液體天線技術(shù)綜述

秦策

（北京市一六一中學(xué)高三年級五班）

液體天線技術(shù)綜述

秦策

（北京市一六一中學(xué)高三年級五班）

1 前言

在一些戰(zhàn)爭題材的電影中我們經(jīng)?？梢砸姷揭环N背包式的移動電臺，通訊兵裝備著它行走在戰(zhàn)場中，可以隨時撥打電話進行呼叫、聯(lián)絡(luò)。

然而，同樣是在影片中，也經(jīng)常會有這樣一幕出現(xiàn)：移動電臺上那一根長長的天線遭遇了爆炸而損毀，通訊兵嘗試電話求援，而沒有了天線的電臺已經(jīng)無法進行任何聯(lián)絡(luò)了。電影中短短的一幕足以說明天線對于電臺的重要性，同樣的，對于任何通訊系統(tǒng)而言，天線都是不可或缺的重要組成部分。

以上這些引發(fā)了我的思考。在這個手機已經(jīng)成為我們生活必需品的時代，相信軍用電臺也不再是以前那副笨拙的模樣了。它的背包應(yīng)該變的更小了，天線也一定更結(jié)實了。但是，難免的，在遭遇硬碰硬的撞擊時，如手機摔在地上，一樣還是很容易造成損壞，所以我想，能不能用液態(tài)金屬替代如今制作天線的材料，像電影《終結(jié)者》里面的液態(tài)金屬機器人一樣，遭遇攻擊后，能短時間內(nèi)復(fù)原并繼續(xù)工作。更大膽的想法是，能不能用液體完全取代金屬鑄造天線，這樣可以完美解決天線在使用過程中遭遇撞擊而損毀的問題。

本文綜述基于以上想法和疑問，在查閱相關(guān)資料后，對液體天線的概念以及發(fā)展進行了介紹，對其前景進行了展望并提出了自己的一些見解。

2 液體天線概述

2.1 液體天線的概念

液體天線，是指用導(dǎo)電液體取代普通天線輻射單元所使用的金屬材料所構(gòu)成的天線。液體天線有使用離子液體作輻射單元的，也有采用液態(tài)金屬或液晶材料的。相比于傳統(tǒng)的金屬天線，液體天線能夠在不施加壓力的狀態(tài)下變化成各種形狀，彎折也不會導(dǎo)致材料疲勞，甚至能在被破壞之后自我修復(fù)并且能消除空氣縫隙，具有巨大的優(yōu)勢和發(fā)展前景。

2.2 液體天線的歷史

在1970年的時候，Ting和King的研究表明電解質(zhì)填充管能夠諧振[1]。

還有研究表明導(dǎo)電液體和一些生物液體可以在微波頻段下作為天線工作[2]。其利用導(dǎo)電液體例如水銀、鹽水、甚至是生物液體（植物汁液）來設(shè)計、制作、開發(fā)新型的天線、無源器件和傳輸線。Yogesh Kosta團隊成功利用水銀作為輻射貼片制作出了圓形貼片液體微帶天線。

流體電介質(zhì)在結(jié)構(gòu)造型上具有巨大優(yōu)勢，并且可以通過消除氣隙來提升管子和電介質(zhì)之間的電磁耦合。氣隙通常是造成我們不希望的諧振和阻抗變化的原因。近年來，H.Fayad和P.Record對鹽水天線的種類進行了描述并研究了它們在微波頻率下的工作特性[3]。

2015年，美國北卡羅來納州立大學(xué)（NCSU）的研究人員開發(fā)出了僅通過電壓控制液態(tài)金屬形狀的技術(shù)。在小型便攜終端及傳感器終端中，對于不同用途及不同通信運營商，無線頻率也會不同，將來可能利用這項技術(shù)實現(xiàn)支持不同無線頻率的天線，相關(guān)論文已經(jīng)發(fā)表在了《應(yīng)用物理雜志》上。

3 經(jīng)典液體天線介紹

3.1 離子液體天線

對于使用離子液體作為輻射單元的液體天線，最早可追溯到2000年，當時使用的是鹽水，并引入了“離子液體天線”這個名詞，但并未對其性能作深入研究。2005年，Heriot-watt大學(xué)的Ewananovil Paraschakis等人使用食鹽水作天線輻射單元，制作了一個液體天線[4]。

此天線整體置于一塊大的鋁制地板上，在一個PVC管中灌入鹽水，使用一個探針連著SMA頭作饋電口。在不同的鹽水濃度、不同的PVC管徑以及不同的水深情況下，這種天線的工作頻率會隨之發(fā)生變化。由于天線內(nèi)部是液體，這種天線十分適用于可重構(gòu)天線。

2006年Fayad和Record發(fā)表論文，闡述了與上述類似的天線結(jié)構(gòu)。其將PVC管仲的水等效成一個介質(zhì)諧振腔，在直徑為25mm的PVC管中灌入2.07cm高的純水以及不同濃度的鹽水后的回波損耗。仿真及實驗測量結(jié)果證明液體天線在微波頻段具有良好的電磁輻射特性。

3.2 用液體金屬制作的天線

隨著個人通信電子設(shè)備持續(xù)性地呈指數(shù)型增長，個人便攜設(shè)備能更有效率地使用可用頻譜已經(jīng)變得越來越重要。近年來，由于可重構(gòu)天線能夠變換使用頻率、帶寬、輻射方向圖或極化，所以一直是研究的熱點。這主要是因為可重構(gòu)天線可以根據(jù)通信頻道或系統(tǒng)需求適應(yīng)使用需求。

同時，科學(xué)家對液態(tài)金屬電器充滿了濃厚的興趣，但阻礙這類電子器件進一步得到發(fā)展的一個顯著缺點是他們對外部泵的需求，而外部泵很難被接入電子系統(tǒng)中。

使用電化學(xué)方法，北卡羅來納州立大學(xué)的研究者們制作出一種可重構(gòu)，由電壓控制的液態(tài)金屬天線，有望將來在移動設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面發(fā)揮重要作用。

該天線利用了對液態(tài)金屬觀察時所發(fā)現(xiàn)的一種現(xiàn)象。該現(xiàn)象顯示，當在液態(tài)金屬和電解質(zhì)的界面加載電壓時，液態(tài)金屬會伸展或者收縮，而這取決于電壓的正負值。我們知道，構(gòu)成天線的導(dǎo)電路徑的形狀和長度決定了天線的重要性質(zhì)如工作頻率和輻射模式。所以這一發(fā)現(xiàn)可以用于可重構(gòu)天線的研究中。

4 對于液體天線技術(shù)的總結(jié)與展望

液體的諸多優(yōu)點為我們提供了天線設(shè)計的新思路。液體或是液態(tài)金屬良好的結(jié)構(gòu)柔韌性為天線制造提供了兩大優(yōu)勢突破。

（1）天線結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。由液體來體現(xiàn)穩(wěn)定性，聽上去好像很不合理，但是當天線能夠工作在液體或是液態(tài)金屬狀態(tài)下時，我們再也不必擔心電影里那些爆炸場景的出現(xiàn)，液態(tài)天線將在受到?jīng)_擊的幾秒鐘內(nèi)恢復(fù)到原樣并繼續(xù)工作，這一情景將是革命性的。

（2）液體給天線的重構(gòu)提供了極大地便利條件。我們可以通過控制液體的形態(tài)來改變天線的結(jié)構(gòu)，從而使天線在不同的頻段下都可以工作，非常靈活。這對于小型通訊設(shè)備的天線設(shè)計中所遇到的空間小、排線復(fù)雜等難題提供了解決方法。

當然液體天線目前還只處于預(yù)言階段，但我相信，其獨特的優(yōu)勢勢必會使它成為日后天線理論的一大分支。在天線理論、技術(shù)和結(jié)構(gòu)已經(jīng)日趨成熟的今天，更需要的或許就是依托工藝等技術(shù)的發(fā)展從而設(shè)計制造出全新的性能更好的天線。這就要求我們放開思路，不只要有研究的深度，還要有研究的廣度。只有這樣才能更好的促進科技發(fā)展。

[1]Chung-Yu，T.andR.W.P.King，電介質(zhì)填充的管狀單極子天線，1970年IEEE匯報.18（5）：604～610.

[2]Kosta，Y.and S.Kosta.液體天線系統(tǒng).天線與傳播社會國際研討會，2004.IEEE.2004.

[3]Fayad，H.and P.Record.鹽水天線在寬帶及多波段天線及陣列領(lǐng)域中的應(yīng)用，2005.IEEE（Ref.No.2005/11059）.2005.

[4]Paraschakis，E.，H.Fayad，and P.Record.離子液體天線，天線技術(shù)：小天線和新穎的超材料，2005.IWAT2005.IEEE國際研討會.

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