CN116960609B - 一种频率与极化可重构的微流控天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种频率与极化可重构的微流控天线，包括液态金属位置、液态金属位置、液态金属位置，液态金属EGaIn、介质基板、金属贴片、微流控驱动装置、导线、上电极、下电极、弹性薄膜、绝缘环，气腔、通气孔和微流道，金属贴片在介质基板的上层，金属贴片包括与微带馈线连接的主辐射贴片和枝节贴片，通过微流控驱动技术控制液态金属移动，连接或断开不同辐射枝节，以实现频率与极化重构。本发明利用共面波导馈电和微带线传输实现频率与极化特性，结合了微带线损耗低、波导馈电带宽较宽的优势，轴比小，大范围覆盖了5G sub‑6‑GHz波段和ITU波段，且小而薄、操作方便、支持高功率输入、噪音低、寿命高。

Description

一种频率与极化可重构的微流控天线
技术领域
本发明涉及一种频率与极化可重构的微流控天线，属于通信技术领域。
背景技术
目前，无线通信和物联网等新兴应用技术的快速发展导致了对满足苛刻的多波段应用的紧凑型无线通信***的巨大需求，具有宽带频率可重构的天线是实现这一目标的重要器件。在复杂多变的环境下工作，极化是决定接收天线捕获功率水平的关键因素。在用户携带随机方向设备的无线通信***中，如果发射和接收天线都是单极化，很容易发生极化失配，导致功率效率降低。在最坏的情况下，如果发射天线和接收天线是正交方向的线偏振(LP)或旋转方向相反的圆偏振(CP)，极化状态可能完全不匹配。多极化可重构天线可解决此类无线通信中极化失配的问题。近年来，随着无线通信的发展，5G sub-6-GHz波段(4.4GHz-5 GHz)和ITU波段(7.7GHz-8.1GHz)有广泛开发前景。在馈电方式中，共面波导技术(CPW)馈电具有体积小、宽频带、单金属层的特点，使它便于获得线极化、圆极化和多频段工作等性能；又由于共面波导技术(CPW)馈电的平面天线具有辐射损耗低、色散小、易于集成半导体器件、易于与边缘馈电连接器组装等优点，成为了近年来天线设计的一个重要研究热点。
天线的可重构性通常使用半导体器件来完成，如变极管、二极管或晶体管，但是，在发射路径上会引入失真或在无线链接的接收路径上降低噪声比，尤其是高频段，且不适合高功率工作。微电子机械***(MEMS)也常被用于可重构天线，但工作电压高，且其平均故障时间低于半导体器件。
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，提供了一种频率与极化可重构的微流控天线，该微流控天线通过表面的微带传输、金属辐射贴片的共面波导效果增加带宽，通过微流控驱动技术移动金属液滴以连接或断开不同金属枝节，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带与极化可重构，支持高功率输入，噪音低，寿命高于MEMS天线，且小而薄、结构简单、操作方便。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种频率与极化可重构的微流控天线，该微流控天线包括液态金属位置1、液态金属位置2、液态金属位置3，液态金属EGaIn4、介质基板5、金属贴片6、微流控驱动装置7、导线8、上电极9、下电极10、弹性薄膜11、绝缘环12，气腔13、通气孔14和微流道15。金属贴片6在介质基板5的上层。金属贴片6包括与微带馈线连接的主辐射贴片以及控制频率和极化重构的枝节贴片，通过微流控驱动控制液态金属移动，连接或断开不同辐射枝节。所述微流控驱动装置7包括导线8、上电极9、下电极10、弹性薄膜11、绝缘环12、气腔13、通气孔14和微流道15；所述上电极9尺寸大于所述下电极10尺寸，且下电极10周围设有绝缘环12，绝缘环12的厚度略大于下电极10的厚度；所述上电极9与所述弹性薄膜11的上表面相粘连；所述上电极9和所述下电极10均为金属箔片，且分别连接有导线8；所述微流道15横截面是矩形，且其内密封有氮气和液态金属EGaIn 4，所述液态金属EGaIn 4位于所述氮气之间，所述微流道15的一端与所述微流控驱动装置7的气腔13通过通气孔14连通，另一端密封。
进一步的，本发明微流控天线由液态金属EGaIn 4、介质基板5、金属贴片6和微流控驱动装置7组成。位于表层的金属贴片包含主辐射贴片和枝节，且特定枝节之间通过微流控驱动装置7驱动液态金属EGaIn 4改换位置来连结或断开。在介质基板5上分别开有长1mm、宽4mm、深0.1mm，长为1mm、宽为4.5mm、深为0.1mm和长1mm、宽4mm、深0.1mm的三个流道。微流控驱动装置7包括导线8、上电极9、下电极10、弹性薄膜11、绝缘环12、气腔13、通气孔14和微流道15。
进一步的，本发明所述主辐射贴片由8个矩形几何拼接组成，其尺寸分别为长5.8mm、宽3.2mm；长5.2mm、宽1.5mm；长1.5mm、宽1.7mm；长3mm、宽2mm；长3mm、宽6.5mm；长24mm、宽2mm；长21mm、宽1.5mm；长2mm、宽14mm。所述金属辐射枝节包括上端、中端和下端枝节。本发明包括上端枝节贴片、中端枝节贴片和下端枝节贴片。上端枝节贴片呈L形，由长2mm，宽1.5mm和长15mm，宽1.5mm的矩形金属箔片组成；所述中端枝节贴片由长3.7mm，宽1.5mm的矩形金属箔片组成。本发明下端枝节贴片呈L形，由长1.5mm，宽2.8mm和长3.5mm，宽1.5mm的矩形金属箔片组成。
进一步的，本发明通过微流控驱动装置7施加电压可以驱动液态金属EGaIn 4变换位置，进而连接或断开不同的金属枝节，实现工作频带和极化的动态调控。频带和极化有如下四种可重构状态，具体包括：
状态1：位置1有液态金属，使相应位置的金属枝节连结；位置2无液态金属，对应金属枝节断开；位置3无液态金属，对应金属枝节断开，如图9(a)所示。此时天线为线极化，工作在4.4～5GHz波段内。
状态2：位置1有液态金属，使相应位置的金属枝节连结；位置2有液态金属，使相应位置的金属枝节连结；位置3无液态金属，对应金属枝节断开，如图9(b)所示。此时天线为圆极化，工作在4.4～5GHz波段内。
状态3：位置1无液态金属，对应金属枝节断开；位置2有液态金属，使相应位置的金属枝节连结；位置3无液态金属，对应金属枝节断开，如图9(c)所示。此时天线为线极化，工作在7.7～8.5GHz波段内。
状态4：位置1无液态金属，对应金属枝节断开；位置2有液态金属，使相应位置的金属枝节连结；位置3有液态金属，使相应位置的金属枝节连结，如图9(d)所示。此时天线为圆极化，工作在7.7～8.5GHz波段内。
进一步的，本发明所述介质基板5为介电常数2.2、正切损耗角为0.0007的聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板F4BM220。
进一步的，本发明所述介质基板5为长28mm，宽22mm，厚度1.5mm的长方体。
进一步的，本发明有益效果：
1、本发明利用共面波导馈电和微带线传输实现天线的频率特性和极化特性，很好地结合了微带线损耗低、波导馈电带宽较宽的两大优势，且轴比小，大范围覆盖了5G sub-6-GHz波段和ITU波段。
2、本发明结合微流控，通过微流控驱动技术控制液态金属移动，连接或断开不同辐射枝节，实现了天线的频率重构或极化重构。
3、本发明轻薄而微小、结构简单、操作方便、支持高功率输入、噪音低，寿命高、带宽宽、轴比小、极化性能优。
附图说明
图1为频率与极化可重构的微流控天线介质基板上部分结构示意图。
标识说明：1-液态金属位置，2-液态金属位置，3-液态金属位置，4-液态金属EGaIn，5-介质基板，6-金属贴片，7-微流控驱动装置。
图2为频率与极化可重构的微流控天线介质基板上部分正视图。
图3为频率与极化可重构的微流控天线上端枝节贴片。
图4为频率与极化可重构的微流控天线中端枝节贴片。
图5为频率与极化可重构的微流控天线下端枝节贴片。
图6为频率与极化可重构的微流控天线的微流控驱动装置立体结构图。
标识说明：15-微流道。
图7为频率与极化可重构的微流控天线的微流控驱动装置剖面图。
标识说明：8-导线，9-上电极，10-下电极，11-弹性薄膜，12-绝缘环，13-气腔，14-通气孔。
图8为频率与极化可重构的微流控天线的微流控驱动装置施加电压时的剖面图。
图9为频率与极化可重构的微流控天线四种状态的示意图。
其中，图9(a)、图9(b)、图9(c)、图9(d)为微流控天线四种状态示意图。
图10为频率与极化可重构的微流控天线状态一和状态二工作时的回波损耗曲线图。
图11为频率与极化可重构的微流控天线状态三和状态四工作时的回波损耗曲线图。
图12为频率与极化可重构的微流控天线状态二工作时的轴比曲线图。
图13为频率与极化可重构的微流控天线状态四工作时的轴比曲线图。
图14为频率与极化可重构的微流控天线状态一和状态二工作时在XOZ面上的辐射方向图。
图15为频率与极化可重构的微流控天线状态一和状态二工作时在YOZ面上的辐射方向图。
图16为频率与极化可重构的微流控天线状态三和状态四工作时在XOZ面上的辐射方向图。
图17为频率与极化可重构的微流控天线状态三和状态四工作时在YOZ面上的辐射方向图。
图18为频率与极化可重构的微流控天线状态一和状态二工作时增益仿真曲线。
图19为频率与极化可重构的微流控天线状态三和状态四工作时增益仿真曲线。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提供了一种频率与极化可重构的微流控天线，该微流控天线包括介质基板5、金属贴片6、液态金属EGaIn 4、微流控驱动装置7。表层金属贴片包含主辐射贴片和枝节，且特定枝节之间通过微流控驱动装置7驱动液态金属EGaIn 4改换位置来连结或断开。在介质基板5上开有长1mm、宽4mm、深0.1mm，长1mm、宽4.5mm、深0.1mm，长1mm、宽4mm、深0.1mm和长1mm、宽4mm、深0.1mm的三个流道。
如图6、图7和图8所示，微流控驱动装置7包括导线8、上电极9、下电极10、弹性薄膜11、绝缘环12、气腔13、通气孔14和微流道15；微流道15中密封有氮气和液态金属EGaIn4。气腔13中也密封有氮气，且气腔13通过通气孔14与微流道15一端相连，微流道15的另一端处于密封状态。下电极10的尺寸要小于上电极9的尺寸，且下电极10周围设置有厚度略高于下电极10的绝缘环12，防止上电极9和下电极10因静电吸引粘合在一起；下电极10和绝缘环12固定在气腔13的底部，上电极9与弹性薄膜11粘连；上电极9和下电极10都分别连接有导线8，用于给电极施加电压；施加电压时，因上下电极10静电吸引，上电极9带动弹性薄膜11向下移动，排出气腔13中的氮气，驱动微流道15中的金属液滴前移，使金属枝节连结；断开电极9和10的电源，弹性薄膜11带动上电极9回弹至初始位置，气腔13空间增大，吸入氮气，带动金属液滴后移，使金属枝节断开。
由此，本发明通过微流控驱动技术驱动液态金属的移动，连结或断开枝节贴片，改变天线辐射贴片的结构，从而实现天线的工作频段和极化重构。
本发明天线的相关参数如表1所示。
表1
参数 W1 W2 W3 W4 W5
值(mm) 3.2 1.5 1.7 2 6.5
参数 W6 W7 W8 W9 W10
值(mm) 2 1.5 14 1.5 1.5
参数 W11 W12 W13 L1 L2
值(mm) 1.5 2.8 1.5 5.8 5.2
参数 L3 L4 L5 L6 L7
值(mm) 1.5 3 3 24 21
参数 L8 L9 L10 L11 L12
值(mm) 2 2 15 3.7 1.5
参数 L13
值(mm) 3.5
图10～13分别是天线在四种状态时的|S11|仿真曲线和轴比仿真曲线。由图9～12可以看出，天线工作在状态一时，阻抗带宽为14.15％(4.4～5.07GHz)；天线工作在状态二时，阻抗带宽为22.08％(4.03～5.03GHz)，3dB轴比带宽为31.12％(4.26～5.83GHz)；天线工作在状态三时，阻抗带宽为36.52％(6.96～10.07GHz)；天线工作在状态四时，阻抗带宽为68.31％(4.73～10.01GHz)，3dB轴比带宽为18.27％(7.31～8.78GHz)。
图14～17给出了天线在四种状态下中心频率处的远场方向图，可以看出天线在四种工作状态下都具有良好的辐射特性。
图18、19分别是天线在四种状态下的增益仿真曲线，可以看出四种工作状态在5Gsub-6-GHz波段(4.4GHz-5 GHz)或ITU波段(7.7GHz-8.1GHz)中的平均增益分别为3.10dB、2.27dB、3.14dB和3.21dB。
本发明频带和极化有如下四种可重构状态，具体包括：
状态1：位置1有液态金属，使相应位置的金属枝节连结；位置2无液态金属，对应金属枝节断开；位置3无液态金属，对应金属枝节断开，如图9(a)所示。此时天线为线极化，工作在4.4～5GHz波段内。
状态2：位置1有液态金属，使相应位置的金属枝节连结；位置2有液态金属，使相应位置的金属枝节连结；位置3无液态金属，对应金属枝节断开，如图9(b)所示。此时天线为圆极化，工作在4.4～5GHz波段内。
状态3：位置1无液态金属，对应金属枝节断开；位置2有液态金属，使相应位置的金属枝节连结；位置3无液态金属，对应金属枝节断开，如图9(c)所示。此时天线为线极化，工作在7.7～8.5GHz波段内。
状态4：位置1无液态金属，对应金属枝节断开；位置2有液态金属，使相应位置的金属枝节连结；位置3有液态金属，使相应位置的金属枝节连结，如图9(d)所示。此时天线为圆极化，工作在7.7～8.5GHz波段内。
本发明通过微流控技术实现天线的工作频段和极化的可重构性，覆盖了5G sub-6-GHz波段(4.4GHz-5 GHz)和ITU波段(7.7GHz-8.1GHz)。本发明具有频带覆盖范围宽，实用性强，可电压操控，功能性强等特点，且小而薄、结构简单、操作方便、支持高功率输入、噪音低，寿命高、带宽宽、轴比小。
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 (6)

1.一种频率与极化可重构的微流控天线，其特征在于：所述微流控天线包括第一液态金属位置(1)、第二液态金属位置(2)、第三液态金属位置(3)，液态金属EGaIn(4)、介质基板(5)、金属贴片(6)、微流控驱动装置(7)，其中，微流控驱动装置(7)包括导线(8)、上电极(9)、下电极(10)、弹性薄膜(11)、绝缘环(12)，气腔(13)、通气孔(14)和微流道(15)，所述的金属贴片(6)在介质基板(5)的上层，所述的金属贴片(6)包括与微带馈线连接的主辐射贴片以及控制频率和极化重构的枝节贴片，通过微流控驱动装置控制液态金属移动，连接或断开不同辐射枝节；
所述的微流控驱动装置(7)包括导线(8)、上电极(9)、下电极(10)、弹性薄膜(11)、绝缘环(12)、气腔(13)、通气孔(14)和微流道(15)，所述的上电极(9)尺寸大于所述下电极(10)尺寸，且下电极(10)周围设有绝缘环(12)，绝缘环(12)的厚度大于下电极(10)的厚度，所述的上电极(9)与所述弹性薄膜(11)的上表面相粘连，弹性薄膜(11)固定在气腔(13)的顶部，下电极(10)和绝缘环(12)固定在气腔(13)的底部；
所述的上电极(9)和所述下电极(10)均为金属箔片，且分别连接有导线(8)，所述微流道(15)横截面是矩形，且其内密封有氮气和液态金属EGaIn(4)，所述的液态金属EGaIn(4)位于所述氮气之间，所述的微流道(15)的一端与所述微流控驱动装置(7)的气腔(13)通过通气孔(14)连通，另一端密封。
2.根据权利要求1所述的一种频率与极化可重构的微流控天线，其特征在于：所述主辐射贴片由8个矩形几何拼接组成，其尺寸分别为长5.8mm、宽3.2mm；长5.2mm、宽1.5mm，长1.5mm、宽1.7mm；长3mm、宽2mm；长3mm、宽6.5mm；长24mm、宽2mm；长21mm、宽1.5mm；长2mm、宽14mm。
3.根据权利要求1所述的一种频率与极化可重构的微流控天线，其特征在于：所述微流控天线包括上端枝节贴片、中端枝节贴片和下端枝节贴片，所述上端枝节贴片呈L形，由长2mm，宽1.5mm和长15mm，宽1.5mm的矩形金属组成；所述的中端枝节贴片由长3.7mm，宽1.5mm的矩形金属组成，所述下端枝节贴片呈L形，由长1.5mm，宽2.8mm和长3.5mm，宽1.5mm的矩形金属组成。
4.根据权利要求1所述的一种频率与极化可重构的微流控天线，其特征在于：所述介质基板(5)为介电常数2.2、正切损耗角为0.0007的聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板F4BM220。
5.根据权利要求1所述的一种频率与极化可重构的微流控天线，其特征在于：所述介质基板(5)长为28mm，宽为22mm，厚度为1.5mm的长方体。
6.根据权利要求1所述的一种频率与极化可重构的微流控天线，其特征在于：所述介质基板(5)的三个液态金属的位置分别开了长1mm、宽4mm、深0.1mm，长1mm、宽4.5mm、深0.1mm，长1mm、宽4mm、深0.1mm的流道。
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