基于液态金属的频率极化可重构螺旋天线

1.本发明属于天线技术领域，涉及一种基于液态金属的频率极化可重构螺旋天线及其重构方法，利用液态金属在室温下流动的特性改变天线螺旋双臂的长度和旋向实现可重构，能够根据环境的要求来调整其自身的工作性能。


背景技术：

2.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。
3.可重构天线根据重构的性质可以分为：频率可重构、极化可重构和方向图可重构。到目前为止，常见的可重构天线是通过变容二极管、pin二极管、微电子机械系统开关等射频开关实现可重构，这些设备往往需要直流偏置电路来激励，这就导致了天线结构复杂、产生非线性效应、低功率容量等缺点。
4.镓铟合金液态金属有着无毒、流动性强、高电导率(3.4
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106s/m)的特点，在可重构领域有很大的应用前景。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，而且液态金属可重构天线的可重构范围更大，液态金属由于柔软的特性，在柔性天线和可穿戴天线方面也有很大的应用前景。
5.2020年，ying liu等人在ieee transactions on antennas and propagation发表的“a frequency
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and polarization
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reconfigurable slot antenna using liquid metal”，该论文中提出了一种可重构缝隙天线，将液态金属填充在不同的微流管通道实现圆极化与频率的可重构，将液态金属全部抽出后，天线极化状态变为线极化。最终天线线极化工作在1.97
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2.3ghz，在2.27
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2.83ghz范围内可以实现左旋圆极化频率可重构，在2.19
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2.79ghz范围内可以实现右旋圆极化频率可重构。尽管该论文提出了多种可重构极化状态与多段可重构频段的缝隙天线，但是天线工作频段较窄，不满足超宽带可重构的要求。
6.目前所发表的关于液态金属频率可重构天线的论文或专利都存在上述的问题，并没有充分利用到液态金属的特性，而实现超宽带的频率极化可重构在通信领域有着重大的意义，为了解决该技术难题，本发明提出了一种超宽带可重构螺线天线，实现了0.35
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18ghz的50倍频工作范围，而且该发明还能实现右旋圆极化与左旋圆极化的转换。


技术实现要素：

7.本发明的目的是针对上述所提到的现有技术不足，提出一种基于液态金属的频率极化可重构螺旋天线，通过控制液态金属的填充长度来改变螺旋天线辐射双臂的尺寸与圈数，实现频率可重构；将液态金属填充在不同的微流管通道改变螺旋天线的旋向，实现极化可重构，该天线解决现有天线的可重构频率范围较窄，可重构性能单一的问题。
8.为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种基于液态金属的频率极化可
重构螺旋天线，包括微流管道介质基板1、微流管道2、螺旋金属贴片3、液态金属4、第一介质基板5、第二介质基板6、第三介质基板7、巴伦8、同轴馈线9、尼龙柱10，其特征在于：
9.所述微流管道介质基板1包括上层微流管道介质基板1.1、中层微流管道介质基板1.2和下层微流管道介质基板1.3；所述微流管道2包括左旋微流管道2.1和右旋微流管道2.2。
10.所述上层微流管道介质基板1.1与中层微流管道介质基板1.2接触的表面蚀刻有左旋微流管道2.1；所述下层微流管道介质基板1.3与中层微流管道介质基板1.2接触的表面蚀刻有右旋微流管道2.2，所述上层微流管道介质基板1.1、中层微流管道介质基板1.2和下层微流管道介质基板1.3之间利用热键和的方式密封在一起。
11.所述第二介质基板6与第一介质基板5接触的表面印制有螺旋金属贴片3；所述微流管道介质基板1与第二介质基板6之间利用双面胶连接；所述巴伦8末端焊接有同轴馈线9，巴伦8通过焊接的方式与第二介质基板6固定在一起；所述第三介质基板7开有缝隙，将巴伦8插入缝隙与第三介质基板7固定在一起；所述第一介质基板5、第二介质基板6和第三介质基板7通过尼龙柱10固定在一起。
12.所述液态金属4根据设计方案填充在微流管道2中，利用压力驱动液态金属4，控制液态金属4的长度和填充的位置实现天线的频率与极化重构。
13.所述在微流管道2内流动的液态金属4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
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106s/m。
14.所述微流管道介质基板1和第三介质基板7为聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)材料，聚甲基丙烯酸甲酯俗称为亚克力。
15.所述第一介质基板5采用fr4，第二介质基板6采用rogers5880。
16.综上所述，本发明的优点为：
17.本发明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亚克力制成的微流管道中，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。
18.本发明利用液态金属改变螺旋天线辐射双臂尺寸和形状，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。
19.液态金属的可塑性要比固态金属强很多，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。
20.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
21.图1是本发明一种基于液态金属的频率极化可重构螺旋天线的立体结构示意图。该图所示天线工作在0.35
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18ghz，天线半径为96mm，高度为32mm。
22.图2是图1所示天线结构的正面视图。
23.图3是图1所示天线结构的俯视图。
24.图4是图1所示天线的微流管道部分结构示意图。
25.图5是图1所示天线的微流管道部分结构正面视图。
26.图6是图1所示天线的微流管道部分分层结构示意图。
27.图7是图1所示天线结构工作在高频段右旋圆极化状态时的反射系数。
28.图8是图1所示天线结构工作在低频段右旋圆极化状态时的反射系数。
29.图9是图1所示天线结构工作在左旋圆极化状态时的反射系数。
30.图中：1、微流管道介质基板；2、微流管道；3、螺旋金属贴片；4、液态金属；5、第一介质基板；6、第二介质基板；7、第三介质基板；8、巴伦；9、同轴馈线；10、尼龙柱。
具体实施方式
31.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。
32.参照图1，参照图2，参照图3，参照图4，参照图5，参照图6。
33.一种频率极化可重构的螺旋天线由微流管道介质基板1、微流管道2、螺旋金属贴片3、液态金属4、第一介质基板5、第二介质基板6、第三介质基板7、巴伦8、同轴馈线9、尼龙柱10构成：
34.所述微流管道介质基板1包括上层微流管道介质基板1.1、中层微流管道介质基板1.2和下层微流管道介质基板1.3；所述微流管道2包括左旋微流管道2.1和右旋微流管道2.2。
35.所述上层微流管道介质基板1.1与中层微流管道介质基板1.2接触的表面蚀刻有左旋微流管道2.1；所述下层微流管道介质基板1.3与中层微流管道介质基板1.2接触的表面蚀刻有右旋微流管道2.2，所述上层微流管道介质基板1.1、中层微流管道介质基板1.2和下层微流管道介质基板1.3之间利用热键和的方式密封在一起。
36.所述第二介质基板6与第一介质基板5接触的表面印制有螺旋金属贴片3；所述微流管道介质基板1与第二介质基板6之间利用双面胶连接；所述巴伦8末端焊接有同轴馈线9，巴伦8通过焊接的方式与第二介质基板6固定在一起；所述第三介质基板7开有缝隙，将巴伦8插入缝隙与第三介质基板7固定在一起；所述第一介质基板5、第二介质基板6和第三介质基板7通过尼龙柱10固定在一起。
37.所述上层微流管道介质基板1.1和下层微流管道介质基板1.3的半径为50mm，厚度为1.5mm；中层微流管道介质基板1.2的半径为50mm，厚度为1.5mm；所述微流管道2深度为0.5mm，左旋微流管道2.1的宽度为4mm，右旋微流管道2.2的宽度为1.8mm；所述第一介质基板5是内圈半径为50mm，外圈半径为96mm，厚度为3mm的圆环；所述第二介质基板6半径为96mm，厚度为1.524mm；所述第三介质基板7半径为96mm，厚度为8mm。
38.所述微流管道介质基板1和第三介质基板7为聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)材料，聚甲基丙烯酸甲酯又俗称为亚克力；所述第一介质基板5采用fr4；所述第二介质基板6采用rogers5880。
39.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，所以液态金属4为镓铟合金(egain)。通过填充液态金属4可以改变螺旋天线双臂的长度，实现频率可重构；通过改变液态金属4的填充位置可以改变螺旋天线双臂的旋向，实现极化可重构。
40.所述基于液态金属的频率极化可重构螺旋天线可通过微流管道2内液态金属4的填充分布区分出三种工作状态。状态ⅰ：当左旋微流管道2.1內部为空气，右旋微流管道2.2內部部分填充液态金属4时，所述螺旋天线在第一种工作状态下可以实现1
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18ghz频段内右旋圆极化。状态ⅱ：当左旋微流管道2.1內部为空气，右旋微流管道2.2內部全部填充液态金属4时，所述螺旋天线在第二种工作状态下可以实现0.35
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5ghz频段内右旋圆极化。状态ⅲ：当左旋微流管道2.1內部填充液态金属4，右旋微流管道2.2內部为空气时，所述螺旋天线在第三种工作状态下可以实现左旋圆极化。
41.以下结合附图对天线性能做进一步详细说明：
42.图7为上述实施方式以右旋圆极化状态工作在1
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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。
43.图8为上述实施方式以右旋圆极化状态工作在0.35
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5gh频段内的反射系数，图中横轴为频率，纵轴为反射系数幅度。
44.图9为上述实施方式以左旋圆极化状态工作的反射系数，图中横轴为频率，纵轴为反射系数幅度。
45.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。