CN113972480A - 基于二维可拉伸柔性腔体的液态金属可重构阵列天线 - Google Patents

基于二维可拉伸柔性腔体的液态金属可重构阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于天线技术领域，涉及一种基于二维可拉伸柔性腔体的液态金属可重构阵列天线及其重构方法。本发明利用液态金属的流动性构建频率可重构微带天线，液态金属填充于密封柔性介质腔中，柔性介质腔可实现400％拉伸伸长，通过拉伸柔性介质腔改变液态金属辐射体的尺寸，实现5～18GHz内工作频率连续可调。相较于应用射频器件的可重构天线，本发明天线可以在大频率范围内实现连续调谐。辐射体伸长通过自动化拉伸设备实现，相较于注射式可重构液态金属天线稳定性实用性更强。

Description

基于二维可拉伸柔性腔体的液态金属可重构阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种基于二维可拉伸柔性腔体的液态金属可重构阵列天线及其重构方法，利用介质腔体承载液态金属构成辐射贴片，使贴片形状能够根据应用要求而发生变化，从而实现天线工作频率的重构。
背景技术
近些年，随着无线通信技术和新兴应用的飞速发展，无线系统拥有超大容量、多种功能和超宽工作带宽成为必然趋势，系统为了实现多功能就需要多个天线工作，但是当天线变多时，无线系统势必会出现电磁干扰、电磁兼容性变差、重量增加、尺寸变大等问题。因此，可重构天线由于有多种工作模式、高效率、小尺寸等特性及形式受到广泛关注。
可重构技术包括频率可重构、极化可重构、方向图可重构。到目前为止，常见的可重构天线应用变容二极管、pin二极管、液晶材料等实现重构，这些器件都需要一定大小的直流电压实现状态切换和控制，这增加了天线整体结构的复杂性，同时引入非线性效应和功率容量的限制。
镓铟合金是一种无毒、高流动性、高电导率的液体材料，利用液态金属替代射频开关实现可重构可以避免功率损耗和非线性效应，且液态金属可重构天线的频率可重构范围更大，在可重构领域有很大的应用前景。结合使用液态金属和柔性介质材料，有望实现高柔软特性的柔性天线和可穿戴天线。
传统微带天线具有剖面低、体积小、成本低、易于安装等优点，但往往由于Q值较高导致带宽较窄。利用传统可重构技术可使微带天线在较宽频带上实现频率重构。NghiaNguyen-Trong等人在IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION上发表的“AFrequency-and Polarization-Reconfigurable Stub-Loaded Microstrip PatchAntenna”中提出一种微带天线，在2.4–3.6GHz的频率范围内，通过12个变容二极管实现了频率和极化可重构；Ahmed A.Kishk等人发表的“Frequency Reconfigurable U-SlotMicrostrip Patch Antenna”中提出一种U型槽可重构微带天线，利用可变电容可以实现2.6～3.35GHz范围内的频率重构。总体而言，这类型天线频率重构范围较窄，不满足超宽带重构要求，且重构实现往往需要多个开关器件共同作用，天线整体复杂度较高。2019年，Yahya Rahmat-Samii等人发表的“Wideband Frequency Reconfigurable Patch AntennaWith Switchable Slots Based on Liquid Metal and 3-D Printed Microfluidics”文章中提出一种用液态金属和3D打印微流管实现可重构微带天线的方式，在瞬时带宽为2％的情况下实现70％带宽范围的频率重构。液态金属的应用实现了较大范围的频率可重构，但填充抽取微流管的形式使重构过程缓慢且不精确，管内液态金属具有较大流动性，造成天线整体工作性能的不稳定。
目前发表的关于液态金属可重构微带天线的论文或专利都存在上述的问题，即没有充分利用到液态金属的特性，且调控液态金属的方式过于繁琐和不稳定，暂时难以满足超宽带可重构天线的实际应用。为了解决该技术难题，本发明提出了一种基于液态金属的超宽带频率可重构微带贴片天线阵列，实现了5～18GHz的频率重构范围。
发明内容
本发明针对上述所提到的现有技术的不足，提出一种将液态金属填充于柔性介质腔体作为辐射贴片，通过控制柔性腔体拉伸形变间接控制辐射体变形的调控方式，构建了频率可重构的微带天线阵列，重构频率带宽达5～18GHz，解决了现有二极管频率重构方式调控范围小，液态金属可重构天线调控难度大的问题。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种基于二维可拉伸柔性腔体的液态金属可重构阵列天线，包括介质腔体结构1、液态金属2、介质夹板3、牵引绳4、介质基板5、馈电结构6、金属地板7、电机一8、电机二9、尼龙螺母10，其特征在于：
所诉介质腔体结构1包括柔性介质1.1、空腔一1.2、空腔二1.3液态胶1.4和尼龙螺母通孔1.5；所诉空腔一1.2用于填充液态金属2作为辐射贴片；所诉空腔二1.3用于填充液态胶1.4对液态金属进行密封定型。
所诉介质夹板3包括尼龙螺母通孔3.1；所诉介质夹板3通过强力胶与介质腔体结构1上非液态金属区相粘接固定；所诉尼龙螺母10穿过尼龙螺母通孔1.5和尼龙螺母通孔3.1进一步固定介质夹板3和介质腔体结构1。
所诉介质基板5固定于金属地板7卡槽之中；所诉介质基板5背面印制有印刷金属地面5.1；所诉馈电结构6包括同轴线接头6.1和圆形馈电贴片6.2；所诉圆形馈电贴片6.2通过焊接与同轴线接头6.1内芯电连接，以耦合的形式为辐射贴片馈电；所诉印刷金属地面5.1通过焊接与金属地板7和同轴线接头6.1外芯电连接；
所诉牵引绳4两端分别连接电机一8(电机二9)和介质夹板3，通过电机一8、电机二9反方向进行拉伸牵引使介质腔体结构伸长，间接拉伸辐射贴片，实现频率重构。
所诉柔性介质1.1材料为高拉力气相胶，其邵氏硬度为20度，可以实现400％的拉伸率。
所述液态金属2为镓铟合金(EGaIn)，该合金含有75％的镓单质和25％的铟单质，合金的电导率为3.4×106S/m。
所诉介质夹板3材料为聚丙烯PP板材；所诉介质基板5为罗杰斯RO3003板材。
综上所述，本发明的优点为：
本发明将液态金属作为天线的辐射体，液态金属存放与柔性可拉伸介质腔中，利用镓铟合金常温下具有高流动性的特点，通过拉伸介质腔体实现镓铟合金液态金属辐射结构的重构，随着拉伸长度的增加，天线谐振频率向低频移动。
通过将镓铟合金液态金属封存于介质腔体的方式，避免的对液态金属直接操纵控制，相比于普通注射式调控具有更好的密封性和控制的便利性，从而极大提高了可重构天线整体的稳定性。
本发明利用液态金属实现频率可重构，不用额外添加射频器件，避免引入非线性误差和电路功率损耗；不需引入直流电源，天线结构进一步简化，体积缩小，实用性增强。
附图说明
图1是本发明一种基于二维可拉伸柔性腔体的液态金属可重构阵列天线的三维结构示意图。该图所示天线在5-18GHz频率范围内频率连续可调。
图2是图1所示系统天线阵列部分的三维视图，天线阵列长90mm，宽60mm，高12mm。
图3是图1所示天线辐射结构的分解示意图。
图4是图1所示天线的柔性介质腔结构分解示意图。
图5是图1所示天线阵列的PCB板和馈电结构的分解示意图。
图6是图1所示天线阵列4种工作状态下辐射体结构变化示意图。
图7是图1所示天线阵列4种工作状态下的有源反射系数。
图中：1、介质腔体结构；2、液态金属；3、介质夹板；4、牵引绳；5、介质基板；6、馈电结构；7、金属地板；8、电机一；9、电机二；10、尼龙螺母。
具体实施方式
下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行具体描述。本发明包括但不限于以下所列举天线具体工作状态。
参照图1，参照图2，参照图3，参照图4，参照图5，参照图6。
一种基于二维可拉伸柔性腔体的液态金属可重构阵列天线，包括介质腔体结构1、液态金属2、介质夹板3、牵引绳4、介质基板5、馈电结构6、金属地板7、电机一8、电机二9、尼龙螺母10，其特征在于：
所诉介质腔体结构1包括柔性介质1.1、空腔一1.2、空腔二1.3液态胶1.4和尼龙螺母通孔1.5；所诉空腔一1.2用于填充液态金属2作为辐射贴片，空腔长3.2mm，宽4.5mm,高0.8mm；所诉空腔二1.3用于填充液态胶1.4对空腔一1.2中的液态金属进行密封定型。
所诉介质夹板3包括尼龙螺母通孔3.1；所诉介质夹板3通过强力胶与介质腔体结构1上特定区域相粘接固定，介质夹板3覆盖区域的柔性介质1.1将不会因外力形变；所诉尼龙螺母10穿过尼龙螺母通孔1.5和尼龙螺母通孔3.1进一步固定介质夹板3和介质腔体结构1，尼龙螺母直径2mm，强力胶和尼龙螺母10共同作用，确保施加在介质夹板上的外力能带动介质腔体结构1拉伸变形。
所诉介质基板5固定于金属地板7卡槽之中；所诉金属地板7长90mm，宽60mm，厚3mm；所诉介质基板5背面印制有印刷金属地面5.1；所诉介质基板5长70mm，宽40mm，厚0.762mm；所诉馈电结构6包括同轴线接头6.1和圆形馈电贴片6.2；所诉圆形馈电贴片6.2直径2mm，通过焊接与同轴线接头6.1内芯电连接，以耦合的形式为辐射贴片馈电；所诉印刷金属地面5.1通过焊接与金属地板7和同轴线接头6.1外芯电连接；
所诉柔性介质1.1材料为高拉力气相胶，其邵氏硬度为20度，可以实现400％的拉伸率。
所述液态金属2为镓铟合金(EGaIn)，该合金含有75％的镓单质和25％的铟单质，合金的电导率为3.4×106S/m。
所诉介质夹板3材料为聚丙烯PP板材；所诉介质基板5为罗杰斯RO3003板材。
所诉牵引绳4两端分别连接电机一8(电机二9)和介质夹板3，通过电机一8、电机二9反方向进行拉伸牵引使介质腔体结构伸长，间接拉伸辐射贴片，实现4种伸长状态。状态一：辐射贴片未拉伸，阵列天线工作频率12～18GHz。状态二：辐射贴片拉伸为原长的1.5倍，阵列天线工作频率10.5～11.5GHz。状态三：辐射贴片拉伸为原长的2.2倍，阵列天线工作频率7.3～8.8GHz。状态四：辐射贴片拉伸为原长的3.5倍，阵列天线工作频率5～6.8GHz。由于拉伸长度连续可调，故重构不止四种工作状态，阻抗匹配可以覆盖整个工作频段。
图7为上述四种工作状态在5-18GHz频段内的有源反射系数，图中横轴为频率，纵轴为反射系数幅度。
以上描述和实施方式，仅为本发明的部分优选实例，不对本发明构成任何限制，对于本领域的专业人员来说，本申请可以有各种更改和变化，但是基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于二维可拉伸柔性腔体的液态金属可重构阵列天线，包括介质腔体结构(1)、液态金属(2)、介质夹板(3)、牵引绳(4)、介质基板(5)、馈电结构(6)、金属地板(7)、电机一(8)、电机二(9)、尼龙螺母(10)，其特征在于：所诉介质腔体结构(1)包括柔性介质(1.1)、空腔一(1.2)、空腔二(1.3)、液态胶(1.4)和尼龙螺母通孔(1.5)；所诉空腔一(1.2)用于填充液态金属(2)作为辐射贴片，空腔长3.2mm，宽4.5mm,高0.8mm；所诉空腔二(1.3)用于填充液态胶(1.4)对空腔一(1.2)中的液态金属进行密封定型。
2.根据权利要求1所述的基于二维可拉伸柔性腔体的液态金属可重构阵列天线，其特征在于：所诉介质夹板(3)包括尼龙螺母通孔(3.1)；所诉介质夹板(3)通过强力胶与介质腔体结构(1)上特定区域相粘接固定，介质夹板(3)覆盖区域的柔性介质(1.1)将不会因外力形变；所诉尼龙螺母(10)穿过尼龙螺母通孔(1.5)和尼龙螺母通孔(3.1)进一步固定介质夹板(3)和介质腔体结构(1)。
3.根据权利要求1所述的基于二维可拉伸柔性腔体的液态金属可重构阵列天线，其特征在于：所诉介质基板(5)固定于金属地板(7)卡槽之中；所诉金属地板(7)长90mm，宽60mm，厚3mm；所诉介质基板(5)背面印制有印刷金属地面(5.1)；所诉介质基板(5)长70mm，宽40mm，厚0.762mm；所诉馈电结构(6)包括同轴线接头(6.1)和圆形馈电贴片(6.2)；所诉圆形馈电贴片(6.2)直径2mm，通过焊接与同轴线接头(6.1)内芯电连接，以耦合的形式为辐射贴片馈电；所诉印刷金属地面(5.1)通过焊接与金属地板(7)和同轴线接头(6.1)外芯电连接。
4.根据权利要求1所述的基于二维可拉伸柔性腔体的液态金属可重构阵列天线，其特征在于：所诉柔性介质(1.1)材料为高拉力气相胶，其邵氏硬度为20度，可以实现400％的拉伸率；所述液态金属(2)为镓铟合金(EGaIn)，该合金含有75％的镓单质和25％的铟单质，合金的电导率为3.4×106S/m；所诉介质夹板(3)材料为聚丙烯PP板材；所诉介质基板(5)为罗杰斯RO3003板材。
5.根据权利要求1所述的基于二维可拉伸柔性腔体的液态金属可重构阵列天线，其特征在于：所诉牵引绳(4)两端分别连接电机一(8)(电机二(9))和介质夹板(3)，通过电机一(8)、电机二(9)反方向进行拉伸牵引使介质腔体结构伸长，间接拉伸辐射贴片，实现4种不同频率的工作状态。
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