电动机械转换天线正在改变通信

针对军事无线应用，避免干扰、确保最可靠的频率和操作协议在一些高度关键的实施中必不可少。对于 IoT/M2M 应用，将设备快速而可靠地调谐至负荷较轻的频带，可以在嘈杂和拥挤的无线网络世界中确保电信级高质量。北卡罗莱纳州州立大学的研究人员已经取得了重大突破，创造出完全电动机械控制的液态金属天线，在谐振频率上具有调整几千兆赫的能力。

为了进入网络连接时代和创建无缝的无线连接，许多的材料和技术创新都是必需的。研究和行业工作的主要着眼点一直是开发能够进行数字编程、甚至可以对如何最好地操作做出判断的射频通信系统。这些被称为认知无线电的设备，以及作为它们中的一部分的软件定义无线电 (SDR) —— 诸如 ADC34J22 来自 Dallas Logic 或者 Analog Device 的 ARRadio —— 利用先进的计算机技术实现了智能广播系统。尽管这些通信系统可以适应各种调制和电磁 (EM) 环境变量，但是可调硬件的局限性最终抑制了这些系统中射频收发器的重要性能。

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可控导电液体出现后，许多研究人员兴奋地对其进行了探索，制造出 RF 元器件和设备，用于创建可以高度调谐的系统。虽然这些研究人员开发的滤波器、频率选择表面 (FSS) 和天线已经证实可配置，但是它们大多数需要气动系统来运行。并入一个气动系统会增加复杂性、成本和设备潜在的故障模式。但是，有了电动机械控制的天线，速度、精度、可重复性以及液体天线的调谐范围都得到大大增强。北卡罗来纳州的研究人员有过这种经历，他们在毛细结构内部从共晶镓-铟 (EGaIn) 中研发出一个原型液态金属天线。



图 2：直流偏压施加于毛细结构可使 EGaIn 液态金属在接通电压时流入毛细管，电压移除时收回。（来源： J. Appl.Phys.117, 194901 (2015)）

使用简单的低压直流偏置，EGaIn 天线可以连续并可逆调谐超过 5:1 的调谐范围。方法是通过利用电位为 EGaIn 材料增加或者消除一层薄的表面氧化物，它能够可变操纵沿毛细管的界面张力。该氧化物的产生只可能藉由毛细管内电解液的包含物生成，该包含物可以防止 EGaIn 氧化物永久性的发展并与毛细管壁粘附。该系统采用的直流电位是为了将 EGaIn 引进或者引出充满 EGaIn 的容器。



Figure 3: 电动机械控制过程能够实现完全可逆调谐和动作一致，不同于许多有记忆效应的调谐技术。（来源： J. Appl.Phys.117, 194901 (2015)）

总的效率在0.66 GHz 下为41%，在 3.4 GHz 下为 70%。它相比之下比较低，约为纯金属结构偶极天线辐射效率的95%。 

可是，在不当调谐或者没有在传输或接收的频率下谐振时，天线辐射效率也会降低 。尽管在这个原型中，电解质溶液氢氧化钠 (NaOH) 的电导率降低了天线总辐射效率，但是随着研究的发展，像 NaOH 这样对效率影响较低电解液，未来发展潜力很大，可能成为一项可行的选择。



图 4：虽然在原型中的辐射效率受困于非理想电解质的性能，但是未来的发展可以提高效率和液态金属天线的可调谐性参数。（来源： J. Appl.Phys.117, 194901 (2015)）

此次研发以及未来的进步有可能创建出天线结构——或简单或高度复杂——它可以和 SDR 一起用来开发高度可配置射频及微波通信系统的硬件和软件。例如，由北卡罗来纳州立大学研究人员开发的原型，专注于单偶极子天线，这种天线的可重构阵列天线有可能会大大提高目前天线阵列技术的效用。 

其他可能性包括，能明显改变天线辐射模式以适应不同电磁环境的天线，作为电动机械波束控制的一种形式，在天线控制元素方面不会产生制品。波束控制应用会需要很多的功率分配器 / 合成器和振幅 / 相位平衡电子电路，这样的系统会降低成本和波束控制应用程序的复杂性。

在智能手机和便携式电子设备的当前设计中，包含一些低效率的天线设计，这些天线设计常受到形状因素和设备内部天线近距等非常严格的设计约束。可重构天线，能在很宽的频率范围内可调，可用于最有效地优化通信频率，大大降低功耗和滤波器成本，并对设备进行网络匹配。

虽然数字可重构性在 射频和微波 通信行业已经证明可行，但可重构硬件在历史上更不容易。成本和复杂度一直是采用既有效又高效的可重构硬件的一个重要因素。电动机械控制的液态金属天线可以提供所需要的可配置性维度，使来自商业和工业物联网 / 机对机的应用能够满足最新的军用无线网络和电子战应用 (EW) 的需求。