CN117525878A - 一种频率可重构的微流控mimo天线 - Google Patents

一种频率可重构的微流控mimo天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种频率可重构的微流控MIMO天线，包括介质基板、两个位于介质基板上层的天线单元和天线单元、液态金属位置一、液态金属位置二、液态金属位置三、液态金属位置四7、微流控驱动装置8、液态金属EGaIn9、置于介质基板下层的接地面和寄生贴片，两个天线单元结构相同，水平镜像对称排列，每个单元结构包含微带线、主辐射贴片、上端枝节贴片与侧枝节贴片，接地面包含槽一、槽二和槽三，通过微流控驱动技术驱动液态金属连接或断开不同辐射枝节来实现频率重构。本发明可在5G双频段和6G频段共三个频段重构，具有体积小、结构简单、隔离度高、寿命长的优点，无半导体重构天线会在发射路径引入失真和降低接收路径噪音比的缺点，且支持高功率输入。

Description

一种频率可重构的微流控MIMO天线
技术领域
本发明涉及一种频率可重构的微流控MIMO天线，属于无线通信技术领域。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，多频段的无线通信系统具有大量的需求。频率可重构天线是实现这一目标的重要器件。与传统的单输入单输出通信系统相比，MIMO系统是个多输入多输出系统，通过在输入输出端放置多个天线，不仅能够有效地抑制多径效应，提高信号的可靠性和稳定性，也能更有效地在不拓展信号的带宽的前提下，传输更多的信号，实现信号的高效传输。将MIMO系统中的天线单元换成频率可重构天线，能够根据MIMO系统切换到所需要的工作频段，加大系统的工作频段覆盖范围。2023年6月27日，工业和信息化部发布新版《中华人民共和国无线电频率划分规定》，率先在全球将5925-7125MHz全部或部分频段划分用于IMT(国际移动通信，含5G/6G系统)。近年来，5G双频段(3.4-3.6GHz、4.8-5GHz)有着广泛的应用。6G则是未来发展方向。
大多数频率可重构MIMO天线通常使用半导体器件来实现频率可重构，如pin二极管和晶体管。但是，这些天线需要额外的电路和开关器件来实现频率的切换，这会增加功耗，并在无线链接的接收路径上降低噪声比。特别是在高频段或多天线系统中，需要更多的功率来驱动开关器件，从而导致系统能效降低。半导体器件还会在发射路径引入失真，不支持高功率工作。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有技术的缺陷和不足，提出了一种频率可重构的微流控MIMO天线，通过采用微带线馈电，利用接地面添加寄生枝节去耦合，利用液态金属的高导电率和流动性以及微流控驱动技术实现天线的频率可重构。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种频率可重构的微流控MIMO天线，该微流控MIMO天线包括介质基板1、两个位于所述介质基板1上层的天线单元2和天线单元二3、液态金属位置一4、液态金属位置二5、液态金属位置三6、液态金属位置四7、微流控驱动装置8、液态金属EGaIn9以及置于所述介质基板1下层的接地面14和寄生贴片15，两个所述微流控MIMO天线的单元结构完全相同，水平镜像对称排列，每个单元结构包含微带线10、主辐射贴片11、上端枝节贴片12与侧枝节贴片13，所述接地面14包含槽一16、槽二17和槽三18，所述微流控驱动装置8包括小孔19和微流道20，所述小孔19采用弹性孔，平时处于封口状态，细针管能够插入，所述微流道20横截面呈L型，其内密封有液态金属EGaIn9、硅油21和空气22，所述液态金属EGaIn9位于两个所述硅油21中间，该微流控MIMO天线通过微流控驱动技术移动液态金属，连接或断开不同辐射枝节来实现频率可重构。
进一步地，所述微流道20的数量为两个，且长为5mm、宽为3.5mm、圆角半径为0.3mm，通过微流控技术驱动液态金属EGaIn9改变其在微流道20中的位置，进而连接或者断开主辐射贴片11与上端枝节贴片12或侧枝节贴片13。
进一步地，所述微流控驱动技术是：使用注射器通过弹性小孔19在微流道20内注射硅油21，驱动液态金属EGaIn9由初始位置分别移动到液态金属位置一4、液态金属位置二5或者液态金属位置三6、液态金属位置四7，微流道20另一端的空气22被压缩，使用注射器通过小孔19抽取硅油21，则液态金属EGaIn9返回到位置液态金属位置一4、液态金属位置三6或初始位置。
进一步地，所述微带线10采用长为11mm、宽为2.8mm的矩形铜箔，所述主辐射贴片11采用长为3.5mm、宽为1mm、圆角半径为0.3mm的铜箔，所述上端枝节贴片12呈T形，由长为5.3mm、宽为1mm和长为3mm、宽为1mm的两个矩形铜箔组成，所述侧枝节贴片13采用长为2.5mm、宽为1mm的矩形铜箔。
进一步地，所述接地面14采用长为50mm、宽为8.8mm的矩形铜箔，所述槽一16和槽二17的长均为5mm、宽均为1.2mm。
进一步地，所述槽三18呈倒T形，由长为12.5mm、宽为1mm与长为5mm、宽为1mm的两个矩形组成。
进一步地，所述寄生贴片15采用长为31.2mm、宽为12mm的矩形铜箔。
进一步地，所述介质基板1为介电常数4.4、正切损耗角为0.016的FR-4环氧玻璃布层压板。
进一步地，所述介质基板1是长为50mm、宽为40mm、厚度为1.2mm的长方体。
进一步地，通过微流控驱动技术驱动液态金属EGaIn9变换位置，进而连接或断开不同的金属枝节，实现工作频带可重构。频带有如下三种可重构状态：
状态一：液态金属位置一4、液态金属位置二5、液态金属位置三6以及液态金属位置四7无液态金属，主辐射贴片11与上端枝节贴片12、侧枝节贴片13均断开，此时天线工作在5.925-7.125GHz频段内。
状态二：液态金属位置一4、液态金属位置三6有液态金属，液态金属位置二5、液态金属位置四7无液态金属，主辐射贴片11与侧枝节贴片13断开，与上端枝节贴片12连结，此时天线工作在3.4-3.6GHz频段内。
状态三：液态金属位置一4、液态金属位置三6无液态金属，液态金属位置二5、液态金属位置四7有液态金属，主辐射贴片11与侧枝节贴片13连结，与上端枝节贴片12断开，此时天线工作在4.8–5GHz频段内。
有益效果：
1、本发明通过微流控技术和液态金属实现天线工作频段的可重构，覆盖5G双频段(3.4-3.6GHz，4.8–5GHz)和6G频段(5.925-7.125GHz)。
2、本发明具有体积小、结构简单、隔离度高、寿命长的优点。
3、本发明无半导体重构天线会在发射路径引入失真和降低接收路径噪音比的缺点，且支持高功率输入。
附图说明
图1为本发明一种频率可重构的微流控MIMO天线介质基板上层结构示意图。
标识说明：1-介质基板，2-天线单元一，3-天线单元二，4-液态金属位置一，5-液态金属位置二，6-液态金属位置三，7-液态金属位置四，8-微流控驱动装置，9-液态金属EGaIn，10-微带线，11-主辐射贴片，12-上端枝节贴片，13-侧枝节贴片。
图2为本发明一种频率可重构的微流控MIMO天线介质基板下层结构示意图。
标识说明：14-接地面，15-寄生贴片，16-槽一，17-槽二，18-槽三。
图3为本发明微流控驱动装置示意图。
标识说明：9-液态金属，19-小孔，20-微流道，21-硅油，22-空气。
图4为本发明一种频率可重构的微流控MIMO天线介质基板上层注释图。
图5为本发明一种频率可重构的微流控MIMO天线介质基板下层注释图。
图6为本发明一种频率可重构的微流控MIMO天线状态一的示意图。
图7为本发明一种频率可重构的微流控MIMO天线状态一工作时的回波损耗和隔离度曲线图。
图8为本发明一种频率可重构的微流控MIMO天线状态一工作时的E面和H面的辐射方向图。
图9为本发明一种频率可重构的微流控MIMO天线状态二的示意图。
图10为本发明一种频率可重构的微流控MIMO天线状态二工作时的回波损耗和隔离度曲线图。
图11为本发明一种频率可重构的微流控MIMO天线状态二工作时的E面和H面的辐射方向图。
图12为本发明一种频率可重构的微流控MIMO天线状态三的示意图。
图13为本发明一种频率可重构的微流控MIMO天线状态三工作时的回波损耗和隔离度曲线图。
图14为本发明一种频率可重构的微流控MIMO天线状态三工作时的E面和H面的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明创造做进一步地详细说明。
如图1和图2所示，本发明提供了一种频率可重构的微流控MIMO天线，该天线包括介质基板1、两个位于介质基板上层的天线单元2和天线单元3、液态金属位置一4、液态金属位置二5、液态金属位置三6、液态金属位置四7、微流控驱动装置8、液态金属EGaIn9以及置于介质基板1下层的接地面14和寄生贴片15，两个微流控MIMO天线的单元结构完全相同，水平镜像对称排列，每个单元结构包含微带线10、主辐射贴片11、上端枝节贴片12与侧枝节贴片13，接地面14包含槽一16、槽二17和槽三18，该天线通过微流控驱动技术驱动液态金属连接或断开不同辐射枝节来实现频率重构。在介质基板1上刻有2个呈L型且长5mm、宽3.5mm、圆角半径0.3mm的微流道20。
微流控驱动装置8包括小孔19和微流道20，小孔19是弹性孔，平时处于封口状态，细针管可插入，所述微流道20横截面呈L型，其内密封有液态金属EGaIn9、硅油21和空气22，液态金属EGaIn9位于两个硅油21中间。
本发明通过微流控技术驱动液态金属EGaIn9改变其在微流道20中的位置，进而连接或者断开主辐射贴片11与上端枝节贴片12或侧枝节贴片13。微流控驱动技术是：使用注射器通过弹性小孔19在微流道20内注射硅油21，驱动液态金属EGaIn9由初始位置分别移动到液态金属位置一4、液态金属位置二5或者液态金属位置三6、液态金属位置四7，微流道20另一端的空气22被压缩，使用注射器通过小孔19抽取硅油21，则液态金属EGaIn9返回到位置液态金属位置一4、液态金属位置三6或初始位置。
本发明微带线10采用长为11mm、宽为2.8mm的矩形铜箔，主辐射贴片11采用长为3.5mm、宽为1mm、圆角半径为0.3mm的铜箔，上端枝节贴片12呈T形，由长为5.3mm、宽为1mm和长为3mm、宽为1mm的两个矩形铜箔组成，侧枝节贴片13采用长为2.5mm、宽为1mm的矩形铜箔。
本发明接地面14采用长为50mm、宽为8.8mm的矩形铜箔，槽一16和槽二17的长均为5mm、宽均为1.2mm。
本发明槽三18呈倒T形，由长为12.5mm、宽为1mm与长为5mm、宽为1mm的两个矩形组成。
本发明寄生贴片15采用长为31.2mm、宽为12mm的矩形铜箔。
本发明介质基板1为介电常数4.4、正切损耗角为0.016的FR-4环氧玻璃布层压板，且介质基板1是长为50mm、宽为40mm、厚度为1.2mm的长方体。
本发明通过微流控驱动技术驱动液态金属EGaIn9变换位置，进而连接或断开不同的金属枝节，实现工作频带可重构。频带有如下三种可重构状态：
状态一：液态金属位置一4、液态金属位置二5、液态金属位置三6以及液态金属位置四7无液态金属，主辐射贴片11与上端枝节贴片12、侧枝节贴片13均断开，此时天线工作在5.925-7.125GHz频段内。
状态二：液态金属位置一4、液态金属位置三6有液态金属，液态金属位置二5、液态金属位置四7无液态金属，主辐射贴片11与侧枝节贴片13断开，与上端枝节贴片12连结，此时天线工作在3.4-3.6GHz频段内。
状态三：液态金属位置一4、液态金属位置三6无液态金属，液态金属位置二5、液态金属位置四7有液态金属，主辐射贴片11与侧枝节贴片13连结，与上端枝节贴片12断开，此时天线工作在4.8–5GHz频段内。
本发明工作原理以图1中左侧天线单元为例，液态金属EGaIn9初始位置如图6所示，此时天线工作频段是5.73-7.17GHz。使用注射器通过弹性小孔19向微流道20内注射一定量的硅油21，驱动液态金属EGaIn9移动到液态金属位置一4，使主辐射贴片11与上端枝节贴片12连结，此时天线工作频段是3.31-3.79GHz。进一步注射硅油21，驱动液态金属EGaIn9移动到液态金属位置二5，使主辐射贴片11与上端枝节贴片12断开，而与侧枝节贴片13连结，此时天线工作频段是4.52-5.41GHz。使用注射器通过小孔19抽取硅油21，则液态金属EGaIn9又返回到液态金属位置一4或初始位置。本发明图1中右侧天线单元的结构和工作原理与左侧天线单元完全相同。
本发明仿真实验和数据如表1所示：
表1天线参数
参数 W1 W2 W3 W4 W5
值(mm) 2.8 1 1.2 5 12
参数 L1 L2 L3 L4 L5
值(mm) 11 3.5 2.5 5.3 3
参数 L6 L7 L8 L9 R
值(mm) 8.4 5 12.5 31.2 0.3
其中，图6、9、12分别是本发明一种频率可重构的微流控MIMO天线在三种状态时的|S11|和|S21|的仿真曲线，需要注意的是，MIMO天线每个端口的回波损耗曲线理论上是相同的，即S11＝S22。由图可以看出，本发明一种频率可重构的微流控MIMO天线工作在状态一时，阻抗带宽为23.1％(5.73-7.17GHz)，在工作频段内隔离度低于-25dB；工作在状态二时，阻抗带宽为13.5％(3.31-3.79GHz)，在工作频段内隔离度低于-20dB；工作在状态三时，阻抗带宽为17.9％(4.52-5.41GHz)，在工作频段内隔离度低于-25dB；
图8、11、14分别给出了本发明一种频率可重构的微流控MIMO天线在三种状态下中心频率处的远场方向图，可以看出在三种工作频率状态下都具有良好的全向辐射特性。
本发明通过微流控技术实现天线工作频段的可重构，覆盖5G双频段(3.4-3.6GHz，4.8–5GHz)和6G频段(5.925-7.125GHz)。本发明具有体积小、结构简单、操作方便和寿命长的优点，且隔离度高，支持高功率输入，无半导体重构天线会在发射路径引入失真和降低接收路径噪音比的缺点。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种频率可重构的微流控MIMO天线，其特征在于：所述微流控MIMO天线包括介质基板(1)、两个位于所述介质基板(1)上层的天线单元一(2)和天线单元二(3)、液态金属位置一(4)、液态金属位置二(5)、液态金属位置三(6)、液态金属位置四(7)、微流控驱动装置(8)、液态金属EGaIn(9)以及置于所述介质基板(1)下层的接地面(14)和寄生贴片(15)，两个所述微流控MIMO天线的单元结构完全相同，水平镜像对称排列，每个单元结构包含微带线(10)、主辐射贴片(11)、上端枝节贴片(12)与侧枝节贴片(13)，所述接地面(14)包含槽一(16)、槽二(17)和槽三(18)，
所述微流控驱动装置(8)包括小孔(19)和微流道(20)，所述小孔(19)采用弹性孔，平时处于封口状态，细针管能够插入，所述微流道(20)横截面呈L型，其内密封有液态金属EGaIn(9)、硅油(21)和空气(22)，所述液态金属EGaIn(9)位于两个所述硅油(21)中间。
2.根据权利要求1所述的一种频率可重构的微流控MIMO天线，其特征在于：所述微带线(10)采用长为11mm、宽为2.8mm的矩形铜箔，所述主辐射贴片(11)采用长为3.5mm、宽为1mm、圆角半径为0.3mm的铜箔，所述上端枝节贴片(12)呈T形，由长为5.3mm、宽为1mm和长为3mm、宽为1mm的两个矩形铜箔组成，所述侧枝节贴片(13)采用长为2.5mm、宽为1mm的矩形铜箔。
3.根据权利要求1所述的一种频率可重构的微流控MIMO天线，其特征在于：所述接地面(14)采用长为50mm，宽为8.4mm的矩形铜箔，所述槽一(16)和槽二(17)的长均为5mm、宽均为1.2mm。
4.根据权利要求1所述的一种频率可重构的微流控MIMO天线，其特征在于：所述槽三(18)呈倒T形，由长为12.5mm、宽为1mm与长为5mm、宽为1mm的两个矩形组成。
5.根据权利要求1所述的一种频率可重构的微流控MIMO天线，其特征在于：所述寄生贴片(15)采用长为31.2mm、宽为12mm的矩形铜箔。
6.根据权利要求1所述的一种频率可重构的微流控MIMO天线，其特征在于：所述介质基板(1)为介电常数4.4、正切损耗角为0.016的FR-4环氧玻璃布层压板。
7.根据权利要求1所述的一种频率可重构的微流控MIMO天线，其特征在于：所述介质基板(1)是长为50mm，宽为40mm，厚度为1.2mm的长方体。
8.根据权利要求1所述的一种频率可重构的微流控MIMO天线，其特征在于：所述微流道(20)的数量有两个，且长为5mm、宽为3.5mm、圆角半径为0.3mm。
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