一种基于液态金属的背腔自相移极化可重构天线

1.本发明涉及一种基于液态金属的背腔自相移极化可重构天线，属于无线电技术领域。


背景技术：

2.随着无线通信技术的快速发展，极化可重构天线因其可以减少极化失配，增加信道容量和质量而受到了广泛地关注。实现天线极化可重构的方法目前有很多例如机械控制、电控或者光控。近年来，具有可变形和可移动特性的液态金属被用来实现极化可重构。液态金属具有稳定的流动状态和低毒性，因此使用安全。采用液态金属实现极化的可重构相比传统方法具有低损耗，高功率操作和更广泛的操作范围等优势。在基于液态金属的极化可重构天线中，有贴片天线、振子天线，天线的增益相对较低，且在这些天线中液态金属被用作主要辐射单元，通过改变液态金属相对于天线主体的位置或者拉伸液态金属以实现极化的可重构，这些天线存在的主要问题是由于液态金属作为主要辐射单元使得可重构控制即采用的改变液态金属位置和状态的手段相对复杂，精度低，而且由于液态金属辐射单元的引入使得天线的制作成本相比传统天线变高，制作工艺复杂。


技术实现要素：

3.本发明为了解决上述现有技术存在的问题，提供一种基于液态金属的背腔自相移极化可重构天线。
4.本发明的技术方案：
5.一种基于液态金属的背腔自相移极化可重构天线，从上到下依次包括微流通道1、振子臂2、介质板3和背腔4；其中，背腔4是顶面为空的长方体形腔，背腔4的四角分别设有介质柱5与介质板3连接，振子臂2数量为四并正交分布印刷在介质板3上，每个振子臂2的上方附着1个微流通道1，微流通道1内装载液态金属柱10，同轴线通过截取两脚的射频同轴连接器sma-ke与振子臂2连接，通过在微流通道1的末端施加空气压力改变液态金属柱10相对振子臂2末端的位置。
6.进一步限定，同轴线通过金属圆盘7和馈电金属条与两个互相垂直的振子臂2连接，同轴线外导体通过射频同轴连接器sma-ke的剩余两脚8和馈电金属条与另外两个互相垂直的振子臂2连接。
7.进一步限定，微流通道1为一端弯曲的聚四氟乙烯管材，且四个正交分布的微流通道1相近端为弯曲端。
8.进一步限定，微流通道1管壁厚度为t，液态金属柱10直径为d，长度为l1。
9.进一步限定，每个振子臂2的长度为l，宽度为w。
10.进一步限定，介质板3是介电常数4.4，损耗角正切0.005的fr-4基板，介质板3的形状是边长为a、厚度为1mm的正方形。
11.进一步限定，背腔4是边长为b，高度为h的长方体形腔，介质板3与背腔4的底面间
距离为h1。
12.进一步限定，金属圆盘7直径为1.6mm，馈电金属条的宽度为1mm。
13.进一步限定，微流通道1内壁加载naoh，用于润滑，防止液态金属柱10黏着在微流通道1的管壁上。
14.进一步限定，液态金属柱10是液态金属galinstan，具体的是由68.5％ga、21.5％in和10.0％sn组成的镓基合金，无毒。
15.本发明具有以下有益效果：本发明将振子臂与固定长度的液态金属柱耦合连接，并以可移动的液态金属柱作为天线的极化控制单元，具体的将液态金属柱装载在四氟乙烯管道中并附着在十字印刷振子臂表面，通过空气压力推动固定长度液态金属柱，使得振子臂相对电长度发生改变进而改变辐射振子的自身相位，使得正交振子间的相位差发生改变，最终实现极化的可重构，具有控制方法简单，制作成本低等优点。此外，还使用背腔作为反射器来提高增益改善天线性能。
附图说明
16.图1为本发明提供的天线的整体结构示意图；
17.图2为本发明提供的天线的俯视图；
18.图3为图2中a处放大图；
19.图4为图2中b-b处剖视图；
20.图5为本发明提供的天线的反射系数仿真结果图；
21.图6为本发明提供的天线的圆极化轴比与增益仿真结果图；
22.图7为本发明提供的天线的线极化辐射方向图仿真结果；
23.图8为本发明提供的天线的右旋圆极化状态下辐射方向图仿真结果；
24.图中1-微流通道，2-振子臂，3-介质板，4-背腔，5-介质柱，7-金属圆盘，8-射频同轴连接器sma-ke的剩余脚，9-截取两脚的射频同轴连接器sma-ke，10-液态金属柱。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
26.下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
27.实施例1：
28.如图1-4所示，基于液态金属的背腔自相移极化可重构天线从上到下依次包括微流通道1、振子臂2、介质板3和背腔4；
29.其中，背腔4是顶面为空，边长b为400mm，高度h为72mm的长方体形金属腔，背腔4的四角分别设有介质柱5与介质板3连接，使介质板3与背腔4的底面间距离h1为72.27mm，介质板3是介电常数4.4，损耗角正切0.005，边长a为300mm的正方形fr-4基板，介质柱5的直径为2mm；
30.振子臂2数量为4，每个振子臂2的长度l为59mm，宽度w为10mm，4个振子臂2正交分布印刷在介质板3上，每个振子臂2的上方附着1个微流通道1，微流通道1内装载长度l1为50mm的液态金属柱10，液态金属柱10的直径d为2mm；为了防止正交的微流通道1在中心处交叉重叠，同时方便在天线中心处对微流通道1施加空气压力，中心处微流通道1的末端歪曲向上；
31.微流通道1管壁厚度t为0.5mm，内径为2mm，外径为3mm，介电常数为2.8、损耗角正切为0.0005，微流通道1长度不限，保证液态金属柱10始终位于微流通道1内即可。
32.上述天线采用同轴线进行馈电，同轴线通过截取两脚的射频同轴连接器sma-ke与振子臂2连接，具体的同轴线的内导体通过金属圆盘7和馈电金属条与两个互相垂直的振子臂2连接，同轴线外导体通过两个射频同轴连接器sma-ke 9的剩余脚8和馈电金属条与另外两个互相垂直的振子臂2连接，保证在没有液态金属柱10加载时竖直振子与水平振子(正交振子)的幅度和相位相同，其中金属圆盘7直径为1.6mm，馈电金属条的宽度为1mm。
33.通过在4个微流通道1末端施加空气压力，使得液态金属柱10的位置发生改变(液态金属柱10始终位于微流通道1内)，由于液态金属柱10与振子臂2耦合相连，因此当液态金属柱10部分移出振子臂2边缘时可以改变振子的等效电长度，定义x轴方向液态金属柱10移出振子臂2末端的距离为δlx，y轴方向液态金属柱10移出振子臂2末端的距离为移出距离为δly，因此该天线正交的振子通过改变长度而发生自身相位改变，振子间相位差可由0度变化为90度，实现圆极化。
34.通过仿真验证可知，当δlx＝28mm且δly＝0mm时天线实现右旋圆极化；当δlx＝0mm且δly＝28mm，天线实现左旋圆极化；当δlx＝28mm且δly＝28mm时，天线工作在线极化模式。
35.对上述天线进行cst软件建模，得到最终的仿真结果如图5-8所示，由于左旋圆极化和右旋圆极化原理相同且结果相似，因此本文仅研究其中一种仿真结果即可。其中，图5给出了天线在右旋圆极化状态和线极化状态下的仿真反射系数结果，由图可知，天线在线极化时的阻抗带宽为17.2％，工作频率从0.69ghz到0.82ghz；天线在圆极时化时的阻抗带宽为27.2％，工作频率从0.7ghz到0.92ghz。
36.图6给出了天线在圆极化状态时，3db轴比带宽为0.72-0.77ghz，由此可知，天线的最终工作频带由重叠的轴比带宽来确定，天线的工作频段为0.72ghz到0.77ghz。图6同时给出了天线在两种状态下的增益图，可以看出在圆极化时最大增益为10.6dbi，线极化时为10.3dbi。
37.图7和图8给出了在0.75ghz时天线在两种状态下的辐射方向图，由图可知，天线具有较好的定向辐射特性，且天线的交叉极化水平较低。