液态天线比金属天线具有独特的优势?

盐水+塑料=天线?天线不都是用金属制成的吗?

现在有一种使用盐水和塑料制成的天线来代替金属形成无线电信号,这种新天线可以使VHF和UHF信号的传送变得更加容易。

能够把无线电信号的能量集中到一个给定的接收器上,就意味着可以提高传输的范围和效率。如果你知道接收器的位置,并确定它将保持不变,你可以简单地使用一根天线,它的形状主要是从一个方向发射能量并指向它。但是如果接收器的位置不确定,或者它在移动,又或者你想换一个不同的接收器,那么事情就变得棘手了。在这种情况下,工程师们往往会求助于一种称为波束控制或波束赋形的技术,大规模地进行这种操作是5G网络推出背后的关键潜在机制之一。

波束控制允许你调整天线的焦点,而不需要移动它指向不同的方向。它涉及到调整天线上的一组无线电波的相对相位:这些电波进行建设性和破坏性的干扰,在不需要的方向上会抵消掉,在你想发送的方向上会增强信号。不同的波束模式或状态也是可能出现的,例如,如果你在一个给定的方向上向多个接收器发送相同的信号,你可能想要一个更宽的波束;如果你只与一个接收器通信,则需要一个更窄的光束。

现在,研究人员已经开发出一种先进的基于液体的天线系统,它依赖于一种现成的成分:盐水。

该配置允许360°的波束控制,工作频率在334-488MHz之间。

可以肯定的是,这并不是第一个液态天线:这些天线使用液体来传输和接收无线电信号,在需要VHF或UHF频率(频率在30MHz-30GHz之间)的情况下是有用的。与传统的金属天线相比,它们更小、透明、可重构性更好。基于这些原因,它们正被应用于一些物联网(IoT)和5G应用。

依赖于盐水的液态天线好处很大,因为这种物质容易获得,成本低,而且环保。到目前为止,已经开发了几种基于盐水的天线,但这些设计在波束控制和重新配置的容易度上受到了限制。

然而,邢蕾和她在南京航空航天大学电子与信息工程学院的同事在最近发表的IEEE天线和无线通信专栏上提出了一种新的基于盐水的天线,它可以实现12个定向波束控制状态和一个全向状态。它的圆形配置允许完整的360度波束控制,工作频率在334-488MHz之间。

建议的设计包括一个圆形的接地面,有13根透明的丙烯酸管,可按需填充(或倒出)盐水。一根管子位于中央,充当一个被驱动的单极子(无线电信号通过管子底部的铜盘输入)。它周围有12个所谓的寄生单极子。当只有被驱动的单极子被激发时,就产生了一个全向信号。剩下的12个单极子,在充满水时,作为反射器一起工作,并给出广播信号的方向。

邢蕾解释说:“设计这种天线最具挑战性的部分是如何有效和高效地控制水寄生单极子。”为此,她的团队开发了一种使用微泵的液体控制系统,她说,该系统可以应用于其他液态天线或天线阵列。

她还说:“使用水单极装置的一个吸引人的特点是,水的高度和激活状态都可以通过微流控技术进行动态调节,而微流控技术比金属天线具有更高的设计灵活性。更重要的是,如果不使用,天线可以完全‘关闭’。”

当天线完全关闭并排水时,雷达几乎无法探测到它。相比之下,这种效果很难用金属天线实现。

邢蕾说,新天线的工作范围在334MHz--488MHz之间,这使得它成为极具前景的高频率应用,如物联网和海事应用。她指出,基于盐水的天线的局限性在于:盐水的介电常数(一种测量它如何与电场相互作用的方法)对温度变化很敏感。邢蕾说,她计划继续探索各种基于液体的天线设计。