穿过中空壳体2并与液态 镓铟合金柱3接触；溶液存储器4选择性地容纳有NaOH溶液或H2O2溶液， 吸附剂存储器5中容纳有溶液吸附剂，所述溶液吸附剂可使用高吸水性树 脂，例如纤维类吸水性树脂、聚丙烯酸类吸水树脂等。
优选地，NaOH溶液的浓度为0.5-3mol/L，H2O2溶液的质量百分数为 30％。液态镓铟合金(EGaIn)的质量配比为75.5wt％Ga，24.5wt％In，导电率 为3.4×104S/cm。
在本实施例中，为了对液态镓铟合金的物理与化学性质进行探索，将 15g液态镓铟合金加入3mol/LNaOH溶液和质量百分比30％的H2O2溶液中， 观察其形貌变化，并由液态镓铟合金的形貌变化，比较包裹液态镓铟合金 的氧化膜的厚度对液态镓铟合金最外层表面张力大小的影响。通常情况下， 液态镓铟合金表面最外层会覆盖一层氧化膜——氧化镓(Ga2O3)，由于NaOH溶液可与液态镓铟合金表面最外层的氧化镓反应，氧化镓会被逐渐溶解，使得氧化膜厚度逐渐变小，此时液态镓铟合金最外层的表面张力完全 由镓铟合金自身表面张力的大小决定，由于镓铟合金自身的表面张力远大 于其氧化膜的表面张力，则该过程中液态金属的形貌变化为液态金属外形 逐渐收缩至椭球形。反之，在H2O2溶液中，由于溶液的氧化性进一步将液 态镓铟合金氧化，致使其氧化膜的厚度增加，此时液态镓铟合金最外层的 表面张力由最外层氧化膜的表面张力大小决定，则该过程中液态金属的形 貌变化为液态金属外形逐渐铺展。
基于上述液态镓铟合金的物理与化学性质，本实施例在可重构天线振 子1的侧壁上设置有多个溶液存储器4，溶液存储器4选择性地容纳有NaOH 溶液或H2O2溶液，并控制NaOH溶液或H2O2溶液与液态镓铟合金3反应， 使得液态镓铟合金柱断开或连接，来改变天线振子的有效长度，使天线兼 容不同谐振频率来拓展天线的带宽。
具体地，请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种基于液态镓铟合 金的可重构天线振子的断开示意图。当溶液存储器4中容纳有NaOH溶液 时，NaOH溶液通过溶液存储器4底部与液态镓铟合金(EGaIn)接触。液态 镓铟合金柱3的最外层包括Ga2O3氧化膜，当NaOH溶液垂直注向液态镓 铟合金柱时，NaOH溶液与Ga2O3氧化膜发生氧化还原反应，氧化膜会被逐渐溶解，使得氧化膜厚度逐渐变小，此时液态金属最外层的表面张力完全 由镓铟合金自身表面张力的大小决定，由于镓铟合金自身的表面张力远大 于其氧化膜的表面张力，则该过程中液态金属的形貌变化为液态金属外形 逐渐收缩至椭球形。利用NaOH溶液与液态镓铟合金接触使其外形收缩的 机理，当NaOH溶液垂直注向液态镓铟合金柱时，由于NaOH溶液的垂直 冲击力和NaOH溶液与液态镓铟合金反应时增大的表面张力导致液态金属 柱被截断，从而导致可重构天线振子的有效长度变短。
进一步地，请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种基于液态镓铟 合金的可重构天线振子的修复示意图。当溶液存储器4中容纳有H2O2溶液 时，H2O2溶液通过溶液存储器4底部与液态镓铟合金(EGaIn)接触。当H2O2溶液垂直注向断开的液态镓铟合金柱的断口时，H2O2溶液的氧化性能够进 一步将液态镓铟合金氧化致使其氧化膜厚度增加，此时液态金属最外层的 表面张力由最外层氧化膜的表面张力大小决定，则该过程中液态金属的形 貌变化为液态金属外形逐渐铺展，由于H2O2溶液与液态镓铟合金反应时减 小的表面张力导致其外形铺展会使断开的液态镓铟合金柱被修复连接在一 起，从而导致可重构天线振子的有效长度变长。
进一步地，中空壳体2的侧壁上开设有多个通孔6，溶液存储器4的一 部分和吸附剂存储器5的一部分分别穿过相应的通孔6进入中空壳体2内 部。溶液存储器4和吸附剂存储器5伸入通孔6的一端开口，使得溶液存 储器4中的NaOH溶液或H2O2溶液能够与液态镓铟合金柱接触以发生相应 的氧化还原反应，吸附剂存储器5中的溶液吸附剂能够与反应区域接触， 以吸收剩余的NaOH溶液或H2O2溶液。
如图1所示，在本实施例中，中空壳体2的侧壁上开设有4个通孔， 并且两两关于所述天线振子的轴线对称，溶液存储器4和吸附剂存储器5 通过通孔6垂直插入中空壳体2中。通孔6的直径为0.8-1.2mm。在实际使 用中，可以根据天线的工作频率所对应的波长来确定溶液存储器4在振子 上分布的位置，以获得不同的工作频率。优选地，通孔6的直径为1mm。
进一步地，溶液存储器4上开设有溶液注入口，用于根据实际需要添加NaOH溶液或H2O2溶液，吸附剂存储器5上开设有吸附剂注入口，用于添加 溶液吸附剂。
进一步地，溶液存储器4和吸附剂存储器5均为锥形结构，且所述锥形 结构的收缩部伸入所述中空壳体内部。优选地，溶液存储器4和吸附剂存储 器5的结构和尺寸均相同，其上开口直径为1.2mm，下开口直径为0.6mm， 这样设计是便于溶液/吸附剂的添加，便于溶液穿过空壳体时流速的控制， 进而更好控制液态镓铟合金金属柱的断开或修复。
进一步地，中空壳体2、溶液存储器4和吸附剂存储器5均采用PDMS(聚 二甲基硅氧烷)材料，其相对介电常数为εr＝2.67，损耗正切tanδ＝0.0375。
请参见图4和表1，图4是本发明实施例提供的一种基于液态镓铟合金 的可重构天线振子的尺寸示意图，表1是本发明实施例提供的一种基于液 态镓铟合金的可重构天线振子的尺寸参数。
表1可重构天线振子的初始结构尺寸表(单位：mm)
l<sub>1</sub> l<sub>2</sub> l<sub>3</sub> l<sub>4</sub> l<sub>5</sub> w<sub>1</sub> w<sub>2</sub> w<sub>3</sub> w<sub>4</sub>
31 30 25 20 3 w<sub>2</sub>+0.5 1.5 0.3 1
本实施例基于液态镓铟合金的可重构天线振子通过溶液存储器中的溶 液与液态镓铟合金发生化学反应来改变可重构天线振子的有效长度，调节 天线的结构，使天线兼容不同谐振频率，拓展了天线的带宽。此外，该天 线振子可通过液态金属印刷工艺制得，具有成本低、精度高和易批量制作 的优点。此外，与现有的通过施加机械外力来切断或修复液态金属柱的天 线结构控制相比，该可重构天线设计减小了由与机械外力作用导致的天线材料的机械疲劳，从而提高了天线的辐射性能。与传统的铜制天线相比， 该可重构天线不需要添加电子开关，减少了开关焊接时对天线电气性能的 影响。
实施例二
在上述实施例的基础上，本实施例提出了一种基于液态镓铟合金的可 重构天线，包括多个实施例一所述的可重构天线振子1。
具体地，如上所述，每个可重构天线振子1均包括中空壳体2以及填充 在中空壳体2内部的液态镓铟合金3，其中，中空壳体2上设置有多个溶液存 储器4以及与溶液存储器4对称分布的多个吸附剂存储器5；溶液存储器4的 一端和吸附剂存储器5的一端均穿过中空壳体2并与液态镓铟合金3接触；溶 液存储器4选择性地容纳有NaOH溶液或H2O2溶液，吸附剂存储器5中容纳有 溶液吸附剂。
每个可重构天线振子1均可通过液态镓铟合金3与NaOH溶液或H2O2溶 液的反应来断开或连接，以改变可重构天线振子的有效长度，扩展天线的 宽度。
请参见图5，图5是本发明实施例提供的一种基于液态镓铟合金的可重 构天线的结构立体图。本实施例的可重构天线包括相互对称且间隔分布的 两个可重构天线振子1，两个可重构天线振子1位于同一直线上。具体地， 两个可重构天线振子1之间的间距为1.5-2.5mm。在本实施例中，两个可重构 天线振子1之间的间距为2mm。
进一步地，本实施例的可重构天线采用特性阻抗为50Ω的同轴电缆进行 同轴馈电，如图5所示，馈电点使用SMA接头7连接，并且SMA接头7的内导 体71和外导体72分别连接在天线的两个振子上。
以下通过仿真实验来说明本实施例的可重构天线在不同模式下的性能 参数，具体地使用HFSS电磁仿真软件进行建模、设置边界条件与激励源后 进行仿真得到是S11参数。如图5所示，本实施例的可重构天线的工作状态 可以包括三种，分别通过A、B、A1和B1处由溶液存储器4形成的溶液开关 的通断状态表示，其中，A处的连通是将30％H2O2溶液注入中空壳体2内的 微流通道中，将断开的液态金属柱修复为连通状态；A处断开表示 3mol/LH2O2溶液注入中空壳体2内的微流通道中，将液态金属柱断开，其他 溶液开关的通断状态表示和A开关相同。此外，天线振子的直径为3mm，其 他结构尺寸参见表1。请参见表2，表2为本实施例的可重构天线三种工作模 式下不同液体开关的状态。
表2三种工作模式下不同开关的状态
(1)模式1
在模式1的情况下，天线的单个振子的辐射导体的有效长度20mm。请 参见图6，图6是本发明实施例提供的一种基于液态镓铟合金的可重构天线 在三种模式下天线的回波损耗曲线图。从图6中可以看出，此时天线的谐振 频率为2.55GHz,天线在2.3GHz—2.9GHz的频段内获得|S11|＜10dB，相对 阻抗带宽为23％。
(2)模式2
在模式2的情况下，天线的单个振子的辐射导体有效长度25mm。从图6 中可以看出，此时天线的谐振频率为2.15GHz，天线在1.96GHz—2.4GHz的 频段内获得|S11|＜10dB，相对阻抗带宽为20％。
(3)模式3
在模式3的情况下，天线的单个振子的辐射导体有效长度30mm。从图6 可以看出，该模式3下天线的谐振频率为1.96GHz，天线在1.72GHz— 2.15GHz的频段内获得|S11|＜10dB，相对阻抗带宽为22％。
进一步地，从图6可以看出，本实施例的可重构天线当同时兼顾这三种 工作模式时，将可以覆盖的工作频率段为1.72-2.9GHz，并且在不同工作模 式下天线都具备良好的辐射性能。
综上，本实施例的可重构天线可以通过NaOH溶液或H2O2溶液形成的溶 液开关改变天线振子辐射导体的有效长度，来调节天线的结构，使天线兼 容不同谐振频率来拓展天线的带宽。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明， 不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简 单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于液态镓铟合金的可重构天线振子(1)，其特征在于，包括中空壳体(2)以及填充在所述中空壳体(2)内部的液态镓铟合金柱(3)，其中，
所述中空壳体(2)上设置有多个溶液存储器(4)以及与所述溶液存储器(4)对称分布的多个吸附剂存储器(5)；
所述溶液存储器(4)的一端和所述吸附剂存储器(5)的一端均穿过所述中空壳体(2)并与所述液态镓铟合金柱(3)接触；
所述溶液存储器(4)选择性地容纳有NaOH溶液或H2O2溶液，所述吸附剂存储器(5)中容纳有溶液吸附剂。
2.根据权利要求1所述的一种基于液态镓铟合金的可重构天线振子(1)，其特征在于，所述溶液存储器(4)上开设有溶液注入口，所述吸附剂存储器(5)上开设有吸附剂注入口。
3.根据权利要求1所述的一种基于液态镓铟合金的可重构天线振子(1)，其特征在于，所述中空壳体(2)的侧壁上开设有多个通孔(6)，所述溶液存储器(4)的一部分和所述吸附剂存储器(5)的一部分分别穿过相应的通孔(6)进入所述中空壳体(2)内部。
4.根据权利要求3所述的一种基于液态镓铟合金的可重构天线振子(1)，其特征在于，所述通孔(6)的直径为0.8-1.2mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于液态镓铟合金的可重构天线振子(1)，其特征在于，所述溶液存储器(4)和所述吸附剂存储器(5)均为锥形结构，且所述锥形结构的收缩部伸入所述中空壳体(2)内部。
6.根据权利要求1所述的一种基于液态镓铟合金的可重构天线振子(1)，其特征在于，所述NaOH溶液的浓度为0.5-3mol/L，所述H2O2溶液的质量百分数为30％。
7.根据权利要求1所述的一种基于液态镓铟合金的可重构天线振子(1)，其特征在于，所述中空壳体(2)、所述溶液存储器(4)和所述吸附剂存储器(5)均采用PDMS材料。
8.一种基于液态镓铟合金的可重构天线，其特征在于，包括多个所述权利要求1至7中任一项所述的可重构天线振子(1)。
9.根据权利要求8所述的一种基于液态镓铟合金的可重构天线，其特征在于，包括相互对称且间隔分布的两个所述可重构天线振子(1)，两个所述可重构天线振子(1)位于同一直线上。
10.根据权利要求8或9所述的一种基于液态镓铟合金的可重构天线，其特征在于，两个所述可重构天线振子(1)之间的间距为1.5-2.5mm。
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