CN113054416B - 一种液态金属可重构天线馈电电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液态金属和可重构微波器件技术领域，公开了一种液态金属可重构天线馈电电路，包括介质基板部分和置于介质基板上方的液态电路，介质基板上表面印制固定金属微带线，下表面为金属地板。液态电路内的液态金属与谐振器连接，通过调节液态电路中液态金属的长度，可改变谐振器的谐振频率，继而调节该天线馈电电路的工作通带数和工作频率。本电路与以往的可重构馈电电路相比，将滤波器与馈电电路作为一个整体，使电路在具备滤波功能的同时减小了电路尺寸；仅增加液体电路便实现频率可重构和通带可重构，结构简单便于控制；通过注射泵控制液体电路内液态金属的长度，实现频率的连续可调；液态金属采用镓铟锡合金，可在零度以下环境温度中工作，且成本低，无毒。

Description

一种液态金属可重构天线馈电电路

技术领域

本发明涉及液态金属和可重构微波器件技术领域，具体涉及一种液态金属可重构天线馈电电路。

背景技术

随着无线移动通信的飞速发展和宽带数据业务的不断增长，频谱资源也变得愈加紧张。因此，为了提高频谱资源利用率，降低生产成本，提高电路系统集成度，设计研究可以工作在多个工作频段的可重构天线以及天线馈电电路已成为目前科学研究的一个发展方向。同时，在RF前端中，滤波器的设计是必不可少的，直接级联滤波器虽然达到能够达到滤波的功能，但是，随之而来的后果就是使得系统变得复杂，尺寸和损耗也会变大，因此将滤波器与馈电电路作为一个整体进行集成设计就显得很有必要。

具有滤波功能和频率可重构功能的天线馈电电路的能实现小型化、多功能集成化，同时也可解决日趋紧张的频谱资源问题。目前来说，主要使用加载大量集总原件、增加电子开关等方法实现可重构天线馈电电路，但是这些方法存在功耗低，控制电路结构复杂的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液态金属可重构天线馈电电路，该电路具有滤波功能、频率可重构功能以及通带可重构功能。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种液态金属可重构天线馈电电路，包括介质基板、以及印制在其上的输入耦合微带线、输出耦合微带线、谐振器；

其中，所述输入耦合微带线和输出耦合微带线平行设置，多个谐振器设置在输入耦合微带线和输出耦合微带线之间，每个谐振器的一端连接液态电路，多个谐振器的数量为偶数，通过液态电路中的态金属的长度改变谐振器的工作频率和工作通带数，实现频率重构和通带重构。

优选的，所述液态电路包括微流体通道，以及灌注在微流体通道中的液态金属，微流体通道的一端与谐振器的端部连接。

优选的，所述微流体通道包括通道本体，通道本体的底部设置有底部开口的流通槽，通道本体设置在介质基板的表面，液态金属位于流通槽中，流通槽的两端设置有注射孔。

优选的，所述通道本体采用聚二甲基硅氧烷材料制作。

优选的，所述多个谐振器包括至少两个四分之一波长均匀谐振器和至少两个枝节加载谐振器；

所述四分之一波长均匀谐振器设置在输入耦合微带线和输出耦合微带线的两端，枝节加载谐振器位于输入耦合微带线和输出耦合微带线之间。

优选的，所述四分之一波长均匀谐振器为四个，四个四分之一波长均匀谐振器沿介质基板的轴中心对称设置，同侧的两个四分之一波长均匀谐振器的接地通孔相连接，四分之一波长均匀谐振器的另一端连接液态电路。

优选的，所述枝节加载谐振器的数量为四个，四个枝节加载谐振器沿介质基板的轴中心对称设置，同侧的两个枝节加载谐振器沿介质基板的水平中心对称设置。

优选的，所述枝节加载谐振器包括开路谐振器，以及加载在开路谐振器上的短路枝节，开路谐振器的一端连接液态电路。

优选的，所述液态金属为镓铟锡合金。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供一种液态金属可重构天线馈电电路，在谐振器的端部设置液态电路，通过改变液态电路中液态金属的长度，通道内液态金属的长度，使谐振器的谐振频率发生偏移，从而实现天线馈电电路的频率可重构和通带可重构。本电路与以往的可重构馈电电路相比，仅增加微流体通道便实现频率可重构和通带可重构，结构简单便于控制；通过控制微流体通道内液态金属的长度，实现频率的连续可调，通过组合谐振器，将滤波器与馈电电路作为一个整体，减小了电路尺寸。同时，液态金属不仅可以良好的接收信号，且反复弯曲也不会导致材料的断裂和弯折；在外力作用下延展或被截断时能够自我修复，维持连续不断的传导性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于一种液态金属可重构天线馈电电路结构示意图。

图2是本发明实施例提供介质基板上表面印制微带线结构示意图。

图3是本发明实施例提供的液态电路结构示意图。

图3a为第一液态电路的主视图，图3b为第一液态电路的仰视图；

图3c为第五液态电路的主视图，图3d为第五液态电路的仰视图。

图4是本发明实施例提供的液态电路201-204为空，改变液态电路301-304内液态金属长度的|S₁₁|参数图。

图5是本发明实施例提供的液态电路201-204为空，改变液态电路301-304内液态金属长度的|S₂₁|参数图。

图6是本发明实施例提供的液态电路201-204为空，改变液态电路301-304内液态金属长度的|S₃₁|参数图。

图7是本发明实施例提供的液态电路201-204为空，改变液态电路301-304内液态金属长度的|S₂₃|参数图。

图8是本发明实施例提供的液态电路201-204内液态金属长度为4mm，改变液态电路301-304内液态金属长度的|S₁₁|参数图。

图9是本发明实施例提供的液态电路201-204内液态金属长度为4mm，改变液态电路301-304内液态金属长度的|S₂₁|参数图。

图10是本发明实施例提供的液态电路201-204内液态金属长度为4mm，改变液态电路301-304内液态金属长度的|S₃₁|参数图。

图11是本发明实施例提供的液态电路201-204内液态金属长度为4mm，改变液态电路301-304内液态金属长度的|S₂₃|参数图。

图12是本发明实施例提供的液态电路301-304内液态金属长度为5mm，改变液态电路201-204内液态金属长度的|S₁₁|参数图。

图13是本发明实施例提供的液态电路301-304内液态金属长度为5mm，改变液态电路201-204内液态金属长度的|S₂₁|参数图。

图14是本发明实施例提供的液态电路301-304内液态金属长度为5mm，改变液态电路201-204内液态金属长度的|S₃₁|参数图。

图15是本发明实施例提供的液态电路301-304内液态金属长度为5mm，改变液态电路201-204内液态金属长度的|S₂₃|参数图。

其中，1、微带线输入端口；2、微带线输出端口3、微带线输入端口；4、输入耦合微带线；5、输出耦合微带线；6、第一枝节加载谐振器；7、第二枝节加载谐振器；8、第三枝节加载谐振器；9、第四枝节加载谐振器；10、第一四分之一波长均匀谐振器；11、第三四分之一波长均匀谐振器；12、第二四分之一波长均匀谐振器；13、第四四分之一波长均匀谐振器；14、贴片电阻；101、介质基板；201、第一液态电路；202、第三液态电路；203、第二液态电路，204、第四液态电路；301、第五液态电路；302、第六液态电路；303、第七液态电路；304、第八液态电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，一种液态金属可重构天线馈电电路，包括介质基板101、以及印制在其上的输入耦合微带线4、输出耦合微带线5、四分之一波长谐振器和枝节加载谐振器。

其中，输入耦合微带线4和输出耦合微带线5平行设置，四分之一波长位于输入耦合微带线4和输出耦合微带线5的两端，枝节加载谐振器位于输入耦合微带线4和输出耦合微带线5之间。

四分之一波长谐振器和枝节加载谐振器的端部连接液态电路，通过控制液态电路中液态金属的长度改变枝节加载谐振器和四分之一波长谐振器的工作频率和工作通带数，实现频率重构功能和通带重构功能。

所述输入耦合微带线4和输出耦合微带线5同一端均设置有两个四分之一波长谐振器，两个四分之一波长谐振器的接地孔相互连接，两个四分之一波长谐振器的另一端分别连接一个液态电路。

所述枝节加载谐振器包括开路谐振器，以及加载在开路谐振器上的短路枝节，开路谐振器的尾端连接一个液态电路，调整任意一端开路微带线枝节长度，该结构的两个谐振频率随之发生改变。

所述液态电路包括微流体通道，以及灌注在其内部的液态金属，微流体通道的一端与对应连接的枝节加载谐振器或四分之一波长谐振器连接。

微流体通道包括通道本体，通道本体的底部设置有底部开口的流通槽，通道本体设置在介质基板的表面，液态金属位于流通槽中，流通槽的两端设置有注射孔，采用注射泵向注射孔注入液态金属，并控制液态电路内液态金属的长度，并且液态金属在流通槽处于稳定状态。

所述液态金属为镓铟锡合金。

通道本体采用聚二甲基硅氧烷材料制作。

输出耦合微带线5的数量为两个，两个输出耦合微带线5位于同一直线上，两个输出耦合微带线之间设置有贴片电阻14连接，贴片电阻14焊接在介质基板101上。

两个输出耦合微带线5，其中一个输出耦合微带线5的端部连接微带线输出端口2，另一个输出耦合微带线5的端部连接第一微带线输入端口3，输入耦合微带线4的中部连接第二微带线输入端口1。

再次参阅图1，输入耦合微带线4和输出耦合微带线5之间设置有四个枝节加载谐振器，四个枝节加载谐振器沿介质基板的轴向中心对称设置，介质基板同侧的两个枝节加载谐振器沿介质基板的水平中心对称设置。

输入耦合微带线4的左侧设置第一四分之一波长均匀谐振器10和第二四分之一波长均匀谐振器12，第一四分之一波长均匀谐振器10和第二四分之一波长均匀谐振器12的接地孔相互连接，第一四分之一波长均匀谐振器10和第二四分之一波长均匀谐振器12的另一端分别连接第一液态电路201和第二液态电路203。

输入耦合微带线4的右侧设置第三四分之一波长均匀谐振器11和第四四分之一波长均匀谐振器13，第三四分之一波长均匀谐振器11和第四四分之一波长均匀谐振器13的接地孔相连接，第三四分之一波长均匀谐振器11和第四四分之一波长均匀谐振器13的另一端分别连接第三液态电路202和第四液态电路204。

当四分之一波长均匀谐振器上方的液态电路中不注入液态金属时，四分之一波长均匀谐振器与输入耦合微带线之间的耦合强度非常弱，该可重构天线馈电电路只有两个工作频带，向位于枝节加载谐振器上方的液态电路中注入不同长度的液态金属可改变第一个工作频率和第二个工作频率。

四个枝节加载谐振器分别为第一枝节加载谐振器6、第二枝节加载谐振器7、第三枝节加载谐振器8和第四枝节加载谐振器9。

第一枝节加载谐振器6的端部连接第五液态电路301，第二枝节加载谐振器7的端部连接第六液态电路302，第三枝节加载谐振器8的端部连接第七液态电路303，第四枝节加载谐振器8的端部连接第八液态电路304。

当8个独立的液态电路中均注入液态金属时，四分之一波长均匀谐振器与输入耦合微带线之间的耦合强度强，该可重构天线馈电电路可工作在三个频带；向枝节加载谐振器上方的液态电路中注入不同长度的液态金属可改变第一个工作频率和第二个工作频率；向位于四分之一波长均匀谐振器上方的液态电路中注入不同长度的液态金属可改变第三个工作频率。

在本发明的优选实施例中，介质基板材料选用相对介电常数为2.65，正切损耗角为0.003的F4B，介质基板101尺寸为：长度为64mm，宽度为43mm，高度为1mm。

贴片电阻选用封装尺寸为0805，阻值为200Ω。

如图2所示，介质基板101上表面印制固定微带线，4个枝节加载谐振器微带线尺寸完全相同且关于介质基板中心左右上下对称，4个四分之一波长均匀谐振器尺寸也完全相同且关于介质基板中心左右上下对称。

微带线尺寸如表1所示。

参数	W<sub>0</sub>	W<sub>1</sub>	W<sub>2</sub>	W<sub>3</sub>	L<sub>1</sub>
						值(mm)	1.5	1.5	1.2	0.7	5
参数	L<sub>2</sub>	L<sub>3</sub>	L<sub>4</sub>	L<sub>5</sub>	L<sub>6</sub>
						值(mm)	24	18	25.8	7.2	11.15
参数	L<sub>7</sub>	L<sub>8</sub>	L<sub>9</sub>	g<sub>1</sub>	g<sub>2</sub>
						值(mm)	10	8	5	0.3	0.9
参数	R<sub>1</sub>	R<sub>2</sub>
						值(mm)	0.5	0.7

表1

如图3a和3a所示，第一液态电路至第四液态电路的尺寸相同，微流体通圆柱孔的直径尺寸为d₁为1mm，通道本体的高度h₁为1.5mm，流通槽的高度h₂为0.8mm，流通槽的长度l₁为5mm，通道本体的长度l₂为8.7mm，通道本体的宽度w₄为4.6mm，流通槽的宽度w₅为0.7mm。

如图3c和3d所示，第五液态电路至第八液态电路的尺寸相同，微流体通圆柱孔的直径尺寸d₂为1.6mm，通道本体的高度h₃为1.5mm，流通槽的高度h₄为0.8mm，流通槽的长度l₃为12.8mm，通道本体的长度l₄为16.6mm，通道本体的宽度w₆为4.6mm，流通槽的宽度w₇为1.2mm。

参阅图4-7，当第一液态电路至第四液态电路的流通槽为空，改变第五液态电路至第八液态电路中液态金属的长度L_m2，并且第五液态电路至第八液态电路中液态金属的长度相同，得到|S₁₁|参数图，|S₂₁|参数图，|S₃₁|参数图和|S₂₃|参数图。图中可以看出，当第一液态电路至第四液态电路的流通槽为空，第五液态电路至第八液态电路中注入有液态金属时，该天线馈电电路有两个工作频带，工作频率随着301-304内液态金属长度L_m2的增大并向低频方向移动。调节L_m2变化范围为0mm-12mm，第一个通带频率变化范围为1.29GHz～1.46GHz,第二个通带变化范围为1.85GHz～2.38GHz。

参阅图8-11，当第一液态电路至第四液态电路中内液态金属长度L_m1为4mm，改变第五液态电路至第八液态电路中液态金属长度L_m2，并且第五液态电路至第八液态电路中液态金属的长度相同，得到|S₁₁|参数图，|S₂₁|参数图，|S₃₁|参数图，|S₂₃|参数图。图中可以看出，当第一液态电路至第四液态电路的液态金属长度L_m1为4mm，第五液态电路至第八液态电路注入液态金属时，该天线馈电电路有三个工作频带。随着第五液态电路至第八液态电路内液态金属长度L_m2的增大，前两个通带向低频方向移动，第三个工作频带基本保持不变。调节L_m2变化范围为1mm-12mm，第一个通带频率变化范围为1.29GHz～1.46GHz,第二个通带变化范围为1.94GHz～2.42GHz。

参阅图12-15，当第五液态电路至第八液态电路内液态金属长度L_m2为5mm，改变第一液态电路至第四液态电路内液态金属长度L_m1，并且第一液态电路至第四液态电路中液态金属的长度相同，得到|S₁₁|参数图，|S₂₁|参数图，|S₃₁|参数图，|S₂₃|参数图。图中可以看出，当第五液态电路至第八液态电路内液态金属长度L_m2为5mm，第一液态电路至第四液态电路注入液态金属时，该天线馈电电路有三个工作频带。随着第一液态电路至第四液态电路内液态金属长度L_m1的增大，第三个工作频带向低频方向移动，前两个通带基本保持不变。调节L_m1变化范围为2.5mm-4.5mm，第三个通带频率变化范围为3.17GHz～3.62GHz

本发明提供一种液态金属可重构天线馈电电路，包括介质基板部分和置于介质基板上方的液态电路。液态电路内的液态金属与谐振器连接，通过改变液体电路内液态金属的长度，使谐振器的谐振频率发生偏移，从而实现天线馈电电路的频率可重构和通带可重构。本电路与以往的可重构馈电电路相比，将滤波器与馈电电路作为一个整体，使电路在具备滤波功能的同时减小了电路尺寸；仅增加液态电路便实现频率可重构和通带可重构，结构简单便于控制；通过注射泵控制液态电路内液态金属的长度，实现频率的连续可调；液态金属采用镓铟锡合金，可在零度以下环境温度中工作，且成本低，无毒。

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。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种液态金属可重构天线馈电电路，其特征在于，包括介质基板(101)、以及印制在其上的输入耦合微带线(4)、输出耦合微带线(5)、谐振器；

其中，所述输入耦合微带线(4)和输出耦合微带线(5)平行设置，多个谐振器设置在输入耦合微带线(4)和输出耦合微带线(5)之间，每个谐振器的一端连接液态电路，多个谐振器的数量为偶数，通过液态电路中的态金属的长度改变谐振器的工作频率和工作通带数，实现频率重构和通带重构；

所述多个谐振器包括四分之一波长均匀谐振器和枝节加载谐振器；

所述四分之一波长均匀谐振器设置在输入耦合微带线(4)和输出耦合微带线(5)的两端，枝节加载谐振器位于输入耦合微带线(4)和输出耦合微带线(5)之间；所述四分之一波长均匀谐振器为四个，四个四分之一波长均匀谐振器沿介质基板的轴中心对称设置，同侧的两个四分之一波长均匀谐振器的接地通孔相连接，四分之一波长均匀谐振器的另一端连接液态电路；

所述枝节加载谐振器的数量为四个，四个枝节加载谐振器沿介质基板的轴中心对称设置，同侧的两个枝节加载谐振器沿介质基板的水平中心对称设置。

2.根据权利要求1所述的一种液态金属可重构天线馈电电路，其特征在于，所述液态电路包括微流体通道，以及灌注在微流体通道中的液态金属，微流体通道的一端与谐振器的端部连接。

3.根据权利要求2所述的一种液态金属可重构天线馈电电路，其特征在于，所述微流体通道包括通道本体，通道本体的底部设置有底部开口的流通槽，通道本体设置在介质基板的表面，液态金属位于流通槽中，流通槽的两端设置有注射孔。

4.根据权利要求3所述的一种液态金属可重构天线馈电电路，其特征在于，所述通道本体采用聚二甲基硅氧烷材料制作。

5.根据权利要求1所述的一种液态金属可重构天线馈电电路，其特征在于，所述枝节加载谐振器包括开路谐振器，以及加载在开路谐振器上的短路枝节，开路谐振器的一端连接液态电路。

6.根据权利要求1所述的一种液态金属可重构天线馈电电路，其特征在于，所述液态金属为镓铟锡合金。

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