CN113808877B - 一种液态金属开关及可重构天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液态金属开关及可重构天线，涉及电子技术领域，液态金属开关包括多个金属件、上盖、下盖和隔离板，多个金属件围设于设定中心的外周，金属件靠近设定中心的一端设置有弧形面，相邻两个弧形面的侧边通过绝缘体连接，弧形面与绝缘体围成顶部和底部开口的容纳腔。上盖可转动地盖合于容纳腔的上端口，下盖设置于容纳腔的下端口，并将下端口封堵。通过液体导体与金属件接触，接触方式是导体之间的直接接触，不存在缝隙，不存在焊接，不会给RF电路带来寄生参数，功率损失小。本发明实施例提供的液态金属开关具有液态金属的使用量小，生产成本低，无需驱动装置，结构简单的优点。

Description

一种液态金属开关及可重构天线

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种液态金属开关及可重构天线。

背景技术

天线是一种在无线电系统中发射或者接收电磁波的设备，在信息时代的今天，天线被广泛应用在各行各业中，例如通信、天文、医疗和军事领域。

随着科技的发展，对于天线的性能提出越来越多的要求，可重构天线正在被国内外的科研人员重视。可重构天线可以分为频率可重构天线、极化可重构天线、方向图可重构天线等。为了改变天线辐射结构的电流分布，辐射器中往往会被添加一些射频的开关。目前，常用的开关包括了MEMS开关、PIN二极管、射频场效应晶体管。这些开关的引脚焊接和接线问题相当复杂，而且由于焊点、空气间隙的存在，将引入寄生参数造成额外的影响，造成功率损耗。

授权公告号为CN103367880B的专利，通过对预先填充液态金属的柔性基板拉伸实现频率的重构。授权公告号为CN207651656U的专利，分别在两个具有空腔的螺旋辐射体中填充液态金属，并与不同规格的导体带条匹配，实现频率的重构。

上述利用液态金属制作的可重构天线，是利用液态金属来形成辐射体，利用液态金属的流动性结合封装材料的柔性，实现天线重构。这样的可重构天线存在液态金属的使用量大，所需的驱动力大和结构复杂的问题。

发明内容

本发明提供一种液态金属开关，用以解决现有的可重构天线存在寄生参数，功率损耗大，液态金属的使用量大，所需的驱动力大以及结构复杂的问题。

本发明提供一种液态金属开关，包括：

多个金属件，多个所述金属件围设于设定中心的外周，所述金属件靠近所述设定中心的一端设置有弧形面，相邻两个所述弧形面的侧边通过绝缘体连接，所述弧形面与所述绝缘体围成顶部和底部开口的容纳腔；

上盖，所述上盖可转动地盖合于所述容纳腔的上端口；

下盖，所述下盖设置于所述容纳腔的下端口，并将所述下端口封堵；

隔离板，可转动地设置于所述容纳腔内，所述隔离板与所述上盖连接，所述隔离板将所述容纳腔分隔成至少两个容纳腔单元，其中一个所述容纳腔单元存储有液态导体；所述上盖、所述下盖和所述隔离板的材质均为绝缘材料。

根据本发明实施例提供的一种液态金属开关，所述上盖的边沿与所述弧形面以及所述绝缘体密封配合。

根据本发明实施例提供的一种液态金属开关，所述上盖的上表面与所述金属件的上表面处于同一平面内，所述下盖的下表面与所述金属件的下表面处于同一平面内。

根据本发明实施例提供的一种液态金属开关，所述上盖的上表面设置有凹槽、凸起或者连接件。

根据本发明实施例提供的一种液态金属开关，所述上盖与所述隔离板粘接连接或者一体成型，所述隔离板的下侧边与所述下盖的上表面密封配合。

根据本发明实施例提供的一种液态金属开关，所述液态金属开关包括两个所述金属件，两个所述弧形面的第一侧边通过第一绝缘体连接，两个所述弧形面的第二侧边通过第二绝缘体连接。

根据本发明实施例提供的一种液态金属开关，所述液态金属开关包括四个所述金属件，所述金属件关于所述设定中心两两对称，所述容纳腔内设置有一个所述隔离板，所述隔离板将所述容纳腔分隔成两个关于所述隔离板对称的所述容纳腔单元。

根据本发明实施例提供的一种液态金属开关，所述容纳腔内间隔设置有两个所述隔离板，两个所述隔离板之间的距离等于所述金属件的宽度，两个所述隔离板将所述容纳腔分隔成三个所述容纳腔单元，所述液态导体存储于两个所述隔离板之间的所述容纳腔单元。

根据本发明实施例提供的一种液态金属开关，所述液态导体为液态金属，所述液态金属为镓铟合金或者铟锡合金。

本发明还提供一种可重构天线，所述可重构天线包括如上任意一项所述的液态金属开关。

本发明实施例提供的液态金属开关，通过液体导体与金属件接触，接触方式是导体之间的直接接触，不存在缝隙，不存在焊接，不会给RF电路带来寄生参数，功率损失小。本发明实施例提供的液态金属开关具有液态金属的使用量小，生产成本低，无需驱动装置，结构简单的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明实施例提供的液态金属开关的立体结构示意图之一；

图2是本发明实施例提供的液态金属开关的主视结构示意图；

图3是本发明实施例提供的液态金属开关的侧视结构示意图；

图4是图2中剖面线B-B处的剖面结构示意图；

图5是本发明实施例提供的液态金属开关的俯视结构示意图；

图6是图2中剖面线C-C处的剖面结构示意图；

图7是本发明实施例提供的液态金属开关的立体结构示意图之二；

图8是图7中A处的局部放大结构示意图；

图9是本发明实施例提供的液态金属开关的工作原理示意图之一；

图10是本发明实施例提供的液态金属开关的工作原理示意图之二；

图11是本发明实施例提供的可重构天线的结构示意图之一；

图12是本发明实施例提供的可重构天线的结构示意图之二；

图13是本发明实施例提供的可重构天线的原理示意图之一；

图14是本发明实施例提供的可重构天线的原理示意图之二；

图15是本发明实施例提供的可重构天线的原理示意图之三；

图16是本发明实施例提供的可重构天线的原理示意图之四。

附图标记：10、金属件；11、第二绝缘体；12、绝缘体；20、上盖；21、凹槽；22、倒角；30、下盖；40、隔离板；41、第一金属件；42、第二金属件；43、第三金属件；44、第四金属件；50、固体导线；60、馈电点；70、容纳腔；71、液态金属腔；72、空气腔；80、液态金属开关。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1-图16描述本发明实施例的液态金属开关及可重构天线。

如图1至图6所示，液态金属开关包括多个金属件10、上盖20、下盖30和隔离板40，多个金属件10围设于设定中心的外周，金属件10靠近设定中心的一端设置有弧形面，相邻两个弧形面的侧边通过绝缘体12连接，弧形面与绝缘体12围成顶部和底部开口的容纳腔70，容纳腔70在水平方向的截面为圆形，圆形的容纳腔70可以确保上盖20在自由转动的同时，上盖20的边沿可以与弧形面以及绝缘体12进行有效密封。上盖20为圆形盖体，上盖20的直径与上端口的内径相适配，上盖20可转动地盖合于容纳腔70的上端口。下盖30为圆形盖体，下盖30的直径与下端口的内径相适配，下盖30设置于容纳腔70的下端口，并将下端口封堵，下盖30与弧形面以及绝缘体12胶粘连接。隔离板40呈片状结构，隔离板40可转动地设置于容纳腔70内，隔离板40与上盖20连接，隔离板40将容纳腔70分隔成至少两个容纳腔单元，其中一个容纳腔单元存储有液态导体；上盖20、下盖30和隔离板40的材质均为绝缘材料。

当需要使其中两个金属件10导通时，只需要转动上盖20，上盖20带动隔离板40转动，使得装满液态导体的容纳腔单元位置发生改变，当装有液态导体的容纳腔单元转动至预定位置后，液体导体与两个金属件10接触，使得两个金属件10导通。

这里需要说明的是，转动上盖20可以是顺时针转动，也可以是逆时针转动。容纳腔70与容纳腔70之间通过隔离板40分离，液态导体不会在相邻两个容纳腔70之间流动。液态导体为液态金属，液态金属为镓铟合金或者铟锡合金，当然，液体导体并不限定于液态金属，还可以是其他类型的导电液体。为了方便区分容纳腔70，我们将装有液态金属的容纳腔70称为液态金属腔71，将其余容纳腔70称为空气腔72。密封配合可以有多种形式，比如在上盖20的边沿设置密封圈，利用密封圈密封上盖20的边沿与弧形面以及绝缘体12之间的间隙。金属件10的材质为铜，当然金属件10的材质并不限定于此，也可为铝或者其他金属材质。

本发明实施例提供的液态金属开关，通过液体导体与金属件10接触，接触方式是导体之间的直接接触，不存在缝隙，不存在焊接，不会给RF电路带来寄生参数，功率损失小。本发明实施例提供的液态金属开关具有液态金属的使用量小，生产成本低，无需驱动装置，结构简单的优点。

根据本发明的实施例，如图1至图6所示，上盖20的边沿与弧形面以及绝缘体12密封配合，可有效防止液态导体通过上盖20与弧形面以及绝缘体12之间的间隙溢出。

根据本发明的实施例，如图1至图6所示，上盖20的上表面与金属件10的上表面处于同一平面内，下盖30的下表面与金属件10的下表面处于同一平面内。

根据本发明的实施例，如图1至图6所示，上盖20的上表面设置有凹槽21，凹槽21可以为一字型凹槽，也可以为十字形凹槽，设置凹槽21用于与螺丝刀等工具配合，以方便转动上盖20。当然，上盖20的上表面也可以设置凸起，凸起可以方便用手直接扭动上盖20。上盖20的上表面还可以设置连接件，连接件可以与驱动装置连接，由驱动装置驱动上盖20转动，从而实现自动控制液态金属开关。

根据本发明的实施例，上盖20与隔离板40粘接连接或者一体成型，隔离板40的下侧边与下盖30的上表面密封配合，隔离板40的两端与弧形面或者绝缘体12密封配合。

根据本发明的实施例，如图1至图6所示，液态金属开关包括两个金属件10、上盖20、下盖30和隔离板40，两个金属件10处于同一直线上，两个金属件10靠近设定中心的一端设置有弧形面，两个弧形面均为圆的四分之一。两个弧形面的第一侧边通过第一绝缘体连接，这里的第一绝缘体为绝缘胶。当然，第一绝缘体也可为绝缘片，绝缘片与两个弧形面的第一侧边粘接连接。两个弧形面的第二侧边通过第二绝缘体11连接，第二绝缘体11为一段弧形绝缘片，弧形绝缘片为圆的二分之一，弧形绝缘片的两端分别与两个弧形面的第二侧边粘连。两个弧形面与第二绝缘体11围成顶部和底部开口的圆形容纳腔70，

上盖20为圆形盖体，上盖20的直径与上端口的内径相适配，上盖20可转动地盖合于容纳腔70的上端口。上盖20的边沿与弧形面以及第二绝缘体11朝向设定中心的一侧密封配合。上盖20的上表面与金属件10的上表面处于同一平面内，上盖20的上表面设置有凹槽21，凹槽21为一字型凹槽。

下盖30为圆形盖体，下盖30的直径与下端口的内径相适配，下盖30设置于容纳腔70的下端口，并将下端口封堵。下盖30的下表面与金属件10的下表面处于同一平面内，下盖30与弧形面以及绝缘体12胶粘连接。

隔离板40呈片状结构，隔离板40可转动地设置于容纳腔70内，隔离板40与上盖20连接，隔离板40将容纳腔70分隔成两个关于隔离板40对称的容纳腔单元，液态金属腔71和空气腔72。上盖20、下盖30和隔离板40的材质均为绝缘材料，只有当液态金属与两个金属件10均接触时，两个金属件10才导通。

如图1所示，本实施例的液态金属开关的工作方式如下：

当电路断开时，液态金属腔71位于隔离板40背离两个金属件10的一侧，空气腔72位于隔离板40朝向两个金属件10的一侧。

当需要电路接通时，通过螺丝刀和凹槽21配合旋转上盖20以及隔离板40，液态金属腔71以及其中的液态金属被旋转180°至隔离板40朝向两个金属件10的一侧。此时，液态金属与两个金属件10无缝接触，液态金属将两个金属件10导通。

根据本发明的实施例，如图7至图8所示，液态金属开关包括四个金属件10、上盖20、下盖30和隔离板40。四个金属件10包括第一金属件41、第二金属件42、第三金属件43和第四金属件44，其中，第一金属件41与第三金属件43关于设定中心对称设置，第二金属件42与第四金属件44关于设定中心对称设置，第一金属件41与第三金属件43处于第一直线上，第二金属件42与第四金属件44处于第二直线上，第一直线与第二直线垂直。第一金属件41、第二金属件42、第三金属件43和第四金属件44靠近设定中心的一端均设置有弧形面，四个弧形面均为圆的四分之一。如图8所示，为了方便连接，弧形面的侧边进行倒角处理，相邻两个弧形面的侧边在倒角22处通过绝缘体12连接，这里的绝缘体12为绝缘胶，通过绝缘胶将四个弧形面粘连在一起，围成一个顶部和底部开口的圆形容纳腔70。进一步地，为了方便多个液态金属开关组成可重构天线，每个金属件10远离设定中心的一端也设置有弧形面。

上盖20为圆形盖体，上盖20的直径与上端口的内径相适配，上盖20可转动地盖合于容纳腔70的上端口。上盖20的边沿与弧形面以及第二绝缘体11朝向设定中心的一侧密封配合。上盖20的上表面与金属件10的上表面处于同一平面内，上盖20的上表面设置有凹槽21，凹槽21为一字型凹槽。

下盖30为圆形盖体，下盖30的直径与下端口的内径相适配，下盖30设置于容纳腔70的下端口，并将下端口封堵。下盖30的下表面与金属件10的下表面处于同一平面内，下盖30与弧形面以及绝缘体12胶粘连接。

隔离板40呈片状结构，隔离板40可转动地设置于容纳腔70内，隔离板40与上盖20连接，隔离板40将容纳腔70分隔成两个关于隔离板40对称的容纳腔单元。即液态金属腔71和空气腔72。上盖20、下盖30和隔离板40的材质均为绝缘材料，只有当液态金属与其中的两个金属件10均接触时，两个金属件10才导通。本实施例的液态金属开关为液态金属四掷开关，相较于上述实施例的液态金属开关可控制的电路数量更多。

如图7所示，本实施例的液态金属开关的工作方式如下：

假设图7中隔离板40后方为液态金属腔71，液态金属分别与第一金属件41以及第二金属件42无缝接触，由于液态金属具有导电性，此时，第一金属件41与第二金属件42之间导通，而其他金属件10之间均为断路。

当需要第二金属件42和第三金属件43之间导通时，利用螺丝刀与上盖20的凹槽21配合，顺时针将上盖20和隔离板40旋转90°，液态金属腔71中的液态金属也顺时针旋转90°，液态金属分别与第二金属件42以及第三金属件43无缝接触，将第二金属件42和第三金属件43导通。

同样的方式，可以将第三金属件43与第四金属件44导通，将第四金属件44与第一金属件41导通。

根据本发明的实施例，如图10所示，液态金属开关包括四个金属件10、上盖20、下盖30和隔离板40。四个金属件10分别为第一金属件41、第二金属件42、第三金属件43和第四金属件44，其中，第一金属件41与第三金属件43关于设定中心对称设置，第二金属件42与第四金属件44关于设定中心对称设置，第一金属件41与第三金属件43处于第一直线上，第二金属件42与第四金属件44处于第二直线上，第一直线与第二直线垂直。第一金属件41、第二金属件42、第三金属件43和第四金属件44靠近设定中心的一端均设置有弧形面。相邻两个弧形面的侧边通过绝缘体12连接，这里的绝缘体12为弧形绝缘片。四个弧形绝缘片与四个弧形面围成一个顶部和底部开口的圆形容纳腔70。

上盖20为圆形盖体，上盖20的直径与上端口的内径相适配，上盖20可转动地盖合于容纳腔70的上端口。上盖20的边沿与弧形面以及绝缘体12朝向设定中心的一侧密封配合。上盖20的上表面与四个金属件10的上表面处于同一平面内，上盖20的上表面设置有凹槽21，凹槽21为一字型凹槽。

下盖30为圆形盖体，下盖30的直径与下端口的内径相适配，下盖30设置于容纳腔70的下端口，并将下端口封堵。下盖30的下表面与金属件10的下表面处于同一平面内，下盖30与弧形面以及绝缘体12胶粘连接。

容纳腔70内间隔设置有两个隔离板40，两个隔离板40之间的距离等于金属件10的宽度，两个隔离板40将容纳腔70分隔成三个容纳腔单元，液态导体存储于两个隔离板40之间的容纳腔单元，也就是说液态金属腔71处于两个空气腔72之间。如图10所示，液态金属与第一金属件41以及第三金属件43无缝接触，将第一金属件41与第三金属件43导通。需要将第二金属件42与第四金属件44导通时，只需将隔离板40和上盖20顺时针或者逆时针旋转90°即可。

根据本发明的实施例，如图9所示，本实施例与上述实施例的不同之处在于，本实施例中液态金属开关包括两个金属件10，两个金属件10处于同一直线上，且两个金属件10关于设定中心对称。两个弧形面的第一侧边通过第一绝缘体连接，两个弧形面的第二侧边通过第二绝缘体11连接，第一绝缘体与第二绝缘体11均为一段弧形绝缘片。容纳腔70内间隔设置有两个隔离板40，两个隔离板40之间的距离等于金属件10的宽度，两个隔离板40将容纳腔70分隔成三个容纳腔单元，液态导体存储于两个隔离板40之间的容纳腔单元。

当两个隔离板40与两个金属件10所在的直线平行时，液态金属分别与两个金属件10无缝接触，将两个金属件10导通。需要将两个金属件10断开时，只需将隔离板40和上盖20顺时针或者逆时针旋转90°即可。

本发明还提供一种可重构天线，可重构天线包括上述任意一项实施例所述的液态金属开关80。

根据本发明的实施例，如图11所示，可重构天线包括液态金属开关80、固体导线50和馈电点60，多个液态金属开关80分为两组，两组液态金属开关80左右对称设置。每组对应一个馈电点60，每组包括7个液态金属开关80，相邻两个液态金属开关80的金属件10通过固体导线50连接，固体导线50与液态金属开关80的金属件10一体成型。馈电点60与对应液态金属开关80的金属件10连接，馈电点60处有SMA馈电接口，通过馈线(未示出)将可重构天线与射频电路(未示出)连接。

本实施例的可重构天线工作方式如下：

液态金属开关80控制开关前后的电路通断，从中心馈电点60向两侧依次打开液态金属开关80，调节天线辐射体的长度，从而实现天线的频率重构。

根据本发明的实施例，如图12所示，本实施例的可重构天线包括多个液态金属开关80和馈电点60，多个液态金属开关80呈阵列排布，其中，阵列的列数为M，阵列的行数为N，同一行中相邻两个液态金属开关80的金属件10连接，同一列中相邻两个液态金属开关80的金属件10连接。处于阵列边沿的金属件10远离设定中心的一端未设置弧形面。馈电点60设置于其中一个金属件10上，馈电点60处有SMA馈电接口，通过馈线(未示出)将可重构天线与射频电路(未示出)连接。

本实施例的可重构天线工作过程如下：

如图13至图16所示，通过调整液态金属开关80的导通方向，可以获取多种不同结构的天线。当然，可重构天线的结构并不限定于上述几种形式，还可以有更多种形式。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种液态金属开关，其特征在于，包括：

四个金属件，所述金属件围设于设定中心的外周，所述金属件关于所述设定中心两两对称，所述金属件靠近所述设定中心的一端设置有弧形面，相邻两个所述弧形面的侧边通过绝缘体连接，所述弧形面与所述绝缘体围成顶部和底部开口的容纳腔；

上盖，所述上盖可转动地盖合于所述容纳腔的上端口；

下盖，所述下盖设置于所述容纳腔的下端口，并将所述下端口封堵；

隔离板，可转动地设置于所述容纳腔内，所述隔离板与所述上盖连接，所述上盖、所述下盖和所述隔离板的材质均为绝缘材料，或者所述容纳腔内间隔设置有两个所述隔离板，两个所述隔离板之间的距离等于所述金属件的宽度，两个所述隔离板将所述容纳腔分隔成三个所述容纳腔单元，所述液态导体存储于两个所述隔离板之间的所述容纳腔单元；

或者，所述容纳腔内设置有一个所述隔离板，所述隔离板将所述容纳腔分隔成两个关于所述隔离板对称的所述容纳腔单元，其中一个所述容纳腔单元存储有液态导体。

2.根据权利要求1所述的液态金属开关，其特征在于，所述上盖的边沿与所述弧形面以及所述绝缘体密封配合。

3.根据权利要求1所述的液态金属开关，其特征在于，所述上盖的上表面与所述金属件的上表面处于同一平面内，所述下盖的下表面与所述金属件的下表面处于同一平面内。

4.根据权利要求2或3所述的液态金属开关，其特征在于，所述上盖的上表面设置有凹槽、凸起或者连接件。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的液态金属开关，其特征在于，所述上盖与所述隔离板粘接连接或者一体成型，所述隔离板的下侧边与所述下盖的上表面密封配合。

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的液态金属开关，其特征在于，所述液态导体为液态金属，所述液态金属为镓铟合金或者铟锡合金。

7.一种可重构天线，其特征在于，所述可重构天线包括权利要求1至6中任意一项所述的液态金属开关。