液体天线技术综述

秦策

（北京市一六一中学高三年级五班）

液体天线技术综述

秦策

（北京市一六一中学高三年级五班）

1 前言

在一些战争题材的电影中我们经常可以见到一种背包式的移动电台，通讯兵装备着它行走在战场中，可以随时拨打电话进行呼叫、联络。

然而，同样是在影片中，也经常会有这样一幕出现：移动电台上那一根长长的天线遭遇了爆炸而损毁，通讯兵尝试电话求援，而没有了天线的电台已经无法进行任何联络了。电影中短短的一幕足以说明天线对于电台的重要性，同样的，对于任何通讯系统而言，天线都是不可或缺的重要组成部分。

以上这些引发了我的思考。在这个手机已经成为我们生活必需品的时代，相信军用电台也不再是以前那副笨拙的模样了。它的背包应该变的更小了，天线也一定更结实了。但是，难免的，在遭遇硬碰硬的撞击时，如手机摔在地上，一样还是很容易造成损坏，所以我想，能不能用液态金属替代如今制作天线的材料，像电影《终结者》里面的液态金属机器人一样，遭遇攻击后，能短时间内复原并继续工作。更大胆的想法是，能不能用液体完全取代金属铸造天线，这样可以完美解决天线在使用过程中遭遇撞击而损毁的问题。

本文综述基于以上想法和疑问，在查阅相关资料后，对液体天线的概念以及发展进行了介绍，对其前景进行了展望并提出了自己的一些见解。

2 液体天线概述

2.1 液体天线的概念

液体天线，是指用导电液体取代普通天线辐射单元所使用的金属材料所构成的天线。液体天线有使用离子液体作辐射单元的，也有采用液态金属或液晶材料的。相比于传统的金属天线，液体天线能够在不施加压力的状态下变化成各种形状，弯折也不会导致材料疲劳，甚至能在被破坏之后自我修复并且能消除空气缝隙，具有巨大的优势和发展前景。

2.2 液体天线的历史

在1970年的时候，Ting和King的研究表明电解质填充管能够谐振[1]。

还有研究表明导电液体和一些生物液体可以在微波频段下作为天线工作[2]。其利用导电液体例如水银、盐水、甚至是生物液体（植物汁液）来设计、制作、开发新型的天线、无源器件和传输线。Yogesh Kosta团队成功利用水银作为辐射贴片制作出了圆形贴片液体微带天线。

流体电介质在结构造型上具有巨大优势，并且可以通过消除气隙来提升管子和电介质之间的电磁耦合。气隙通常是造成我们不希望的谐振和阻抗变化的原因。近年来，H.Fayad和P.Record对盐水天线的种类进行了描述并研究了它们在微波频率下的工作特性[3]。

2015年，美国北卡罗来纳州立大学（NCSU）的研究人员开发出了仅通过电压控制液态金属形状的技术。在小型便携终端及传感器终端中，对于不同用途及不同通信运营商，无线频率也会不同，将来可能利用这项技术实现支持不同无线频率的天线，相关论文已经发表在了《应用物理杂志》上。

3 经典液体天线介绍

3.1 离子液体天线

对于使用离子液体作为辐射单元的液体天线，最早可追溯到2000年，当时使用的是盐水，并引入了“离子液体天线”这个名词，但并未对其性能作深入研究。2005年，Heriot-watt大学的Ewananovil Paraschakis等人使用食盐水作天线辐射单元，制作了一个液体天线[4]。

此天线整体置于一块大的铝制地板上，在一个PVC管中灌入盐水，使用一个探针连着SMA头作馈电口。在不同的盐水浓度、不同的PVC管径以及不同的水深情况下，这种天线的工作频率会随之发生变化。由于天线内部是液体，这种天线十分适用于可重构天线。

2006年Fayad和Record发表论文，阐述了与上述类似的天线结构。其将PVC管仲的水等效成一个介质谐振腔，在直径为25mm的PVC管中灌入2.07cm高的纯水以及不同浓度的盐水后的回波损耗。仿真及实验测量结果证明液体天线在微波频段具有良好的电磁辐射特性。

3.2 用液体金属制作的天线

随着个人通信电子设备持续性地呈指数型增长，个人便携设备能更有效率地使用可用频谱已经变得越来越重要。近年来，由于可重构天线能够变换使用频率、带宽、辐射方向图或极化，所以一直是研究的热点。这主要是因为可重构天线可以根据通信频道或系统需求适应使用需求。

同时，科学家对液态金属电器充满了浓厚的兴趣，但阻碍这类电子器件进一步得到发展的一个显著缺点是他们对外部泵的需求，而外部泵很难被接入电子系统中。

使用电化学方法，北卡罗来纳州立大学的研究者们制作出一种可重构，由电压控制的液态金属天线，有望将来在移动设备和互联网技术方面发挥重要作用。

该天线利用了对液态金属观察时所发现的一种现象。该现象显示，当在液态金属和电解质的界面加载电压时，液态金属会伸展或者收缩，而这取决于电压的正负值。我们知道，构成天线的导电路径的形状和长度决定了天线的重要性质如工作频率和辐射模式。所以这一发现可以用于可重构天线的研究中。

4 对于液体天线技术的总结与展望

液体的诸多优点为我们提供了天线设计的新思路。液体或是液态金属良好的结构柔韧性为天线制造提供了两大优势突破。

（1）天线结构的稳定性。由液体来体现稳定性，听上去好像很不合理，但是当天线能够工作在液体或是液态金属状态下时，我们再也不必担心电影里那些爆炸场景的出现，液态天线将在受到冲击的几秒钟内恢复到原样并继续工作，这一情景将是革命性的。

（2）液体给天线的重构提供了极大地便利条件。我们可以通过控制液体的形态来改变天线的结构，从而使天线在不同的频段下都可以工作，非常灵活。这对于小型通讯设备的天线设计中所遇到的空间小、排线复杂等难题提供了解决方法。

当然液体天线目前还只处于预言阶段，但我相信，其独特的优势势必会使它成为日后天线理论的一大分支。在天线理论、技术和结构已经日趋成熟的今天，更需要的或许就是依托工艺等技术的发展从而设计制造出全新的性能更好的天线。这就要求我们放开思路，不只要有研究的深度，还要有研究的广度。只有这样才能更好的促进科技发展。

[1]Chung-Yu，T.andR.W.P.King，电介质填充的管状单极子天线，1970年IEEE汇报.18（5）：604～610.

[2]Kosta，Y.and S.Kosta.液体天线系统.天线与传播社会国际研讨会，2004.IEEE.2004.

[3]Fayad，H.and P.Record.盐水天线在宽带及多波段天线及阵列领域中的应用，2005.IEEE（Ref.No.2005/11059）.2005.

[4]Paraschakis，E.，H.Fayad，and P.Record.离子液体天线，天线技术：小天线和新颖的超材料，2005.IWAT2005.IEEE国际研讨会.

TN821+.91

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1004-7344（2016）05-0314-01

2016-2-5