[发明专利]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

说明书

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。

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。