CN113972481A - 基于柔性可伸缩材料腔体的频率极化可重构液态金属螺旋天线阵列 - Google Patents

基于柔性可伸缩材料腔体的频率极化可重构液态金属螺旋天线阵列 Download PDF

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Abstract

本发明属于天线技术领域，涉及一种基于柔性可伸缩材料腔体的频率极化可重构液态金属螺旋天线阵列，包括硅橡胶柱筒状软管、螺旋状液态金属、金属地板、同轴馈线。本发明利用液态金属的可塑性改变天线的尺寸和旋向，实现0.35‑18GHz内50倍频频率极化可重构。硅橡胶柱筒状软管注入液态金属之后，鼓气使其形状和尺寸发生变化，实现天线的频率可重构；利用液态金属改变螺旋天线的旋向，可以在右旋圆极化和左旋圆极化之间转换，实现了极化可重构。本发明的可重构天线可以实现连续调谐，可重构范围大，天线在重构时不易折损。

Description

基于柔性可伸缩材料腔体的频率极化可重构液态金属螺旋天 线阵列
技术领域
本发明是属于天线技术领域，涉及到了一种基于柔性可伸缩材料腔体的频率极化可重构液态金属螺旋天线阵列及其重构的方法，利用液态金属具有流动的特性改变螺旋天线的直径、高度以及旋向实现可重构，弹性可伸缩材料腔体在鼓气状态下，能够根据环境要求来调整其自身工作性能。
背景技术
近年来，由于无线通信技术的飞速发展，频谱资源变得尤其紧缺，此外，对于大容量、高速率、多功能化的现代通信技术的发展就有了更高的要求，需要在通信过程中充分利用有限的频谱资源，并且能够在通信系统中根据信号传输的具体要求实时调整自身的工作参数。在通信系统中满足以上要求，就需要使发射和接收信号的天线更加具有灵活性，可重构天线因此被发明出来。可重构天线已经问世就因为多种工作模式、高效率、小尺寸等特性及天线形式得到了广泛的关注。
传统的可重构天线普遍采用变容二极管、pin二极管以及MEMS开关等谐振器件或机械拉伸、旋转等方式来实现可重构性能。这类天线大多适用于固体金属和介质材料中，天线一旦加工而成，其尺寸和结构很难进行改变，而且这些方式通常需要偏置电路来激励，这就导致了天线结构的复杂、产生非线性、低功率容量等缺点。
相比于固态金属，液态金属具有无毒、强流动性、高电导率(3.4×106S/m)的特性，将液态金属材料应用在可重构天线设计中，可以根据实际需求改变天线的形状、尺寸，能够实现超宽带、多状态的性能可重构，确保了天线在复杂多变的应用环境中实时满足不同的辐射特性需求，在柔性和可穿戴天线方面都有很大的应用前景。
Ying Liu等人于2021年在IEEE Transactions on Antennas and Propagation发表的“Low-RCS Antenna Array with Switchable Scattering Patterns EmployingMicrofluidic Liquid Metal Alloy-Based Metasurface”，该论文提出了一种反射相位随着液态金属的填充而变化的超表面位于天线的上层，可以控制天线散射特性。液态金属合金的注入可以使超表面上的反射波在8-32GHz频带内偏移180°，然后再将其覆盖在缝隙天线阵列之上，调节其散射特性。在2020年，Ying Liu等人已经提出了一种可重构的缝隙天线，微流通道随着液态金属的填充可以实现圆极化和频率的可重构，尽管该论文提出了多种极化和多频段状态的可重构缝隙天线，但是天线的工作频段比较窄，不适合超宽带可重构的要求。
目前所发表的论文和专利，关于利用液态金属实现可重构性能的方式，大多是通过填充，而且所实现的可重构频带较窄，没有充分利用液态金属的特性。为了解决该技术难题，本发明提出了一种基于柔性可伸缩材料腔体的频率极化可重构液态金属螺旋天线阵列，通过鼓气膨胀的新型方式实现了0.35-18GHz的50倍频工作范围，而且该发明还能够实现右旋圆极化和左旋圆极化的转换。
发明内容
针对上述液态金属可重构天线应用中所存在的不足，提出了一种基于柔性可伸缩材料腔体的频率极化可重构液态金属螺旋天线阵列，通过鼓气膨胀的方式，改变轴向模螺旋天线的高度和直径，实现超宽带的频率可重构；通过填充液态金属的旋向不同来实现，实现极化可重构。该发明中的天线能够解决可重构频带范围窄、可重构性能单一以及液态金属重构方式单一的问题。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种基于柔性可伸缩材料腔体的频率极化可重构液态金属螺旋天线阵列，其中包括硅橡胶柱筒状软管1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8，螺旋状液态金属2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8，金属地板3，同轴馈线4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8，其特征在于：
所述硅橡胶柱筒状软管1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8均包括硅橡胶柱状外套5、硅橡胶附有螺旋槽内套6。
所述硅橡胶柱状外套5与硅橡胶附有螺旋槽内套6利用开模技术制成后，用胶相连接，在柱筒状软管内部形成螺旋形状的腔体内。
所述螺旋状液态金属2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8填充在硅橡胶柱状外套5与硅橡胶附有螺旋槽内套6粘接后形成的螺旋腔内。
所述在硅橡胶软管内流动的螺旋状液态金属2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8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。
同轴馈线4.1穿过金属地板3、硅橡胶柱筒状软管1.1没入螺旋状液态金属2.1；同轴馈线4.2穿过金属地板3、硅橡胶柱筒状软管1.2没入螺旋状液态金属2.2；同轴馈线4.3穿过金属地板3、硅橡胶柱筒状软管1.3没入螺旋状液态金属2.3；同轴馈线4.4穿过金属地板3、硅橡胶柱筒状软管1.4没入螺旋状液态金属2.4；同轴馈线4.5穿过金属地板3、硅橡胶柱筒状软管1.5没入螺旋状液态金属2.5；同轴馈线4.6穿过金属地板3、硅橡胶柱筒状软管1.6没入螺旋状液态金属2.6；同轴馈线4.7穿过金属地板3、硅橡胶柱筒状软管1.7没入螺旋状液态金属2.7；同轴馈线4.8穿过金属地板3、硅橡胶柱筒状软管1.8没入螺旋状液态金属2.8。
综上所述，本发明的优点为：
本发明是将液态金属作为天线的辐射体，利用镓铟合金液态金属室温下呈现液态、流动性较强、具有自我修复能力、电导率较高、无毒无害的特点来替代传统的固态金属。将液态金属注入到由硅橡胶制成的螺旋状微流通道中，利用推力使液态金属流动，密封的结构使液态金属很好地保持了各种优良特性。
本发明通过鼓气膨胀的方式，使硅橡胶柱筒状软管内的螺旋状液态金属尺寸和形状发生改变，实现了超宽频带内频率极化可重构，解决传统天线加工好后天线性能无法改变的问题。
液态金属同固态金属相比具有较强的可塑性，由液态金属制成的可重构天线，在重构过程中天线不会产生机械损伤；与传统重构天线相比，液态金属可重构天线不用额外添加射频电路器件，因此减小了电路带来的功率损耗，天线的体积得到缩小，天线结构简化，天线的实用性增强。
现有液态金属可重构天线，大多通过填充液态金属改变辐射体的尺寸和形状来实现可重构的性能，本发明则是利用鼓气膨胀的方式使弹性硅橡胶软管内的螺旋状液态金属尺寸和形状发生变化，实现可重构性能。
对比现有的关于液态金属可重构天线的文献与专利，该发明具有宽频带工作、可重构状态多、调控简单等优点。
附图说明
图1是本发明一种基于柔性可伸缩材料腔体的频率极化可重构液态金属螺旋天线阵列的立体结构示意图。该图所示天线工作在0.35-18GHz，一维8元线阵。
图2是图1所示天线结构的正面视图。
图3是图1所示天线结构的侧面视图。
图4是图1所示天线结构的俯视图。
图5是图1所示天线结构中硅橡胶柱筒状软管未粘接前双层结构的具体截面图。
图6是图1所示天线结构工作在高频段右旋圆极化状态的反射系数。
图7是图1所示天线结构在某一膨胀过程中右旋圆极化状态的反射系数。
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。
一种基于柔性可伸缩材料腔体的频率极化可重构液态金属螺旋天线阵列由硅橡胶柱筒状软管1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8，螺旋状液态金属2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8，金属地板3，同轴馈线4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8：
所述硅橡胶柱筒状软管1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8底部为开口状态，均包括硅橡胶柱状外套5、硅橡胶附有螺旋槽内套6，利用硅橡胶柱状外套5和硅橡胶附有螺旋槽内套6粘接形成密封的螺旋腔体，
所述螺旋状液态金属2.1是液态金属注入硅橡胶柱筒状软管1.1内后形成；螺旋状液态金属2.2是液态金属注入硅橡胶柱筒状软管1.2内形成；所述螺旋状液态金属2.3是液态金属注入硅橡胶柱筒状软管1.3内后形成；所述螺旋状液态金属2.4是液态金属注入硅橡胶柱筒状软管1.4内后形成；所述螺旋状液态金属2.5是液态金属注入硅橡胶柱筒状软管1.5内后形成；所述螺旋状液态金属2.6是液态金属注入硅橡胶柱筒状软管1.6内后形成；所述螺旋状液态金属2.7是液态金属注入硅橡胶柱筒状软管1.7内后形成；所述螺旋状液态金属2.8是液态金属注入硅橡胶柱筒状软管1.8内后形成。
所述同轴馈线4.1穿过金属地板3、硅橡胶柱筒状软管1.1没入螺旋状液态金属2.1进行馈电；同轴馈线4.2穿过金属地板3、硅橡胶柱筒状软管1.2没入螺旋状液态金属2.2进行馈电；同轴馈线4.3穿过金属地板3、硅橡胶柱筒状软管1.3没入螺旋状液态金属2.3进行馈电；同轴馈线4.4穿过金属地板3、硅橡胶柱筒状软管1.4没入螺旋状液态金属2.4进行馈电；同轴馈线4.5穿过金属地板3、硅橡胶柱筒状软管1.5没入螺旋状液态金属2.5进行馈电；同轴馈线4.6穿过金属地板3、硅橡胶柱筒状软管1.6没入螺旋状液态金属2.6进行馈电；同轴馈线4.7穿过金属地板3、硅橡胶柱筒状软管1.7没入螺旋状液态金属2.7进行馈电；同轴馈线4.8穿过金属地板3、硅橡胶柱筒状软管1.8没入螺旋状液态金属2.8进行馈电。
所述可重构方式是通过从硅橡胶柱筒状软管1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8底部开口处鼓气，随着鼓气时间的增加，硅橡胶柱筒状软管1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8会逐渐膨胀，硅橡胶柱筒状软管内部的螺旋状液态金属2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8尺寸和形状随之也会发生改变，可实现天线的频率可重构。
所述螺旋状液态金属2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8的旋向为右，为右旋圆极化，将螺旋腔对称变化，则螺旋状液态金属2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8的旋向为左，为左旋圆极化，实现天线的极化可重构。
与传统的液态金属汞相比，由75％的镓单质和25％的铟单质混合构成的镓铟合金，不仅拥有和汞相似的物理性质，而且镓铟合金无毒无害，不会对人体产生危害，更适合科研人员使用，所以螺旋状液态金属2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8为镓铟合金(EGaIn)。
硅橡胶柱筒状软管(1.1)(1.2)(1.3)(1.4)(1.5)(1.6)(1.7)(1.8)的未发生膨胀时的内直径为5mm，壁厚为2.4mm，高度为30.9mm；螺旋状液态金属(2.1)(2.2)(2.3)(2.4)(2.5)(2.6)(2.7)(2.8)直径为7mm、螺旋邻圈之间的节距为7.7mm、圈数为3,高度为25.4mm；金属地板(3)的长度为400mm,宽度为300mm。
以下结合附图对天线性能做进一步详细说明：
图6为上述实施方式以右旋圆极化状态工作在12-18GHz频段内的反射系数，图中横轴为频率，纵轴为反射系数幅度。
图7为上述实施方式以右旋圆极化状态工作在8.5-12GHz频段内的反射系数，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 (4)

1.一种基于柔性可伸缩材料腔体的频率极化可重构液态金属螺旋天线阵列，包括硅橡胶柱筒状软管(1.1)(1.2)(1.3)(1.4)(1.5)(1.6)(1.7)(1.8)、螺旋状液态金属(2.1)(2.2)(2.3)(2.4)(2.5)(2.6)(2.7)(2.8)、金属地板(3)、同轴馈线(4.1)(4.2)(4.3)(4.4)(4.5)(4.6)(4.7)(4.8)，其特征在于：硅橡胶柱筒状软管(1.1)(1.2)(1.3)(1.4)(1.5)(1.6)(1.7)(1.8)包括硅橡胶柱状外套(5)、硅橡胶附有螺旋槽内套(6)，所述硅橡胶柱状外套(5)与硅橡胶附有螺旋槽内套(6)粘接密封在一起。
2.根据权利要求1所述的基于柔性可伸缩材料腔体的频率极化可重构液态金属螺旋天线阵列，其特征在于：螺旋状液态金属(2.1)位于硅橡胶柱筒状软管(1.1)内，同轴馈线(4.1)穿过金属地板(3)、硅橡胶柱筒状软管(1.1)底部与螺旋状液态金属(2.1)相连接；螺旋状液态金属(2.2)位于硅橡胶柱筒状软管(1.2)内，同轴馈线(4.2)穿过金属地板(3)、硅橡胶柱筒状软管(1.2)底部与螺旋状液态金属(2.2)相连接；螺旋状液态金属(2.3)位于硅橡胶柱筒状软管(1.3)内，同轴馈线(4.3)穿过金属地板(3)、硅橡胶柱筒状软管(1.3)底部与螺旋状液态金属(2.3)相连接；螺旋状液态金属(2.4)位于硅橡胶柱筒状软管(1.4)内，同轴馈线(4.4)穿过金属地板(3)、硅橡胶柱筒状软管(1.4)底部与螺旋状液态金属(2.4)相连接；螺旋状液态金属(2.5)位于硅橡胶柱筒状软管(1.5)内，同轴馈线(4.5)穿过金属地板(3)、硅橡胶柱筒状软管(1.5)底部与螺旋状液态金属(2.5)相连接；螺旋状液态金属(2.6)位于硅橡胶柱筒状软管(1.6)内，同轴馈线(4.6)穿过金属地板(3)、硅橡胶柱筒状软管(1.6)底部与螺旋状液态金属(2.6)相连接；螺旋状液态金属(2.7)位于硅橡胶柱筒状软管(1.7)内，同轴馈线(4.7)穿过金属地板(3)、硅橡胶柱筒状软管(1.7)底部与螺旋状液态金属(2.7)相连接；螺旋状液态金属(2.8)位于硅橡胶柱筒状软管(1.8)内，同轴馈线(4.8)穿过金属地板(3)、硅橡胶柱筒状软管(1.8)底部与螺旋状液态金属(2.8)相连接。
3.根据权利要求1所述的基于柔性可伸缩材料腔体的频率极化可重构液态金属螺旋天线阵列，其特征在于：所述硅橡胶柱筒状软管(1.1)(1.2)(1.3)(1.4)(1.5)(1.6)(1.7)(1.8)的未发生膨胀时的内直径为5mm，壁厚为2.4mm，高度为30.9mm；螺旋状液态金属(2.1)(2.2)(2.3)(2.4)(2.5)(2.6)(2.7)(2.8)直径为7mm、螺旋邻圈之间的节距为7.7mm、圈数为3,高度为25.4mm；金属地板(3)的长度为400mm,宽度为300mm。
4.根据权利要求1所述的基于柔性可伸缩材料腔体的频率极化可重构液态金属螺旋天线阵列，其特征在于螺旋状液态金属(2.1)(2.2)(2.3)(2.4)(2.5)(2.6)(2.7)(2.8)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。
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