Антенна, выполненная с возможностью конструктивного изменения конфигурации
ANTENNA CONFIGURED FOR STRUCTURAL CHANGE OF CONFIGURATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение в целом относится к связи с помощью электромагнитных волн, в частности, к системе и способу динамического изменения конфигурации одной или более антенн, работающих с использованием электромагнитных волн, чтобы удовлетворять различным требованиям к формату или рабочим характеристикам.
[0002] Антенна представляет собой конструкцию, используемую для передачи или приема электромагнитного излучения, как правило, для целей связи или обнаружения. Так, например, антенны для сотовой связи обычно размещены на верхних и боковых поверхностях зданий в населенных пунктах, а загородом очень часто встречаются красные предупредительные огни, размещенные на вышках антенн радиостанций и подающие сигналы для летательных аппаратов. Поскольку характеристики антенны, определяющие передачу и прием излучения, в значительной степени зависят от ее размера и формы (конфигурации), антенны, встречающиеся в повседневной жизни, имеют самые разнообразные формы и размеры.
[0003] Хотя настоящее изобретение относится к системе, которая может устранить некоторые недостатки, следует отметить, что такое преимущество не является ограничением ни объема, ни прилагаемой формулы изобретения, за исключением случаев, явно отмеченных в формуле изобретения. Кроме того, раскрытие технологии в этом разделе отражает собственные наблюдения изобретателей, их соображения и мысли, и никоим образом не предназначены для точной и исчерпывающей систематизации или всестороннего обобщения существующего уровня техники в данной области согласно открытым источникам. Таким образом, авторы настоящего изобретения явным образом выражают, что данный раздел не следует считать отражением признанного или принятого уровня техники. Кроме того, любое упоминание или подразумевание желательного образа действий, приведенное выше или иным образом выраженное в настоящем документе, отражает собственные наблюдения и идеи изобретателей и не должно считаться указанием на желательность существования уровня техники, признанного в данной области.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] В соответствии с одним вариантом осуществления раскрытых принципов раскрыта антенная система, выполненная с возможностью изменения конфигурации по выбору и имеющая слой первого материала и слой второго материала, между которыми образована полость. Первая емкость по меньшей мере частично содержит жидкий металл, а вторая емкость по меньшей мере частично содержит жидкий электролит. Жидкий металл и электролит находятся в контакте на слое оксида металла в указанной полости. Множество электродов включает в себя первый электрод в контакте с жидким металлом и второй электрод в контакте с электролитом таким образом, что слой оксида металла разрушается при подаче на второй электрод отрицательного потенциала относительно первого электрода.
[0005] В одном варианте осуществления раскрыт способ конфигурирования антенны. Жидкий металл и электролит размещают между двумя поверхностями таким образом, что жидкий металл и электролит находятся в контакте друг с другом на граничном слое. Напряжение, поданное между электролитом и частью жидкого металла, приводит к перемещению указанной части жидкого металла по направлению к электролиту. Остановка (или прекращение) подачи напряжения, когда жидкий металл достигает заданной конфигурации, приводит к фиксированию жидкого металла в этой конфигурации.
[0006] Еще в одном варианте осуществления описанных принципов раскрыта антенна, выполненная с возможностью изменения конфигурации и содержащая жидкий металл в контакте с электролитом, при этом жидкий металл находится в первой конфигурации. Множество электродов включает в себя первый электрод в контакте с жидким металлом и второй электрод в контакте с электролитом. Источник напряжения соединен между первым и вторым электродами и выполнен с возможностью подачи напряжения заданной величины и заданной полярности для перемещения жидкого металла из первой конфигурации во вторую конфигурацию.
[0007] Другие признаки и аспекты вариантов осуществления раскрытых принципов будут понятны из раздела "Осуществление изобретения", рассматриваемого в сочетании с прилагаемыми чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0008] Хотя в прилагаемой формуле изобретения изложены признаки предлагаемой технологии с конкретной информацией, эта технология, а также ее объекты и преимущества могут быть лучше поняты из последующего раздела "Осуществление изобретения", рассматриваемого в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:
[0009] на ФИГ. 1 схематически показана горизонтальная проекция конфигурации жидкого металла в одномерном канале вследствие подачи напряжения, имеющего выбранную величину и полярность;
[0010] на ФИГ. 2 схематически показана горизонтальная проекция двумерной антенны, выполненной с возможностью изменения конфигурации, в соответствии с вариантом осуществления раскрытых принципов;
[0011] на ФИГ. 3 схематически показана горизонтальная проекция многоэлементной двумерной антенны, выполненной с возможностью изменения конфигурации, в соответствии с вариантом осуществления раскрытых принципов;
[0012] на ФИГ. 4 показан перспективный вид трехмерной антенной решетки, выполненной в соответствии с вариантом осуществления раскрытых принципов;
[0013] на ФИГ. 5 показан перспективный вид выполненной с возможностью конфигурирования системы с радиочастотным экраном в соответствии с вариантом осуществления раскрытых принципов;
[0014] на ФИГ. 6 показана горизонтальная проекция антенн нескольких дополнительных типов, созданных согласно различным вариантам осуществления раскрытых принципов, а также показан перспективный вид сбоку антенны альтернативного типа; и
[0015] на ФИГ. 7 показана блок-схема, иллюстрирующая приведенный в качестве примера способ конфигурирования антенны с жидким металлом, выполненной с возможностью изменения конфигурации, в соответствии с одним или более вариантами осуществления раскрытых принципов.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0016] Перед более полным представлением раскрытых принципов приведен краткий обзор, чтобы помочь читателю понять последующий материал. Как отмечено выше, антенны используются для многих целей и на многих различных участках электромагнитного спектра, от микроволнового до потребительского радиодиапазона, как для AM диапазона, так и для FM диапазона, вплоть до длинноволнового радиодиапазона. Эти применения охватывают длины волн в диапазоне примерно восьми порядков. Тем не менее, даже в пределах узкой полосы использования, такой как FM диапазон, различные конструкции антенн могут быть необходимы, чтобы полностью охватить соответствующую часть спектра. Например, для сотовой связи и WiFi связи используются приблизительно смежные участки спектра, однако для этих видов связи обычно выгодно использовать по-разному настроенные антенны.
[0017] Другие контексты также часто обеспечивают преимущество вследствие использования точно настроенных или специализированных форм антенн. Например, работа однополюсных антенн, дипольных антенн, плоскостных антенн бегущей волны, полосковых антенн и антенн типа «бабочка» основана на конкретной форме антенн, обеспечивающей реализацию их функций. В настоящее время несложно изготовить антенны различных упомянутых выше форм, однако после своего изготовления они, как правило, ограничены формой, полученной при их изготовлении. Это означает, что для базовой радиосистемы, с помощью которой необходимо решить задачи другого типа или работать в другом диапазоне, требуется совершенно новая антенна или антенная решетка.
[0018] В связи с этим в одном варианте осуществления раскрытых принципов раскрыта антенная система, выполненная с возможностью электронного изменения конфигурации, что обеспечивает возможность конфигурирования антенны или изменения ее конфигурации в полевых условиях тогда, когда это необходимо, и столько раз, сколько это необходимо. Так, например, линейная антенна может быть удлинена или укорочена, поперечные элементы могут быть созданы, настроены или удалены, и плоские антенные конструкции могут быть изменены по форме и протяженности, в то время как вся антенная система остается развернутой.
[0019] Галлий образует с индием эвтектический сплав с созданием металла (EGaIn), имеющего по существу комнатную температуру плавления. Однако галлий и его сплавы обычно не используются с электронными средствами с металлом, являющимся жидким при комнатной температуре, поскольку галлий при контакте с кислородом практически мгновенно образует оксидное покрытие. В связи с этим вместо них давно используют ртуть, несмотря на ее высокую токсичность, для удовлетворения большинства требований к средствам с металлом, являющимся жидким при комнатной температуре.
[0020] Тем не менее, слой оксида галлия имеет преимущество, состоящее в том, что он придает сплаву структурную устойчивость, когда ему придана необходимая форма. Кроме того, слой оксида может быть разрушен посредством электрического поля, обеспечивающего изменение конфигурации сплава EGaIn. В одном варианте осуществления раскрытых принципов используют матрицу или решетку электродов для работы с жидким сплавом EGaIn и управления им с получением различных двумерных и ограниченных трехмерных конфигураций.
[0021] С учетом приведенного выше обзора и при более подробном рассмотрении в сочетании с прилагаемыми фигурами чертежей, на ФИГ. 1 показан упрощенный вид одного "пикселя" 100 описанной антенной системы с жидким металлом. Как можно видеть из чертежа, жидкий металл (например, эвтектический сплав галлия и индия, EGaIn) 101 первоначально расположен в исходной емкости 103 и в канале 104, образованном верхней поверхностью 105 и нижней поверхностью 106 поверх первого электрода 107. Оставшаяся часть канала 104 заполнена электролитом 109, (например, гидроксидом натрия, NaOH). Второй электрод 111 расположен в канале 104 за первым электродом 107. Емкость 103 для жидкого металла или схожая емкость для электролита может содержать регулируемые отверстия для управления введением или выведением соответствующей жидкости.
[0022] Как показано на ФИГ. 2, для изменения конфигурации жидкого металла 205 из первой конфигурации 206 подают напряжение V-113 (также называемое смещением или разностью потенциалов) с помощью источника 115 напряжения между первым электродом 107 и вторым электродом 111. Токопроводящая дорожка, образованная между первым и вторым электродами 107, 111, включает в себя часть электролита 109, 209 и часть жидкого металла 101, 205. Подача напряжения 113 приводит к появлению электрического поля через оксидный граничный слой 108 в том месте токопроводящей дорожки, где жидкий металл 101 встречается с электролитом 109. Электрическое поле разрушает слой оксида и повышает поверхностное натяжение, в результате чего жидкий металл течет в сторону более низкого напряжения, образуя вторую конфигурацию 208. Хотя разрушение слоя оксида представляет собой постепенно изменяющееся явление с изменением напряжения 113, было установлено, что приложенное напряжение V-113 величиной -0,5 В вызывает наблюдаемую деформацию металла в системе EGaIn/NaOH, описанной выше, и что приложенное напряжение 113 величиной -1,5 В вызывает не только наблюдаемую деформацию, но и значительное перемещение металла. Падение приложенного потенциала 113 происходит прежде всего через оксидную границу раздела, поскольку металл обладает высокой проводимостью, a NaOH гораздо меньшей.
[0023] Если поданное напряжение 113 является отрицательным и при этом потенциал на первом электроде 107 выше, чем потенциал на втором электроде 111, жидкий металл будет течь по направлению к второму электроду 111. В противном случае жидкий металл будет течь обратно по направлению к первому электроду 107.
[0024] Следует отметить, что протяженность протекания жидкого металла в значительной степени определяется величиной поданного напряжения. Напряжение -1,5 В является достаточным, чтобы вызвать перемещение металла в пределах 1-2 миллиметров, не приводя к избыточному потреблению тока. Напряжение -0,5 В будет, в целом, вызвать перемещение металла, но в некоторых случаях оно может быть слишком низким для надежного преодоления влияние других факторов на металл, например действие силы тяжести в неподвижных решетках и движущихся решетках.
[0025] Уровни напряжения выше или ниже чем -1,5 В также могут быть использованы в зависимости от расстояния между электродами (например, более или, наоборот, менее чем 1-2 мм), поскольку именно локальное электрическое поле, а не общая разность напряжений, воздействует на оксидный слой EGaIn. Как отмечено выше, NaOH обладает меньшей проводимостью, чем EGaIn, хотя падение поданного напряжения происходит прежде всего через оксидную границу раздела, с увеличением расстояния будет иметь место некоторое падение напряжения в NaOH. Таким образом, хотя напряжение -1,5 В между электродами является достаточным для небольших перемещений, таких как перемещения на 1-2 мм, более высокие напряжения, такие как 5 В, могут оказаться полезными для обеспечения перемещения между двумя электродами в пределах сантиметров.
[0026] Как показано на ФИГ. 2, решетка 201 включает в себя множество электродов 203, образующих плоскую правильную решетку. Обращение к каждому электроду 203 осуществляют по отдельности, чтобы вызвать движение в жидком металле 205, который снова отводится из емкости 207 для жидкого металла. Схожим образом, в решетке 201 присутствует электролит 209, такой как NaOH, отводимый из емкости 215 для электролита и возвращаемый в емкость 215 для электролита, которая может быть выполнена вне или внутри полости 104.
[0027] В целом, антенна с жидким металлом выполнена так, чтобы воздействовать на диаграмму направленности, направление излучения, электрическую длину, центральную частоту, один или более боковых лепестков, коэффициент усиления, угол сканирования или поляризацию. Антенной, выполненной таким образом, можно управлять во время работы с помощью одного или более краевых соединителей 211, размещенных, например, по периферии решетки 201. Краевые соединители 211 могут быть выполнены удлиненными со слегка заостренным кончиком, как показано, для обеспечения проникновения сквозь слой оксида жидкого металла и сохранения хорошего контакта. В случае, когда множество таких краевых соединителей 211 связаны с антенной, управляющее устройство может определить, какой соединитель 211 показывает лучшее соответствие импеданса и самые низкие потери, и может управлять антенной через этот соединитель 211. В одном варианте осуществления краевые соединители 211 прикреплены к одному слою канала, например, слою 105, а остальные контакты 203 прикреплены к другому слою, например, слою 106.
[0028] Кроме того, там, где от общей кромки выступают множество антенных конструкций, вдоль этой кромки может быть использована непрерывная полоса жидкого металла в качестве соединения между антенными конструкциями. Кроме того, одной или более из антенных конструкций можно управлять от соединителей на различных кромках, например верхней и нижней, нижней и боковой и так далее. Кроме того, хотя создаваемая форма антенны может быть точно настроена для получения наилучшей частотной характеристики на определенной частоте или полосе частот, также предполагается, что эта же система может быть использована для создания разрегулированной конструкции, например, для экранирования и так далее.
[0029] Как можно видеть из чертежа, решетка или матрица электродов обеспечивает возможность вытягивания жидкого металла с образованием любого количества конфигураций. Кроме того, хотя емкость для жидкого металла позволяет выполнить электрическое соединение с получаемой конфигурированием формой, например для управления ею с помощью радиочастотного сигнала, сами электроды после завершения формования также могут быть использованы для подачи управляющего сигнала на изолированный элемент полученной конфигурации. Таким образом, как показано на ФИГ. 3, конфигурация 300, включающая в себя изолированные элементы 301, 303, может управляться с помощью соответствующих электродов 305, 307, 309, 311, составляющих основу элементов 301, 303.
[0030] С использованием раскрытых принципов могут быть реализованы множество форм антенн и антенных решеток. На ФИГ. 4 показана простая однополюсная конфигурация, и пример решетки 400, показанной на ФИГ. 4, включает в себя множество повторяющихся элементов 401 и является примером трехмерной дипольной решетки, а также может быть фазированной антенной решеткой. В дополнение к однополюсной и дипольной конфигурациям другие формы антенн, выполненные с возможностью использования по отдельности или в двух- или трехмерных решетках, включают в себя плоскостные антенны 600 бегущей волны, полосковые антенны 602 и антенны 604 типа «бабочка», как показано на ФИГ. 6, а также любую другую необходимую для антенны форму. Хотя на ФИГ. 4 показана трехмерная решетка, выполненная из отдельных двумерных решеток, сама решетка также быть трехмерной, что достигается за счет искривления или изгиба формы, например внешней поверхности или подобного элемента летательного аппарата, или путем введения дополнительных линий электродов, которые поднимаются из решетки, в противном случае являющейся плоской. Примером криволинейной антенны является антенна 606 по ФИГ. 6. Показанная криволинейная антенна 606 является патч-антенной, согласованной с криволинейной поверхностью 608, при этом следует отметить, что с использованием раскрытых принципов любая форма антенны или антенной решетки может быть создана на криволинейной поверхности.
[0031] Согласно одной реализации матрица электродов, например решетка или матрица, показанная на ФИГ. 3, включает в себя верхнюю плоскость и нижнюю плоскость (105 и 106 на ФИГ. 1), обеспечивающие создание плоского внутреннего пространства, внутри которого могут перемещаться жидкий металл и электролит. Сами верхняя и нижняя плоскости являются предпочтительно непроводящими, чтобы не мешать работе конфигурированной антенны.
[0032] Следует отметить, что способность конфигурировать металлический слой также создает преимущества помимо обеспечения нормальной работы антенны. Например, металлический слой, выполненный с возможностью конфигурирования, может быть использован для временного экранирования чувствительных компонентов от сильного электромагнитного излучения. В одном варианте осуществления раскрытых принципов в таком экране используется электродвижущая способность для управления жидким металлом с образованием такого экрана.
[0033] Пример этой концепции показан на ФИГ. 5. Как можно видеть из чертежа, жидкий металл 501, которым может быть EGaIn, находится в емкости 503 для жидкого металла ниже экранирующей полости 505. Экранирующая полость 505 содержит решетку или матрицу электродов (не показано), используемых для осуществляемого по выбору затягивания жидкого металла 501 наверх в экранирующую полость 505. Экранирующая полость 505 сначала заполнена электролитом 507, таким как NaOH, который при вытеснении течет в емкость 509 для электролита. Таким образом, избирательное приведение в действие электродов в экранирующей полости 505 может быть использовано для экранирования системы 511, чувствительной к воздействию радиочастотных полей, от источника 513 радиочастотных полей. Электроды могут быть оставлены свободно плавающими по отношению к напряжению после этапа придания формы с тем, чтобы обеспечить полное экранирование системы 511, чувствительной к воздействию радиочастотных полей. Следует отметить, что электромагнитный экран может быть выполнен в виде диафрагмы или отверстия, а не полотна в зависимости от характеристик данной среды установки.
[0034] В отношении многих вариантов осуществления следует отметить, что ток, получаемый в результате подачи напряжения, может быть измерен, например источником 115 напряжения или иным образом, для определения протекания потока металла и соответствующей адаптивной регулировки подаваемого напряжения (или места подачи напряжения). В этом контексте, именно наличие или отсутствие значительного тока, а не его точная величина характеризует конфигурацию схемы с жидким металлом. Например, когда жидкий металл приводят в движение между первым контактом и вторым контактом посредством напряжения, поданного на эти контакты, и жидкий металл еще не коснулся второго контакта, результирующий ток будет ограничен незначительным током, протекание которого допускается через NaOH.
[0035] Однако после того, как жидкий металл коснется второго контакта, цепь между этими двумя контактами будет замкнута накоротко, что приведет к увеличению тока на порядок или более (при том же напряжении). Таким образом, может быть определено место расположения передней кромки металла и подано питание на третий контакт (при этом второй контакт заземлен или оставлен плавающим) для увеличения с этого момента металлической дорожки в любом необходимом направлении. Ток между вторым и третьим контактами затем будет использоваться, чтобы определить, когда передняя кромка жидкого металла достигнет третьего контакта и так далее.
[0036] Хотя в различных вариантах осуществления, описанных выше, используется термин "электрод" для описания элементов, обеспечивающих источник электрического потенциала или тока, не существует намерения отличать такой элемент от анода, и электроды, описанные в настоящем документе, могут обеспечивать напряжение любой необходимой величины и полярности. Кроме того, не существует намерения ограничить форму электрода стержнем или диском. В частности, следует отметить, что электрод для использования в рамках описанных принципов может быть выполнен также в форме всей или части необходимой формы антенны, и что электрод, выполненный таким образом, может при необходимости представлять собой экранирующую или сетчатую конструкцию.
[0037] Хотя величина зазора между верхней плоскостью и нижней плоскостью не указана, следует отметить, что мениск металла и поверхностное натяжение обеспечивают создание сил, полезных для реализации действий, описанных в настоящем документе, которые частично имеют капиллярное происхождение. По существу, рассматриваются зазоры примерно 1,0 мм, однако могут быть использованы зазоры других размеров.
4
[0038] В примерах, приведенных в настоящем документе, в качестве электролита используется NaOH, однако следует отметить, что вместо него могут быть использованы такие электролиты, как HCL (соляная кислота), H2SO (серная кислота) и другие при условии, что они обеспечивают достаточную проводимость и не мешают работе полученной антенны. Кроме того, в примерах, приведенных в настоящем документе, в качестве жидкого металла используется сплав EGaIn, однако следует отметить, что могут быть использованы другие жидкие металлы, например чистый галлий, другие сплавы галлия, ртуть и сплавы ртути. Другие жидкие металлы, такие как франций, рубидий и цезий, как правило, менее предпочтительны вследствие других ограничений, таких как стоимость, токсичность и так далее. Тем не менее, при должном учете этих аспектов даже эти дополнительные металлы также могут быть использованы в рамках описанных принципов.
[0039] Следует отметить, что описанные принципы могут быть применены для решения многих задач и во многих отношениях. По существу, не делается попытки описать каждый такой способ использования. При этом на ФИГ. 7 показана блок-схема, иллюстрирующая приведенный в качестве примера способ 700 конфигурирования антенны с жидким металлом, выполненной с возможностью изменения конфигурации, в соответствии с одним или более вариантами осуществления раскрытых принципов.
[0040] На этапе 702 способ 700 жидкий металл 205 и электролит 209 размещают между двумя поверхностями 105, 106 таким образом, что жидкий металл 205 и электролит 209 находятся в контакте на граничном слое 108, который содержит поверхностный оксид (например, оксид сплава EGaIn в приведенной в качестве примера системе). На этапе 704 к электродам 107, 111, находящимся в контакте с жидким металлом 205 и электролитом 209 соответственно, подают напряжение 113.
[0041] На этапе 706 поданное напряжение по меньшей мере частично разрушает поверхностный оксид, и, таким образом, посредством капиллярного действия, вызывает перемещение жидкого металла 205 по электролиту 209 по направлению к дальнему электроду 111. В этот момент один из двух механизмов может остановить продвижение жидкого металла 205. Во-первых, если подачу напряжения остановить или поменять напряжение на обратное, прекратится продвижение жидкого металла 205. Во-вторых, если позволить жидкому металлу достичь дальнего электрода 111, жидкий металл 205 прекратит свое перемещение до тех пор, пока на еще один электрод не будет подана энергия. Для приведенного в качестве примера способа 700 предполагается, что жидкий металл должен быть остановлен в некоторой точке на полпути между электродами.
[0042] Таким образом, на этапе 708 прекращают подачу напряжения 113, в результате чего вызывают повторное образование слоя поверхностного оксида и прекращение перемещения жидкого металла. Это конечное состояние, например, как показано во второй конфигурации 213 жидкого металла 205 на ФИГ. 2, соответствует необходимой заданной конфигурации. При этом, последующие манипуляции с жидким металлом посредством тех же самых этапов, но с другими дальними электродами приведут к получению любой необходимой конфигурации, например любой из конфигураций антенн, показанных на ФИГ. 6.
[0043] Следует отметить, что в данном документе раскрыты системы и технология изменения конфигурации антенн электромагнитного излучения. При этом, ввиду многих возможных вариантов осуществления, к которым могут быть применены принципы раскрытия настоящего изобретения, следует признать, что варианты осуществления, описанные в данном документе в отношении фигур чертежей, предназначены только для иллюстрации и не должны рассматриваться как ограничивающие объем формулы изобретения. Таким образом, технология, описанная в данном документе, предусматривает все такие варианты осуществления, которые могут находиться в пределах объема следующей формулы изобретения и ее эквивалентов.