秦策

（北京市一六一中學(xué)高三年級(jí)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(jí)五班）

1 前言

在一些戰(zhàn)爭(zhēng)題材的電影中我們經(jīng)?？梢砸?jiàn)到一種背包式的移動(dòng)電臺(tái)，通訊兵裝備著它行走在戰(zhàn)場(chǎng)中，可以隨時(shí)撥打電話進(jìn)行呼叫、聯(lián)絡(luò)。

然而，同樣是在影片中，也經(jīng)常會(huì)有這樣一幕出現(xiàn)：移動(dòng)電臺(tái)上那一根長(zhǎng)長(zhǎng)的天線遭遇了爆炸而損毀，通訊兵嘗試電話求援，而沒(méi)有了天線的電臺(tái)已經(jīng)無(wú)法進(jìn)行任何聯(lián)絡(luò)了。電影中短短的一幕足以說(shuō)明天線對(duì)于電臺(tái)的重要性，同樣的，對(duì)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(gè)手機(jī)已經(jīng)成為我們生活必需品的時(shí)代，相信軍用電臺(tái)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(shí)了。但是，難免的，在遭遇硬碰硬的撞擊時(shí)，如手機(jī)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(jī)器人一樣，遭遇攻擊后，能短時(shí)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(guò)程中遭遇撞擊而損毀的問(wèn)題。

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

2.2 液體天線的歷史

在1970年的時(shí)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(lái)設(shè)計(jì)、制作、開(kāi)發(fā)新型的天線、無(wú)源器件和傳輸線。Yogesh Kosta團(tuán)隊(duì)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(shì)，并且可以通過(guò)消除氣隙來(lái)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(lái)，H.Fayad和P.Record對(duì)鹽水天線的種類(lèi)進(jìn)行了描述并研究了它們?cè)谖⒉l率下的工作特性[3]。

2015年，美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)（NCSU）的研究人員開(kāi)發(fā)出了僅通過(guò)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(duì)于不同用途及不同通信運(yùn)營(yíng)商，無(wú)線頻率也會(huì)不同，將來(lái)可能利用這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)支持不同無(wú)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(duì)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(dāng)時(shí)使用的是鹽水，并引入了“離子液體天線”這個(gè)名詞，但并未對(duì)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(gè)液體天線[4]。

此天線整體置于一塊大的鋁制地板上，在一個(gè)PVC管中灌入鹽水，使用一個(gè)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(huì)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(lèi)似的天線結(jié)構(gòu)。其將PVC管仲的水等效成一個(gè)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(gè)人通信電子設(shè)備持續(xù)性地呈指數(shù)型增長(zhǎng)，個(gè)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(lái)越重要。近年來(lái)，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(diǎn)。這主要是因?yàn)榭芍貥?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(shí)，科學(xué)家對(duì)液態(tài)金屬電器充滿了濃厚的興趣，但阻礙這類(lèi)電子器件進(jìn)一步得到發(fā)展的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是他們對(duì)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(lái)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(lái)在移動(dòng)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(duì)液態(tài)金屬觀察時(shí)所發(fā)現(xiàn)的一種現(xiàn)象。該現(xiàn)象顯示，當(dāng)在液態(tài)金屬和電解質(zhì)的界面加載電壓時(shí)，液態(tài)金屬會(huì)伸展或者收縮，而這取決于電壓的正負(fù)值。我們知道，構(gòu)成天線的導(dǎo)電路徑的形狀和長(zhǎng)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(duì)于液體天線技術(shù)的總結(jié)與展望

液體的諸多優(yōu)點(diǎn)為我們提供了天線設(shè)計(jì)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(shì)突破。

（1）天線結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。由液體來(lái)體現(xiàn)穩(wěn)定性，聽(tīng)上去好像很不合理，但是當(dāng)天線能夠工作在液體或是液態(tài)金屬狀態(tài)下時(shí)，我們?cè)僖膊槐負(fù)?dān)心電影里那些爆炸場(chǎng)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(guò)控制液體的形態(tài)來(lái)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(duì)于小型通訊設(shè)備的天線設(shè)計(jì)中所遇到的空間小、排線復(fù)雜等難題提供了解決方法。

當(dāng)然液體天線目前還只處于預(yù)言階段，但我相信，其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)勢(shì)必會(huì)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(jì)制造出全新的性能更好的天線。這就要求我們放開(kāi)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(jìn)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(bào).18（5）：604～610.

[2]Kosta，Y.and S.Kosta.液體天線系統(tǒng).天線與傳播社會(huì)國(guó)際研討會(huì)，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(guó)際研討會(huì).

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