CN110676590B - 一种频率可重构的电驱动液态金属偶极子天线 - Google Patents

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Abstract

一种频率可重构的电驱动液态金属偶极子天线，涉及一种电驱动液态金属偶极子天线。目的是解决通过机械的方式调节的液态金属可重构天线结构复杂、自动化程度低和精度低的问题。本发明频率可重构的电驱动液态金属偶极子天线由第一天线臂、第二天线臂、第一电感、第二电感、电源、偏置器和同轴馈线组构成；第一天线臂和第二天线臂内部设置有通道和储液槽，通道内填充有NaOH溶液，通道其中一端的储液槽内填充有镓基液态金属。本发明只需要提供较小的电压即可实现一定范围内天线频率的重构，结构简单，通过电场驱动实现液态金属长度的改变准确性高，精度高。本发明适用于制备液态金属偶极子天线。

Description

一种频率可重构的电驱动液态金属偶极子天线
技术领域
本发明涉及一种电驱动液态金属偶极子天线。
背景技术
随着信息技术的发展，无线通信系统在国防与生活中都起到了至关重要的作用。近年来，无线通信系统功能的快速发展急需天线传输系统实现多功能和多工作模式的信号传输。按照传统天线的设计模式，将多个特定性能的天线合并到一个设备中，必然会带来一系列问题。例如：多天线、多子系统使得系统尺寸偏大、质量加重、占据空间增大；同一系统天线密度增加，天线间电磁耦合干扰变得严重，无线通信系统整体性能下降。因此需要实现天线的可重构，即通过使用一个天线实现多个天线的功能。
利用液态金属制备可重构天线可以实现频率的连续调谐，但是对液态金属的精准控制仍然处于初级阶段，例如，已有文献提出了一种伸缩式频率可重构液态金属天线及该天线的制备方法，该文献通过机械的方式改变液态金属天线长度，从而实现天线频率连续大范围调节。但是通过机械的方式调节频率存在结构过于复杂、自动化程度低和精度低的问题。
发明内容
本发明为了解决现有通过机械的方式调节的液态金属可重构天线结构复杂、自动化程度低和精度低的问题，提出一种频率可重构的电驱动液态金属偶极子天线。
本发明频率可重构的电驱动液态金属偶极子天线由第一天线臂、第二天线臂、第一电感、第二电感、电源、偏置器和同轴馈线组构成；
第一天线臂和第二天线臂为长条形，第一天线臂内部沿长度方向设置有第一通道，第一通道两端分别设置有第一储液槽；第二天线臂内部沿长度方向设置有第二通道，第二通道两端分别设置有第二储液槽；第一通道与其两端的第一储液槽相连通，第二通道与其两端的第二储液槽相连通；第一通道和第二通道的形状和尺寸相同，第一储液槽和第二储液槽的形状和尺寸相同；
第一通道和第二通道并列设置在同一水平面内、且第一通道的长度方向中线和第二通道的长度方向中线处于同一直线上，第一天线臂和第二天线臂中相邻的第一储液槽和第二储液槽内填充有镓基液态金属，第一天线臂和第二天线臂中相远离的第一储液槽和第二储液槽内、以及第一通道和第二通道内填充有NaOH溶液；
同轴馈线组包括同轴主馈线和两条同轴分馈线，其中一条同轴分馈线的一端由第一天线臂外部伸入至第一储液槽中的镓基液态金属内、并延伸至第一储液槽和第一通道连接处，另一端与同轴主馈线一端连接，另一条同轴分馈线的一端由第二天线臂外部伸入至第二储液槽中的镓基液态金属内、并延伸至第二储液槽和第二通道连接处，另一端与同轴主馈线一端连接；同轴主馈线另一端与偏置器的输出端通过导线连接，偏置器的输入端与电源的正极通过导线连接；
第一电感的一端伸入第一天线臂中远离第二天线臂的第一储液槽内的NaOH溶液内，第一电感的另一端与电源的负极连接；第二电感的一端伸入第二天线臂中远离第一天线臂的第二储液槽内的NaOH溶液内，第二电感的另一端与电源的负极连接。
本发明原理及有益效果为：
液态金属可以对电压进行响应而发生长度的改变，从而使整个液态金属天线长度发生变化，最终获得频率能够自由调控的电驱动液态金属可重构天线。液态金属液滴存储于第一储液槽和第二储液槽中，液滴与NaOH溶液接触后呈球状。将第一储液槽和第二储液槽中液态金属一侧同时接直流稳压电源正极，且施加电压时，液态金属液滴将发生变形，液滴头部缓慢进入第一通道和第二通道内，液态金属长度增加；NaOH能够消除液态金属表面的氧化膜，通电后在电场的诱导下液态金属表面的表面会生成氧化膜，因此整个液态金属长度增加过程中液态金属存在着氧化膜消除和再生。将施加电压减小时液态金属会维持自身长度基本不变，此时频率固定。
本发明只需要提供较小的电压即可实现一定范围内天线频率的重构，与通过机械的方式改变液态金属天线长度的天线相比结构简单，并且通过电场驱动实现液态金属长度的改变准确性高，精度高，节约资源、智能安全。本发明天线为偶极子天线，常用作阵列天线的单元，适合水平搭载，因而对拓展液态金属天线阵列的设计奠定了基础。
附图说明
图1为实施例1频率可重构的电驱动液态金属偶极子天线的结构示意图；
图2为实施例1频率可重构的电驱动液态金属偶极子天线的结构示意图(沿第一通道 9和第二通道11的竖向剖视图)；
图3为第一天线臂1的水平截面图；
图4为第二天线臂2的水平截面图；
图5为第一天线臂1和第二天线臂2的分层结构示意图；
图6为实施例1中频率可重构的电驱动液态金属偶极子天线的反射系数随频率的变化曲线图；
图7为具体实施方式九中频率可重构的电驱动液态金属偶极子天线的结构示意图。
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式频率可重构的电驱动液态金属偶极子天线由第一天线臂1、第二天线臂2、第一电感3、第二电感4、电源5、偏置器6和同轴馈线组7构成；
第一天线臂1和第二天线臂2为长条形，第一天线臂1内部沿长度方向设置有第一通道9，第一通道9两端分别设置有第一储液槽8；第二天线臂2内部沿长度方向设置有第二通道11，第二通道11两端分别设置有第二储液槽10；第一通道9与其两端的第一储液槽8相连通，第二通道11与其两端的第二储液槽10相连通；第一通道9和第二通道11 的形状和尺寸相同，第一储液槽8和第二储液槽10的形状和尺寸相同；
第一通道9和第二通道11并列设置在同一水平面内、且第一通道9的长度方向中线和第二通道11的长度方向中线处于同一直线上，第一天线臂1和第二天线臂2中相邻的第一储液槽8和第二储液槽10内填充有镓基液态金属，第一天线臂1和第二天线臂2中相远离的第一储液槽8和第二储液槽10内、以及第一通道9和第二通道11内填充有NaOH 溶液；
同轴馈线组7包括同轴主馈线和两条同轴分馈线，其中一条同轴分馈线的一端由第一天线臂1外部伸入至第一储液槽8中的镓基液态金属内、并延伸至第一储液槽8和第一通道9连接处，另一端与同轴主馈线一端连接，另一条同轴分馈线的一端由第二天线臂2 外部伸入至第二储液槽10中的镓基液态金属内、并延伸至第二储液槽10和第二通道11 连接处，另一端与同轴主馈线一端连接；同轴主馈线另一端与偏置器6的输出端通过导线连接，偏置器6的输入端与电源5的正极通过导线连接；
第一电感3的一端伸入第一天线臂1中远离第二天线臂2的第一储液槽8内的NaOH溶液内，第一电感3的另一端与电源5的负极连接；第二电感4的一端伸入第二天线臂2 中远离第一天线臂1的第二储液槽10内的NaOH溶液内，第二电感4的另一端与电源5 的负极连接。
本实施方式具备以下有益效果：
液态金属可以对电压进行响应而发生长度的改变，从而使整个液态金属天线长度发生变化，最终获得频率能够自由调控的电驱动液态金属可重构天线。液态金属液滴存储于第一储液槽8和第二储液槽10中，液滴与NaOH溶液接触后呈球状。将第一储液槽8和第二储液槽10中液态金属一侧同时接直流稳压电源正极，且施加电压时，液态金属液滴将发生变形，液滴头部缓慢进入第一通道9和第二通道11内，液态金属长度增加；NaOH 能够消除液态金属表面的氧化膜，通电后在电场的诱导下液态金属表面的表面会生成氧化膜，因此整个液态金属长度增加过程中液态金属存在着氧化膜消除和再生。将施加电压减小时液态金属会维持自身长度基本不变，此时频率固定。液态金属的体积和NaOH溶液浓度会影响液态金属液滴发生变形所需电压、以及液态金属维持自身长度不变时所需电压，当液态金属的体积或NaOH溶液浓度改变时，对施加电压进行适当调整即可以实现液态金属长度的控制。
本实施方式只需要提供较小的电压即可实现一定范围内天线频率的重构，与通过机械的方式改变液态金属天线长度的天线相比结构简单，并且通过电场驱动实现液态金属长度的改变准确性高，精度高，节约资源、智能安全。本实施方式天线为偶极子天线，常用作阵列天线的单元，适合水平搭载，因而对拓展液态金属天线阵列的设计奠定了基础。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述第一储液槽8的宽度和第一通道9的宽度比为(10～11):1，第一储液槽8的开口朝向第一通道9的端部开口、且第一储液槽8的开口大于第一通道9的端部开口，第一储液槽8的开口侧壁和第一通道 9的端部开口侧壁通过第一过渡板12连接；所述第二储液槽10的宽度和第二通道11的宽度比为(10～11):1，第二储液槽10的开口朝向第二通道11的端部开口、且第二储液槽10的开口大于第二通道11的端部开口，第二储液槽10开口的开口侧壁和第二通道11 的端部开口侧壁通过第二过渡板13连接。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述NaOH溶液与镓基液态金属的体积比为(10～20):1；NaOH溶液和镓基液态金属的总体积占储液槽和通道的总体积的80～100％。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述NaOH溶液的浓度为0.1～5mol/L。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述第一天线臂 1和第二天线臂2的材质为聚二甲基硅氧烷。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述第一电感3 和第二电感4为1μH的工字型电感。其他步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述液态金属为 GaIn10、Ga75In25、Ga62.5In21.5Sn16、Ga68.5In21.5Sn10或GaIn29Zn4中的一种或多种任意比例的混合物。其他步骤和参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述电源5为直流稳压电源。其他步骤和参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：结合图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述偏置器6的输入端与电源5之间设置有时控开关14。其他步骤和参数与具体实施方式一至八之一相同。通过时控开关14的通断能够使电源5对液态金属间歇供电，对液态金属间歇供电能够使液态金属恢复至原长度或恢复至球状，间歇供电时，供电间歇时间可以为1s，供电时间为1s，即一个开-关循环为2S。
实施例1：
结合图1～6说明本实施例，本实施例频率可重构的电驱动液态金属偶极子天线由第一天线臂1、第二天线臂2、第一电感3、第二电感4、电源5、偏置器6和同轴馈线组7 构成；
第一天线臂1和第二天线臂2为长条形，第一天线臂1内部沿长度方向设置有第一通道9，第一通道9两端分别设置有第一储液槽8；第二天线臂2内部沿长度方向设置有第二通道11，第二通道11两端分别设置有第二储液槽10；第一通道9与其两端的第一储液槽8相连通，第二通道11与其两端的第二储液槽10相连通；
第一通道9和第二通道11并列设置在同一水平面内、且第一通道9的长度方向中线和第二通道11的长度方向中线处于同一直线上，第一天线臂1和第二天线臂2中相邻的第一储液槽8和第二储液槽10内填充有镓基液态金属，第一天线臂1和第二天线臂2中相远离的第一储液槽8和第二储液槽10内、以及第一通道9和第二通道11内填充有NaOH 溶液；
同轴馈线组7包括同轴主馈线和两条同轴分馈线，其中一条同轴分馈线的一端由第一天线臂1外部伸入至第一储液槽8中的镓基液态金属内、并延伸至第一储液槽8和第一通道9连接处，另一端与同轴主馈线一端连接，另一条同轴分馈线的一端由第二天线臂2 外部伸入至第二储液槽10中的镓基液态金属内、并延伸至第二储液槽10和第二通道11 连接处，另一端与同轴主馈线一端连接；同轴主馈线另一端与偏置器6的输出端通过导线连接，偏置器6的输入端与电源5的正极通过导线连接；偏置器6的输入端与电源5的正极通过导线连接后能够获得天线信号，偏置器6用于整合直流信号和RF信号，共同反馈给同轴馈线馈电，也避免了直流电流对天线性能的影响。
第一电感3的一端伸入第一天线臂1中远离第二天线臂2的第一储液槽8内的NaOH溶液内，第一电感3的另一端与电源5的负极连接；第二电感4的一端伸入第二天线臂2 中远离第一天线臂1的第二储液槽10内的NaOH溶液内，第二电感4的另一端与电源5 的负极连接；
所述第一天线臂1和第二天线臂2的材质为聚二甲基硅氧烷；
所述第一电感3和第二电感4为1μH的工字型电感；
所述NaOH溶液的浓度为0.2mol/L；
所述第一储液槽8的宽度h1和第一通道9的宽度h2比为10:1，第一储液槽8的开口朝向第一通道9的端部开口、且第一储液槽8的开口大于第一通道9的端部开口，第一储液槽8的开口侧壁和第一通道9的端部开口侧壁通过第一过渡板12连接；所述第二储液槽10的宽度h3和第二通道11的宽度h4比为10:1，第二储液槽10的开口朝向第二通道11的端部开口、且第二储液槽10的开口大于第二通道11的端部开口，第二储液槽10 开口的开口侧壁和第二通道11的端部开口侧壁通过第二过渡板13连接。
所述NaOH溶液与镓基液态金属的体积比为20:1；NaOH溶液和镓基液态金属的总体积占储液槽和通道的总体积的90％，镓基液态金属的质量为1g；
所述液态金属为Ga75In25；
所述电源5为直流稳压电源。
本实施例中，液态金属液滴存储于第一储液槽8和第二储液槽10中，液滴与NaOH溶液接触后呈球状，将第一储液槽8和第二储液槽10中液态金属一侧同时接直流稳压电源正极，且施加3～15V电压时，液态金属液滴将发生变形，液滴头部缓慢进入第一通道 9和第二通道11内，液态金属长度增加；NaOH能够消除液态金属表面的氧化膜，通电后在电场的诱导下液态金属表面的表面会生成氧化膜，因此整个液态金属长度增加过程中液态金属存在着氧化膜消除和再生。将施加电压减小至0.1V～1V时液态金属会维持自身长度基本不变，此时频率固定。
图1为实施例1频率可重构的电驱动液态金属偶极子天线的结构示意图；图2为实施例1频率可重构的电驱动液态金属偶极子天线的结构示意图沿第一通道9和第二通道11的竖向剖视图；图3为第一天线臂1的水平截面图；图4为第二天线臂2的水平截面图；由图3和图4可知，第一天线臂1和第二天线臂2中第一过渡板12和第二过渡板13的设置使得储液槽的宽度逐渐变小，液态金属为流体，通电后液态金属长度增加，液态金属进入第一通道9和第二通道11过程中，储液槽和通道之间的过渡处作为液态金属通道，通道的截面为由大至小逐渐缓和过渡，能够防止流动速度会骤然增加，使液态金属前端流动时可以贴合通道壁，并且液态金属的流速平稳，有利于天线的稳定。
图5为实施例1中第一天线臂1和第二天线臂2的分层结构示意图，第一天线臂1 和第二天线臂2为多层结构复合而成，例如，第一天线臂1中的第一通道9的侧壁、第一储液槽8的侧壁b、第一通道9的顶板c和底板a之间能够通过粘接或等离子键合的复合方式制备；
在实施例1改变电压将通道内的液态金属驱动至长度分别为：90mm、82mm、74mm、68mm和60mm，并分别测试天线的反射系数随频率的变化，图6为实施例1中频率可重构的电驱动液态金属偶极子天线的反射系数随频率的变化曲线图；图6中■对应90mm，●对应82mm，▲对应74mm，▼对应68mm，◆对应60mm；图6能够看出，随着液态金属长度的增加，天线的工作频率减小，即实现了效果较好的天线频率可重构，控制精度高。实施例1中频率可重构的电驱动液态金属偶极子天线的通信频段在1.60～2.51GHz之间，属于UHF频段的偶极子天线。

Claims (7)

1.一种频率可重构的电驱动液态金属偶极子天线，其特征在于：该天线由第一天线臂(1)、第二天线臂(2)、第一电感(3)、第二电感(4)、电源(5)、偏置器(6)和同轴馈线组(7)构成；
第一天线臂(1)和第二天线臂(2)为长条形，第一天线臂(1)内部沿长度方向设置有第一通道(9)，第一通道(9)两端分别设置有第一储液槽(8)；第二天线臂(2)内部沿长度方向设置有第二通道(11)，第二通道(11)两端分别设置有第二储液槽(10)；第一通道(9)与其两端的第一储液槽(8)相连通，第二通道(11)与其两端的第二储液槽(10)相连通；第一通道(9)和第二通道(11)的形状和尺寸相同，第一储液槽(8)和第二储液槽(10)的形状和尺寸相同；
第一通道(9)和第二通道(11)并列设置在同一水平面内、且第一通道(9)的长度方向中线和第二通道(11)的长度方向中线处于同一直线上，第一天线臂(1)和第二天线臂(2)中相邻的第一储液槽(8)和第二储液槽(10)内填充有镓基液态金属，第一天线臂(1)和第二天线臂(2)中相远离的第一储液槽(8)和第二储液槽(10)内、以及第一通道(9)和第二通道(11)内填充有NaOH溶液；
同轴馈线组(7)包括同轴主馈线和两条同轴分馈线，其中一条同轴分馈线的一端由第一天线臂(1)外部伸入至第一储液槽(8)中的镓基液态金属内、并延伸至第一储液槽(8)和第一通道(9)连接处，另一端与同轴主馈线一端连接，另一条同轴分馈线的一端由第二天线臂(2)外部伸入至第二储液槽(10)中的镓基液态金属内、并延伸至第二储液槽(10)和第二通道(11)连接处，另一端与同轴主馈线一端连接；同轴主馈线另一端与偏置器(6)的输出端通过导线连接，偏置器(6)的输入端与电源(5)的正极通过导线连接；
第一电感(3)的一端伸入第一天线臂(1)中远离第二天线臂(2)的第一储液槽(8)内的NaOH溶液内，第一电感(3)的另一端与电源(5)的负极连接；第二电感(4)的一端伸入第二天线臂(2)中远离第一天线臂(1)的第二储液槽(10)内的NaOH溶液内，第二电感(4)的另一端与电源(5)的负极连接；
所述偏置器(6)的输入端与电源(5)之间设置有时控开关(14)，通过时控开关(14)的通断能够使电源(5)对液态金属间歇供电，对液态金属间歇供电使液态金属恢复至原长度或恢复至球状；
所述第一储液槽(8)的宽度和第一通道(9)的宽度比为(10～11):1，第一储液槽(8)的开口朝向第一通道(9)的端部开口、且第一储液槽(8)的开口大于第一通道(9)的端部开口，第一储液槽(8)的开口侧壁和第一通道(9)的端部开口侧壁通过第一过渡板(12)连接；所述第二储液槽(10)的宽度和第二通道(11)的宽度比为(10～11):1，第二储液槽(10)的开口朝向第二通道(11)的端部开口、且第二储液槽(10)的开口大于第二通道(11)的端部开口，第二储液槽(10)开口的开口侧壁和第二通道(11)的端部开口侧壁通过第二过渡板(13)连接。
2.根据权利要求1所述的频率可重构的电驱动液态金属偶极子天线，其特征在于：所述NaOH溶液与镓基液态金属的体积比为(10～20):1；NaOH溶液和镓基液态金属的总体积占储液槽和通道的总体积的80～100％。
3.根据权利要求1所述的频率可重构的电驱动液态金属偶极子天线，其特征在于：所述NaOH溶液的浓度为0.1～5mol/L。
4.根据权利要求1所述的频率可重构的电驱动液态金属偶极子天线，其特征在于：所述第一天线臂(1)和第二天线臂(2)的材质为聚二甲基硅氧烷。
5.根据权利要求1所述的频率可重构的电驱动液态金属偶极子天线，其特征在于：所述第一电感(3)和第二电感(4)为1μH的工字型电感。
6.根据权利要求1所述的频率可重构的电驱动液态金属偶极子天线，其特征在于：所述液态金属为GaIn10、Ga75In25、Ga62.5In21.5Sn16、Ga68.5In21.5Sn10或GaIn29Zn4中的一种或多种任意比例的混合物。
7.根据权利要求1所述的频率可重构的电驱动液态金属偶极子天线，其特征在于：所述电源(5)为直流稳压电源。
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