CN111162372B - 一种基于液态金属的功能可重构天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液态金属的功能可重构天线，包括：基板单元，用于圆极化天线的匹配和馈电；所述基板单元上固定连接有圆柱体结构，所述圆柱体结构上固定连通有倒圆锥体，所述倒圆锥体的圆形平面上连通设置有四个圆柱体，每个圆柱体上连通有盘旋设置的螺旋体，所述螺旋体上设置有孔；所述介质板上还固定连通有螺旋状圆柱体，所述螺旋体、圆柱体、螺旋状圆柱体圆柱体结构和倒圆锥体内注入液态金属。该天线具有结构紧凑、设计简洁、切换简便等优点，非常适合用于RFID以及卫星通信系统中。

Description

一种基于液态金属的功能可重构天线

技术领域

本发明涉及线极化天线和圆极化天线技术领域，尤其涉及一种基于液态金 属的功能可重构天线。

背景技术

随着无线通信系统的快速发展，可重构天线的研究越来越受到关注，极化 可重构天线在无线通信中有着广泛的应用，通常来说，可重构天线存在三种类 型：频率可重构；极化可重构以及方向图可重构，极化可重构天线，较常见的 是在天线馈电网络或者辐射单元中引入PIN管微波开关，射频MEMS开关或 变容二极管等微波开关，通过控制开关的通断改变辐射体上的电流分布，从而 实现多种极化方式的切换。这种方式存在可重构极化种类少、机械故障，材料 疲劳和带宽较窄的问题。

线极化天线和圆极化天线在实际应用中，都有其适用场合，若天线兼具线 极化和圆极化工作方式，就使得该天线可以适用于更多的通信环境。所以，多 重极化方式的可重构天线具有很大的应用前景。而纵观当前人们提出的极化可 重构天线，多是实现定向天线的重构或者线极化和圆极化天线的重构，而同时 实现全向天线、定向天线的重构及线极化和圆极化的重构的天线的研究成果较 少。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于液态金属的功能可重构 天线，包括：基板单元，用于圆极化天线的匹配和馈电；所述基板单元上固定 连接有圆柱体结构，所述圆柱体结构上固定连通有倒圆锥体，所述倒圆锥体的 圆形平面上连通设置有四个圆柱体，每个圆柱体上连通有盘旋设置的螺旋体； 所述介质板上还固定连通有螺旋状圆柱体，所述螺旋体、圆柱体、螺旋状圆柱 体圆柱体结构和倒圆锥体内注有液态金属，所述螺旋体和螺旋状圆柱体的顶部 设置有孔所述圆柱体结构的底部和螺旋状圆柱体的底部设置有将液态金属注入 的注入结构；

所述基板单元和螺旋状圆柱体构成定向圆极化螺旋天线。

所述基板单元、圆柱体结构以及倒圆锥体构成全向宽带线极化天线；

所述基板单元、圆柱体结构、倒圆锥体、圆柱体构成方向图可重构的线极 化天线；

所述基板单元、圆柱体结构、倒圆锥体、圆柱体和螺旋体构成全向圆极化 天线；

工作状态下通过控制注入结构的开启时间控制注入液态金属在向圆极化螺 旋天线、可重构天线的位置从而选择对应的天线类型。。

所述基板单元还包括铜丝、探针、第一介质板、第二介质板和用于天线的 匹配和馈电的贴片；

所述探针固定连接在与地板接触的第二介质板上底面上，所述第二介质板 的上表面与贴片相连接，所述第一介质板设置在贴片的上表面，所述铜丝设置 在第一介质板的上表面。

所述贴片包括第一连接部和第二连接部，所述第一连接部通过铜丝与圆柱 体结构相连接，所述第二连接部通过铜丝与螺旋状圆柱体相连接。

所述螺旋体、圆柱体、螺旋状圆柱体、圆柱体结构和倒圆锥体均采用3D打 印技术的光敏聚合物树脂材料构成、内部具有容纳液态金属的空腔结构。

所述注入结构为栓或泵。

由于采用了上述技术方案，本发明采用液态金属设计一种可实现多重极化 方式的液态金属可重构天线，可实现圆极化定向波束可重构天线、线极化全向 波束、定向波束的方向图可重构天线及圆极化全向可重构天线；该天线具有结 构紧凑、设计简洁、切换简便等优点，非常适合用于RFID以及卫星通信系统中。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的 附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不 付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于液态金属的功能可重构天线的结构示意图；

图2(a)为本发明基于液态金属的功能可重构天线的结构示意图；

图2(b)为本发明基于液态金属的功能可重构天线的结构示意图；

图3为本发明中反射系数与频率之间的变化曲线示意图；

图4为本发明中轴比变化曲线示意图；

图5为本发明中天线的左旋和右旋方向性图；

图6为本发明中反射系数与频率之间的变化曲线图；

图7为本发明中2.4GHz时垂直极化全向天线仿真方向图，其中图7(a) xoy面，图7(b)xoz面；

图8为本发明中2.4GHz时仿真三维辐射方向图

图9为本发明中圆柱体结构的俯视图；

图10为本发明中2.4GHz时垂直极化全向天线仿真方向图；图10(a)xoz 面；图10(b)yoz面；图10(c)xoz面；图10(d)yoz面；

图11为本发明中反射系数随频率变化的曲线图；

图12为本发明中轴比曲线示意图；

图13为本发明中方向性图，图13(a)为xoy平面图，图13(b)为xoz 平面；

图14为本发明中2.4GHz时仿真三维辐射方向图；

图15为本发明中贴片的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

由于线极化天线和圆极化天线在实际应用中都有其适用场合，若天线兼具 线极化和圆极化工作方式，就使得该天线可以适用于更多的通信环境。因此本 发明公开了如图1所示的一种基于液态金属的功能可重构天线，整体上分为四 种工作模式，四种工作模式为：模式一：螺旋状圆柱体3和基板单元5.8构成定 向圆极化螺旋天线；模式二：基板单元5.8、圆柱体结构4以及倒圆锥体41构 成全向宽带线极化天线；模式三：基板单元5.8、圆柱体结构4、倒圆锥体41、 圆柱体2构成方向图可重构的线极化天线；模式四：基板单元5.8、圆柱体结构 4、倒圆锥体41、圆柱体2和螺旋体1构成全向圆极化天线。所述螺旋体1、圆 柱体2螺旋状圆柱体3圆柱体结构4和倒圆锥体41内注入液态金属9。控制液 态金属9注入的方式为：所述螺旋体1和螺旋状圆柱体3的顶部设置有孔11， 所述圆柱体结构4的底部和螺旋状圆柱体3的底部设置有将液态金属9注入的 注入结构31。在圆柱体结构4的底部可以用泵入的方式将液态金属9注入，通 过控制注入结构31开的时间，可以控制注入液态金属9的部位，即通过控制注 入结构31的开启时间从而控制注入液态金属9注入的多少从而实现定向圆极化 螺旋天线。通过控制打开注入结构31的时间控制注入液态金属9在该可重构天 线的位置从而选择对应的天线类型。

优选的，所述注入结构31可以选取栓或泵，技术人员可以根据实际需要选 择对应的装置。

例如假设使天线工作于模式三，则当液态金属注入圆柱体2后，将注入结 构31关闭，即可形成方向图可重构的线极化天线。

进一步的，所述基板单元5.8包括铜丝5.1、探针5.2、第一介质板6.1、第 二介质板6.2和用于天线的匹配和馈电的贴片7，其中贴片7设置在第二介质板 6.2的上表面，第一介质板6.1设置在贴片7的上表面，贴片7用来馈电、匹配 部分应用椎体来调节。

进一步的，设计天线底部应用两层介质板即第一介质板6.1和第二介质板 6.2，介质板间隔为5mm。本发明中使用的介质衬底为F4B衬底，厚度为1.5mm， 相对介电常数为3，损耗因数为0.019。第二层介质板上面，设计一个金属单极 子贴片7，用于天线的匹配和馈电，如图2所示。用于馈电及圆极化天线匹配。 介质板的尺寸为：140mm*140mm*1.5mm。

进一步的，如图2所示，所述贴片7包括第一连接部71和第二连接部72， 所述第一连接部71通过铜丝5.1与圆柱体结构4相连接、再与探针5.2相连接， 第二连接部72通过铜丝5.1与螺旋状圆柱体3相连接。

进一步的，模式一：所述螺旋状圆柱体3和基板单元5.8构成定向圆极化螺 旋天线。随着全球卫星导航系统的迅猛发展，GNSS天线的研究也越来越受到关 注。目前大多数的天线只能覆盖单一的频带，或工作在某一个系统，效率低， 因此多频带GNSS天线具有非常广阔的应用空间，其中模式一可用于GNSS频 段。

作为优选的方式，天线是由螺旋状圆柱体3和可在内部填充的液态金属组 成。螺旋天线的参数方程为：

x＝R*cos t

y＝R*sin t

其中，R为螺旋天线的半径，R＝45mm，α为起始升角。参数t定义为螺旋 环绕过程的弧度变化，取值范围为(0,2πN)。为了降低剖面，选取t＝2π，即螺旋 环绕一圈。底部为单极子贴片，通过馈电探针在底部馈电。同时通过调整单极 子贴片的尺寸来进行阻抗匹配。

进一步的，模式一的仿真过程如图3所示，反射系数<-10dB的频率范围为 871-1765MHz。可见，覆盖全部导航频率，此螺旋天线可用于用于GNSS频段， 且输入取得了良好的阻抗匹配。图4为液态金属螺旋天线的轴比随频率变化曲 线。设计的液态金属锥形螺旋天线为右旋圆极化，其左旋(LHCP)与右旋(RHCP) 圆极化场的仿真方向性图如图5所示。从图中可以看出xoz平面和yoz平面的交 叉极化隔离度均超过15dB，达到了实际工程要求。

进一步的，模式二实现的是全向宽带线极化天线，工作于2.4GHz附近， 满足于通信频段的使用。该模式具体包括基板单元5.8、圆柱体结构4以及倒圆 锥体41构成全向宽带线极化天线，此结构可有效展宽带宽，圆柱体结构4用于 调整带宽，通过馈电探针在底部馈电。

进一步的，模式二的仿真过程：全向宽带线极化仿真回波损耗如图6所示， 在1.92-2.59带宽内回波损耗大于10dB，表现出良好的阻抗匹配特性。图7给出 了仿真所得在2.4GHz时主平面归一化辐射方向图。垂直面(xoz面)增益起伏 小于1.5dB，水平极化分量(垂直极化(E)约为-20dB，显示该天线具有良好 的垂直极化全向辐射特性。

作为优选的方式，模式三中基板单元5.8、圆柱体结构4、倒圆锥体41、圆 柱体2构成方向图可重构的线极化天线，四个圆柱体结构4对称放置在倒圆锥 体41的平面上，均匀间隔90°。如图9所示。当将液态金属9注入不同位置的 圆柱体结构4作为反射器时，天线的辐射被偏转到相反的方向以实现光束切换。

进一步的，模式三的仿真过程：通过改变圆柱体结构4的状态，可以实现 波束转向，其中理论上研究了反射机制的效果并通过仿真验证。所提出的天线 可以根据四个不同的最大辐射方向产生不同的四个方向图。注入一极时，液态 金属，宽光束将向相反方向偏转，如图10所示，分别注入四个圆柱体结构4， 得到如下的方向性图，分别为xoz平面和yoz平面。

作为优选的方式，模式四为：基于模式3的结构，设计一种全向左旋圆极 化天线，该天线具有宽带宽、结构紧凑、电路简单等特点，具有良好辐射性能。 具体包括所述基板单元5.8、圆柱体结构4、倒圆锥体41圆柱体2和螺旋体1， 其中圆极化幅射波在特殊的无线通信系统中有着重要作用，例如射频识别技术 RFID系统中，RFID探头均采用圆极化幅射波。全向圆极化天线的螺旋体的结 构与模式一的结构一致，螺旋天线的参数方程为公式一。外层为介质材料形成 的腔体，壁厚2mm，当内部填充液态金属后，A、B和C三部分形成全向左旋圆极化天线。如图13所示。四根螺旋体1的参数方程为公式1，其中参数如下 表：

R	α	t
			22cm	18°	1.2π

进一步的，模式四的仿真过程：图11为反射系数随频率变化的曲线，反射 系数<-10dB的频率范围为871-1765MHz。可见，图12为液态金属螺旋天线的 轴比随频率变化规律，液态金属锥形螺旋天线在频率范围内，轴比小于3dB的 频率范围为：图13给出了在2.4GHz时左旋圆极化时仿真所得主平面归一化 辐射方向图，仿真结果显示该天线显示了良好极化特性。仿真结果显示该天线 在水平面(xoy)都实现了全向均匀辐射，两者在垂直面(xoz)方向图为“∞”型。 该天线实现了宽带的全向左旋圆极化

从上述测试结果可以看出，该天线实现了宽带的全向左旋圆极化.与此同 时，该天线具有结构紧凑、设计简洁等特点。非常适合用于RFID以及卫星通信 系统中。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本 发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。

Claims (4)

1.一种基于液态金属的功能可重构天线，其特征在于包括：

基板单元（5.8），用于圆极化天线的匹配和馈电；所述基板单元（5.8）上固定连接有圆柱体结构（4），所述圆柱体结构（4）上固定连通有倒圆锥体（41），所述倒圆锥体（41）的圆形平面上连通设置有四个圆柱体（2），每个圆柱体（2）上连通有盘旋设置的螺旋体（1）；所述基板单元（5.8）上还固定连通有螺旋状圆柱体（3），所述螺旋体（1）、圆柱体（2）、螺旋状圆柱体（3）圆柱体结构（4）和倒圆锥体（41）内注有液态金属（9），所述螺旋体（1）和螺旋状圆柱体（3）的顶部设置有孔（11），所述圆柱体结构（4）的底部和螺旋状圆柱体（3）的底部设置有将液态金属（9）注入的注入结构（31）；

所述基板单元（5.8）和螺旋状圆柱体（3）构成定向圆极化螺旋天线；

所述基板单元（5.8）、圆柱体结构（4）以及倒圆锥体（41）构成全向宽带线极化天线；

所述基板单元（5.8）、圆柱体结构（4）、倒圆锥体（41）、圆柱体（2）构成方向图可重构的线极化天线；

所述基板单元（5.8）、圆柱体结构（4）、倒圆锥体（41）、圆柱体（2）和螺旋体（1）构成全向圆极化天线；

工作状态下通过控制注入结构（31）的开启时间控制注入液态金属（9）在向圆极化螺旋天线、可重构天线的位置从而选择对应的天线类型；

所述基板单元（5.8）还包括铜丝（5.1）、探针（5.2）、第一介质板（6.1）、第二介质板（6.2）和用于天线的匹配和馈电的贴片（7）；

所述探针（5.2）固定连接在与地板接触的第二介质板（6.2）上底面上，所述第二介质板（6.2）的上表面与贴片（7）相连接，所述第一介质板（6.1）设置在贴片（7）的上表面，所述铜丝（5.1）设置在第一介质板（6.1）的上表面；

设参数t定义为螺旋环绕过程的弧度变化，取值范围为(0,2πN)，选取t=2π，即螺旋环绕一圈。

2.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的功能可重构天线，其特征还在于：所述贴片（7）包括第一连接部（71）和第二连接部（72），所述第一连接部（71）通过铜丝（5.1）与圆柱体结构（4）相连接、同时与探针（5.2）相连接，所述第二连接部（72）通过铜丝（5.1）与螺旋状圆柱体（3）相连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的功能可重构天线，其特征还在于：所述螺旋体（1）、圆柱体（2）、螺旋状圆柱体（3）、圆柱体结构（4）和倒圆锥体（41）均采用3D打印技术的光敏聚合物树脂材料构成、内部具有容纳液态金属（9）的空腔结构。

4.根据权利要求2-3任意一项所述的一种基于液态金属的功能可重构天线，其特征还在于：所述注入结构（31）为栓或泵。

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