CN106450705A - 液体混合腔式可调控天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种液体混合腔式可调控天线，包括空心腔体结构的天线以及与所述天线连接的馈电端；所述天线内部注入有液体；所述馈电端包括同轴接头、微波介质基板以及设置于所述微波介质基板下方的金属地；所述天线设置于微波介质基板上方；所述同轴接头贯穿微波介质基板和金属地设置，且所述同轴接头设有与所述天线内部液体连通的探针，所述天线包括内腔体、外腔体和调控柱；所述内腔体设置在所述外腔体内部空腔，所述调控柱贯穿所述内腔体和所述外腔体下端通孔设置。本发明结构精简，通过拉动调控柱可使内腔和外腔连通，调节内腔和外腔内液体高度，引起天线方向图主瓣指向、增益数值的变化，实现液体分布的重构，改变天线的辐射和匹配性能。
Description
技术领域
本发明涉及通讯技术领域，特别地，涉及一种液体混合腔式可调控天线。
背景技术
现有技术中，常见的无线系统包括雷达、通信、导航等，其天线通常是金属材质，或金属与固体介质的混合结构。现有的天线主要包括两类：
一、液态金属天线，这种天线的性能提升和技术成熟度高度依赖于液态金属材料的研究和开发，其设计方法与常规金属天线接近。当前，室温液态金属种类和数量有限，仍处于基础研究阶段。
二、非金属天线，主要应用海水、盐水、纯净水或其他有机、无机液体作为辐射体，设计实现天线结构。经过对国内外已发表的非金属天线的文献查阅，目前得到研究的，主要包括：(1)用抽水机、水泵抽取海水，喷射出去，形成抛物线、半圆形弧状或直立单臂鞭状振子天线，主要用于海洋环境下舰船临时无线通信；(2)以液体来代替传统金属天线的一部分结构，实现液体和固体的混合，如液体微带贴片天线，基板是固体介质，贴片部分，更换为装在塑料盒里的液体；或者，实现液体加载，对原金属天线，加上一部分液体结构，改善某方面的性能；(3)常规形式的静态天线主要包括：液体介质谐振天线、液体单极子天线等。
金属天线不足之处主要有：电气性能一般不可重构，用户使用期间不能或无法调整，重量较大，相控阵天线可重构，但造价高，系统复杂，体积通常也较大，不适合经济型小型化系统；使用水泵的海水天线体积大，能耗大；使用液体替代传统天线的某一部分，或者用液体对经典天线形式进行加载的天线，其性能指标通常不可调控。
发明内容
本发明目的在于提供一种液体混合腔式可调控天线，以解决现有天线电气性能不可重构、重量体积大、能耗高的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种液体混合腔式可调控天线，包括空心腔体结构的天线1以及与所述天线1连接的馈电端2；所述天线1内部注入有液体；所述馈电端2包括同轴接头21、微波介质基板23以及设置于所述微波介质基板23下方的金属地24；所述天线1设置于微波介质基板23上方；所述同轴接头21贯穿微波介质基板23和金属地24设置，且所述同轴接头21设有与所述天线1内部液体连通的探针22。
优选的，所述天线1包括内腔体11、外腔体12和调控柱13；所述内腔体1设置在所述外腔体2内部空腔，所述调控柱13贯穿所述内腔体11和所述外腔体12下端通孔设置。
优选的，所述内腔体11和外腔体12为同心圆柱腔体结构。
优选的，所述探针22与内腔体11圆心位置的距离为0～8mm。
优选的，所述探针22长度为1.5～4.0mm。
优选的，所述内腔体11和外腔体12材质为聚四氟乙烯。
优选的，所述天线1内部液体为纯净水与花生油混合物。
优选的，所述天线1内部液体为海水与花生油混合物。
优选的，所述微波介质基板23材质为FR-4，介电常数为4.3，厚度为2.2mm。
本发明具有以下有益效果：
本发明的液体混合腔式可调控天线包括空心腔体结构的天线以及与所述天线连接的馈电端；所述天线内部注入有液体；所述馈电端包括同轴接头、微波介质基板以及设置于所述微波介质基板下方的金属地；所述天线设置于微波介质基板上方；所述同轴接头贯穿微波介质基板和金属地设置，且所述同轴接头设有与所述天线内部液体连通的探针，所述天线包括内腔体、外腔体和调控柱；所述内腔体设置在所述外腔体内部空腔，所述调控柱贯穿所述内腔体和所述外腔体下端通孔设置。通过拉动调控柱可使内腔和外腔连通，调节内腔和外腔内液体高度，使得谐振点和带宽变化，引起天线方向图主瓣指向、增益数值的变化，实现液体分布的重构，改变天线的辐射和匹配性能。
本发明的液体混合腔式可调控天线结构精简，微波介质基板可以为圆形，也可以是矩形或正方形，其形状可以在尺寸大于外腔体外径的前提下自由选择，选择的具体尺寸将影响天线辐射性能，但都可以实现有效辐射。
本发明的液体混合腔式可调控天线微波介质基板可以使用不同材料，介电常数可以从2～100之间选择，其厚度可以在0.5～10mm范围内选择，不同的选择将对天线阻抗匹配性能和工作频率范围产生影响，需根据实际需求进行计算和分析。
本发明的液体混合腔式可调控天线根据原始设计的不同，此天线的工作模式可分为两种：单极子状态和介质谐振状态。单极子状态工作的天线，其液体要求全部或至少与探针相接的液体导电，比如海水(主要溶质为氯化钠，全球海洋平均浓度为3.5％；还包括氯化镁、硫酸镁等浓度在0.5％以下的成分)、盐水(氯化钠溶液，浓度范围1％-26.5％或饱和)或一部分离子液体。以介质谐振状态工作的天线，其液体要求全部为非导电材料，比如橄榄油、玉米油、花生油等植物油或纯净水等。
本发明的液体混合腔式可调控天线内腔体和外腔体材质可以选择聚四氟乙烯、塑料，也可以是微波介质谐振材料，后者可以提供更多的设计灵活性。
本发明的液体混合腔式可调控天线通过改变探针的长度可以引起天线匹配性能和辐射方向性方面的变化，探针长度范围为1mm-15mm。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的液体混合腔式可调控天线单腔结构示意图；
图2是本发明优选实施例的液体混合腔式可调控天线双腔结构示意图；
图3是本发明优选实施例的液体混合腔式可调控天线双腔结构俯视图；
图4是本发明优选实施例的单腔结构分别注入纯净水、花生油、花生油和海水混合物、海水四种情况的阻抗匹配特性图；
图5是本发明优选实施例的单腔结构分别注入花生油、花生油和纯净水混合物、花生油和海水混合物、海水四种情况的辐射方向图；
图6是本发明优选实施例的双腔结构外腔注入高度16mm海水；内腔注入高度为5mm海水，外腔注入高度11mm海水；内腔注入高度11mm的海水，外腔注入高度5mm海水；内腔注入16mm高度的海水四种情况阻抗匹配特性图(上述四种情况内腔均注有花生油)；
图7是本发明优选实施例的双腔结构外腔注入高度16mm海水；内腔注入高度为5mm海水，外腔注入高度11mm海水；内腔注入高度11mm的海水，外腔注入高度5mm海水；内腔注入16mm高度的海水四种情况辐射方向图(上述四种情况内腔均注有花生油)；
图8是本发明优选实施例的双腔结构外腔注入高度为5mm的海水，内腔注入高度为11mm的海水；内腔注入高度为16mm的海水；内腔注入5mm高度海水，外腔注入11mm高度海水；外腔注入16mm高度海水四种情况辐射方向图(上述四种情况外腔均注有花生油)；
图9是本发明优选实施例的探针长度分别为1.5mm、2.0mm、2.8mm、4.0mm阻抗匹配特性图；
图10是本发明优选实施例的探针长度分别为1.5mm、2.0mm、2.8mm、4.0mm辐射方向图；
图11是本发明优选实施例的探针距离内腔体圆心位置0mm、3mm、7mm、8mm抗匹配特性图；
图12是本发明优选实施例的探针距离内腔体圆心位置0mm、3mm、7mm、8mm辐射方向图。
图中：1、天线，11、内腔体，12、外腔体，13、调控柱，2、馈电端，21、同轴接头，22、探针，23，微波介质基板，24、金属地。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1、图2和图3，液体混合腔式可调控天线包括空心腔体结构的天线1以及与所述天线1连接的馈电端2；所述天线1内部注入有液体；所述馈电端2包括同轴接头21、微波介质基板23以及设置于所述微波介质基板23下方的金属地24；所述天线1设置于微波介质基板23上方；所述同轴接头21贯穿微波介质基板23和金属地24设置，且所述同轴接头21设有与所述天线1内部液体连通的探针22，所述微波介质基板23材质为FR-4，介电常数为4.3，厚度为2.2mm。
所述天线1包括内腔体11、外腔体12和调控柱13；所述内腔体1设置在所述外腔体2内部空腔，所述调控柱13贯穿所述内腔体11和所述外腔体12下端通孔设置。通过拉动调控柱13可使内腔和外腔连通，所述内腔为内腔体11内部空腔，所述外腔为外腔体12内侧与内腔体11外侧之间环形空腔部位。
所述内腔体11和外腔体12为同心圆柱腔体结构，且所述内腔体11和外腔体12材质为聚四氟乙烯。所述探针22与内腔体11圆心位置的距离为0～8mm，所述探针22长度为1.5～4.0mm。
所述天线1内部液体为纯净水与花生油混合物，纯净水在下，花生油在上，构成介质谐振天线的辐射部分，微波介质基板23底部与铜制的金属地24连接，探针22从底部馈电激励。
图2、图3中，外腔体12外圆半径Rdro＝12mm，内圆半径Rqo＝10mm；内腔体11外圆半径Rdri＝8mm，内圆半径Rqi＝6mm；外腔体12和内腔体11高度均为30mm，金属地24厚度为0.035mm，微波介质基板23和金属地24为边长为50mm的正方形。
对本发明液体混合腔式可调控天线进行详细的设计和仿真计算，获得了多种组合形式的性能参数，掌握了相关的关键物理参数对天线性能的影响趋势和变化情况。以下从单腔、双腔两种结构阐述混合天线状态和性能。
图4是在图1单腔结构内分别注入纯净水、花生油、花生油和海水混合物、海水时测得的天线阻抗匹配特性(海水中主要溶质为氯化钠，浓度为3.5％，海水中还包括氯化镁、硫酸镁等浓度在0.5％以下的成份)，以反射系数表征，工程需求为反射系数小于等于-10dB，从图4中可以看出，当腔体内注入花生油时，天线工作频率最高，中心频率为6.5GHz，注入纯净水时次之，有3.5GHz和1.8两个频点，注入海水时最低，为1.7GHz，而腔体内注入花生油和海水的混合物时，其工作频点为2.45GHz，处于ISM(Industrial Scientific Medical)工业、科研和医疗领域可自由使用的频段内。
图5是在图1单腔结构内分别注入花生油、花生油和纯净水混合物、花生油和海水混合物、海水时测得的天线辐射方向图(海水中主要溶质为氯化钠，浓度为3.5％，海水中还包括氯化镁、硫酸镁等浓度在0.5％以下的成份)，从图5中可以看出，腔体内注入纯净水时，天线增益最高，方向性最强。
图6为双腔结构外腔注入高度16mm海水；内腔注入高度为5mm海水，外腔注入高度11mm海水；内腔注入高度11mm的海水，外腔注入高度5mm海水；内腔注入16mm高度的海水四种情况下液体混合腔式可调控天线阻抗匹配特性图(上述四种情况内腔均注有花生油，海水中主要溶质为氯化钠，浓度为3.5％，海水中还包括氯化镁、硫酸镁等浓度在0.5％以下的成份)，工程需求为反射系数小于等于-10dB，从图6中可以看出，在0～12GHz频率范围内，四种状态下均有可工作的频段，其中，内腔注有花生油，外腔注入高度16mm海水的工作频率最高，为11.2GHz；内腔注入花生油和高度为5mm海水，外腔注入高度11mm海水状态次之，最高频点为10.1GHz；内腔注入花生油和高度11mm的海水，外腔注入高度5mm海水工作频率最低，为3.1GHz。四种情况下，工作频率都包括两个或两个以上具有一定频率跨度的频带。
表1给出了上述四种情况下对应的频率特性数据，在该表中，“内腔16，外腔0”代表内腔海水高度是16mm，外腔海水高度为0(即外腔没有海水)；“内腔11，外腔5”代表内腔注入高度为11mm海水，外腔注入高度5mm海水；“内腔5，外腔11”代表内腔注入高度5mm的海水，外腔注入高度11mm海水；“内腔0，外腔16”代表外腔注入16mm高度的海水，内腔没有海水(上述四种情况下内腔均注有花生油)。谐振频率是指此种液体配置下，天线工作的三个频带各自的中心频点。
表1天线在不同液体分布情况下的工作频率和带宽
| 液体分布(mm) | 谐振频率(GHz) | 中心频带频率范围(GHz) | 中心频带相对带宽 |
| 内腔16，外腔0 | 4.21，5.07，9.15 | 4.83-5.43 | 11.70％ |
| 内腔11，外腔5 | 4.02，5.30，6.65 | 3.45-4.48 | 22.99％ |
| 内腔5，外腔11 | 5.97，7.16，9.99 | 6.78-7.53 | 10.48％ |
| 内腔0，外腔16 | 9.28，10.29，11.15 | 10.66-11.76 | 9.81％ |
图7为双腔结构外腔注入高度16mm海水；内腔注入高度为5mm海水，外腔注入高度11mm海水；内腔注入高度11mm的海水，外腔注入高度5mm海水；内腔注入16mm高度的海水四种情况下(频率为10.29GHz)液体混合腔式可调控天线辐射方向图(内腔均有花生油)。从图7可以看出海水全在外腔，内腔没有海水时的方向图主瓣最窄，增益最高，而海水全在内腔，内腔没有海水时的方向图主瓣最宽，辐射能量最发散。
图8为双腔结构外腔注入高度为5mm的海水，内腔注入高度为11mm的海水；内腔注入高度为16mm的海水；内腔注入5mm高度海水，外腔注入11mm高度海水；外腔注入16mm高度海水四种情况辐射方向图(上述四种情况外腔均注有花生油)；
图9探针长度分别为1.5mm、2.0mm、2.8mm、4.0mm阻抗匹配特性图，从图9可以看出，探针越短，天线工作频率越高，但并没有呈现线性增加的规律；探针长度越长，得到的最优反射系数数值越小，即阻抗匹配特性越好。
图10是探针长度分别为1.5mm、2.0mm、2.8mm、4.0mm辐射方向图，探针长度4.0mm时，增益最高。
图11为探针距离内腔体圆心位置0mm、3mm、7mm、8mm抗匹配特性图，四种状态探针分别处于内腔体圆心、内腔体液体中、内腔体固体介质中及内腔体外壁与外腔液体交界面出，四种情况下，反射系数差别较大，但都能获得一定的工作频带。
图12为探针距离内腔体圆心位置0mm、3mm、7mm、8mm辐射方向图，四种情况下，天线最大辐射方向发生了改变，增益的具体数值也有所差异。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.液体混合腔式可调控天线，其特征在于，包括空心腔体结构的天线(1)以及与所述天线(1)连接的馈电端(2)；
所述天线(1)内部注入有液体；
所述馈电端(2)包括同轴接头(21)、微波介质基板(23)以及设置于所述微波介质基板(23)下方的金属地(24)；所述天线(1)设置于微波介质基板(23)上方；
所述同轴接头(21)贯穿微波介质基板(23)和金属地(24)设置，且所述同轴接头(21)设有与所述天线(1)内部液体连通的探针(22)。
2.根据权利要求1所述的液体混合腔式可调控天线，其特征在于，所述天线(1)包括内腔体(11)、外腔体(12)和调控柱(13)；所述内腔体(1)设置在所述外腔体(2)内部空腔，所述调控柱(13)贯穿所述内腔体(11)和所述外腔体(12)下端通孔设置。
3.根据权利要求2所述的液体混合腔式可调控天线，其特征在于，所述内腔体(11)和外腔体(12)为同心圆柱腔体结构。
4.根据权利要求3所述的液体混合腔式可调控天线，其特征在于，所述探针(22)与内腔体(11)圆心位置的距离为0～8mm。
5.根据权利要求2所述的液体混合腔式可调控天线，其特征在于，所述探针(22)长度为1.5～4.0mm。
6.根据权利要求2所述的液体混合腔式可调控天线，其特征在于，所述内腔体(11)和外腔体(12)材质为聚四氟乙烯。
7.根据权利要求1所述的液体混合腔式可调控天线，其特征在于，所述天线(1)内部液体为纯净水与花生油混合物。
8.根据权利要求2所述的液体混合腔式可调控天线，其特征在于，所述天线(1)内部液体为海水与花生油混合物。
9.根据权利要求1～8所述的液体混合腔式可调控天线，其特征在于，所述微波介质基板(23)材质为FR-4，介电常数为4.3，厚度为2.2mm。
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