基站天线“黑科技”：液态金属天线技术
看了上一篇《千亿天线产业：路在何方》，相信各位天线从业者那颗悬着的心终于可以放下一些了，随着5G网络的大规模建设，天线产业不可避免要面临产业升级。面对频段增多、频率增高、场景细化等现状，天面空间告急、天线性能提升、定制化覆盖需求等问题接踵而至。应对这些问题，现在的基站天线还有很多不尽如人意的地方，那么后续有哪些新技术方向可以引入呢？在上一篇文末提到的超材料、角动量等新技术也是现在天线行业最热门的几个话题，今天，九鼎将以连载的方式和各位伙伴以及广大吃瓜群众一起聊一聊天线行业目前最火热的几个“黑科技”：
2.液态金属天线技术
3.超材料技术
4.透镜天线技术
5.毫米波技术
如果我说水能当天线用，你的问号可能又要袭来。但是，确实有这么一种液体可以用来制作天线，今天为大家带来“黑科技”第二弹：
二、液体也能通信？——液态金属天线技术
1、背景原理——灵活多变、易于重构
液态金属通常是指熔点低于200℃的低熔点合金，其中室温液态金属的熔点更低，在室温下即呈液态。液态金属在存在氧气的情况下迅速氧化并自发形成薄氧化物“表皮”、不再流动，这层表皮非常薄，可以使得液态金属被构图成各种各样的形状。自然界存在的室温液态纯金属及其性能如下表所示：
金属 | 熔点（℃） | 性能 |
汞 | -38.87 | 挥发性较大，且有毒 |
铯 | 28.65 | 性质活泼的碱性金属，在空气中极易被氧化，和水会发生剧烈反应 |
钫 | 27.77 | 性质活泼的碱性金属，是一种不稳定的放射性元素 |
镓 | 29.8 | 无毒，合金性能稳定，具有良好的介电性能和热胀冷缩性能 |
可见只有镓适用于实际产品中，但其熔点仍然较高，不能直接使用。从1990年代末起，国外科学家开始重点研究镓合金，通过加入其他元素来调节熔点。在镓中加入铟元素，形成的镓铟共晶合金，其熔点可在0℃以下。
镓铟液态金属用于电路设计，可通过机械、电压等外部作用，对其形貌、位置等进行控制，可实现灵活设计，且易于电路重构，颠覆了传统铜制电路灵活性不足且难以更改重构的缺点。
镓铟合金（左侧）及由该合金支撑的液态金属液滴阵列
液态金属具有如下性能优势：（1）高强度、高硬度，液态金属的强度是铝、镁合金的10倍以上，不锈钢、钛合金的1.5倍以上；（2）极强的耐磨性和耐腐蚀性；（3）在散热性、电磁屏蔽性方面均在轻合金中出类拔萃，而且在加热条件下不易变形、不易导热。
因此，液态金属在天线和光学设备、柔性电路、超拉伸电线、传感器和电子皮肤以及柔性机器人等方面具有广泛的应用前景。
2、优势和挑战——广阔天地、大有作为
目前对液态金属天线的研究，详细分析如下表：
可重构类型 | 国内外研究现状与特点 | 主要缺陷与不足 |
方向图 | 主要利用八木天线的基本原理与液态金属的可变形态，从一维到二维实现方向图切换 | 主瓣增益普遍较低，副瓣高，大多带宽窄或有多个复杂控制变量，较难实现波束的快速切换 |
极化 | 主要通过液态金属流入不同的流道，实现不同的极化，如线极化与线极化之间的变换，线极化与圆极化之间的变换 | 天线形式以振子为主，频带较窄，只能在单个频点上实现较为纯净的圆极化，轴比小于3dB的带宽过窄 |
频率 | 主要利用液态金属的多种可变形态与相容性 | 在频率改变的同时，有时有些参数会有较大变化 |
多电磁参数 | 主要是极化与方向图的可重构，方向图与频率的可重构 | 较难实现两个可重构类型的自由结合 |
一方面，液态金属天线具有如下优势：（1）频率可调，具备多个工作频带；（2）弯折不会导致材料疲劳，不易断裂，具备自我修复能力，更为耐用；（3）设计灵活，可重构；（4）系统减重，小型化。另一方面，也有增益低、工作频带较窄、辐射效率低、重构效率低的劣势。
3、应用前景——学科交叉、道阻且长
现在已公开的研究中，天线类型都是一些基本类型，结构也相对简单，主要受限于液态金属这种新型材料的熔点控制、加工制造等因素，距离实际工程应用还有较大差距。
国内在液态金属方面的研究，中科院理化技术研究所、浙江大学等单位已开展了液态金属3D打印、液态金属界面接触机理等方面的研究，部分研究成果如液态金属3D打印机研制、液态金属自驱动机制揭示等方面，达到国际领先水平。
液态金属天线的研究涉及材料、热控、制造等多个学科专业，在国内尚处于起步阶段，面向工程化应用的成果还非常少，与国外存在一定差距，尚需业界共同努力。
4、国内外研究情况——十年探索、尚需时日
对液态金属天线的研究，目前美国处于领先地位。
2009年，美国科学家提出液态金属多频天线的概念。2011年，美国北卡罗莱纳州立大学(NCSU)首次研制出常温液态的镓铟共晶合金，并制备出在1.91GHz～1.99GHz范围内频率可调的镓铟液态金属天线原理件，成功验证了技术可行性。
2011年研制出的原理样件
2015年，该研究团队采用新的电压驱动模式，实现了对合金形貌和位置的控制，研制出仅通过电压控制工作频率在0.66GHz～3.4GHz范围内可调的镓铟液态金属天线。
高校的研究引起了美国军方的关注。2012年，美空军研究实验室（AFRL）的制造材料、传感器、航空航天系统各部门联合启动液态金属天线应用研究项目。2015年，该实验室通过镓铟共晶合金的成分调整，成功将其熔点降到-19℃。2016年，通过对镓铟合金进行成分优化，加入锡、硒、碲等元素，成功将其熔点降到-28℃，基本满足了装备实际应用环境需求。2017年6月，该实验室成功研制出在70MHz～7GHz工作频率范围内、可按需调节工作频率的液态金属天线原型件，并证实该天线在实验室环境下能够有效完成任务。
2017年AFRL展示的液态金属共形天线原型件
目前，美军正在加速推进该技术的成熟，以便用于装备。AFRL的下一步计划是找出这种新型材料与传统半导体技术的集成方法，将整体打包放在MQ-9 Reaper “死神”无人机上进行试验验证。该实验室预计这种液态金属天线技术将在7至10年间应用到飞机上。
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参考文献：
1.Quan X L ， Li R L ，Tentzeris M M. A broadband omnidirectional circularly polarized antenna [J]. Antennas and Propagation，IEEE Transactions on，2013，61(5)：2363-2370
