液體天線技術綜述

秦策

（北京市一六一中學高三年級五班）

液體天線技術綜述

秦策

（北京市一六一中學高三年級五班）

1 前言

在一些戰爭題材的電影中我們經常可以見到一種背包式的移動電臺，通訊兵裝備著它行走在戰場中，可以隨時撥打電話進行呼叫、聯絡。

然而，同樣是在影片中，也經常會有這樣一幕出現：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無法進行任何聯絡了。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，對于任何通訊系統而言，天線都是不可或缺的重要組成部分。

以上這些引發了我的思考。在這個手機已經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。它的背包應該變的更小了，天線也一定更結實了。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，能不能用液態金屬替代如今制作天線的材料，像電影《終結者》里面的液態金屬機器人一樣，遭遇攻擊后，能短時間內復原并繼續工作。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，在查閱相關資料后，對液體天線的概念以及發展進行了介紹，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，是指用導電液體取代普通天線輻射單元所使用的金屬材料所構成的天線。液體天線有使用離子液體作輻射單元的，也有采用液態金屬或液晶材料的。相比于傳統的金屬天線，液體天線能夠在不施加壓力的狀態下變化成各種形狀，彎折也不會導致材料疲勞，甚至能在被破壞之后自我修復并且能消除空氣縫隙，具有巨大的優勢和發展前景。

2.2 液體天線的歷史

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

還有研究表明導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]。其利用導電液體例如水銀、鹽水、甚至是生物液體（植物汁液）來設計、制作、開發新型的天線、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。

流體電介質在結構造型上具有巨大優勢，并且可以通過消除氣隙來提升管子和電介質之間的電磁耦合。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（NCSU）的研究人員開發出了僅通過電壓控制液態金屬形狀的技術。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實現支持不同無線頻率的天線，相關論文已經發表在了《應用物理雜志》上。

3 經典液體天線介紹

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生變化。由于天線內部是液體，這種天線十分適用于可重構天線。

2006年Fayad和Record發表論文，闡述了與上述類似的天線結構。其將PVC管仲的水等效成一個介質諧振腔，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備持續性地呈指數型增長，個人便攜設備能更有效率地使用可用頻譜已經變得越來越重要。近年來，由于可重構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天線可以根據通信頻道或系統需求適應使用需求。

同時，科學家對液態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中。

使用電化學方法，北卡羅來納州立大學的研究者們制作出一種可重構，由電壓控制的液態金屬天線，有望將來在移動設備和互聯網技術方面發揮重要作用。

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

4 對于液體天線技術的總結與展望

液體的諸多優點為我們提供了天線設計的新思路。液體或是液態金屬良好的結構柔韌性為天線制造提供了兩大優勢突破。

（1）天線結構的穩定性。由液體來體現穩定性，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金屬狀態下時，我們再也不必擔心電影里那些爆炸場景的出現，液態天線將在受到沖擊的幾秒鐘內恢復到原樣并繼續工作，這一情景將是革命性的。

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

當然液體天線目前還只處于預言階段，但我相信，其獨特的優勢勢必會使它成為日后天線理論的一大分支。在天線理論、技術和結構已經日趨成熟的今天，更需要的或許就是依托工藝等技術的發展從而設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展。

[1]Chung-Yu，T.andR.W.P.King，電介質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.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域中的應用，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：小天線和新穎的超材料，2005.IWAT2005.IEEE國際研討會.

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1004-7344（2016）05-0314-01

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