CN106816690A - 金属加载的高辐射效率宽频带海水天线 - Google Patents

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彭政
耿军平
金荣洪
朱卫仁
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姚羽
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Abstract

本发明提供了一种金属加载的高辐射效率宽频带海水天线，用于宽频带应用天线。包括：从上到下依次层叠的圆柱形海水容器、金属柱辐射结构、方形贴片结合探针的馈电结构以及圆形接地板。海水容器底部与法兰基底相连接，方形贴片的馈电结构通过探针与法兰基底以及圆形接地板连接在一起。本发明结构简单，制作成本低，尺寸小，可覆盖较宽频段，频率可重构方便，能实现较高的辐射效率，不仅可以应用在无线通信，数字电视等领域，其独有的低RCS特性，也使其在航空航海等领域应用前景广阔。

Description

金属加载的高辐射效率宽频带海水天线
技术领域
本发明涉及无线通信系统中射频前端的天线设计，具体为一种基于金属加载技术的高辐射效率宽频带的海水天线，可以应用于一些特定的宽频带应用中。
背景技术
当前，无线通信系统清一色地使用固态天线，随着无线通信设备向着小型化、多功能、多频带方向发展，天线的设计与实现遇到了前所未有的挑战。液体天线的出现开辟了一片新天地，也为无线通信天线所遇到的难以逾越的瓶颈提供了潜在的解决方案。
海水天线作为一种液体天线越来越受到重视。海水比一般介质、金属更容易加工成任意形状；调节结构几何参数和材料电磁特性方便，工作频率可重构，带宽可重构；高介电常数也使得其具有设计成紧凑型结构的潜质；并且由于其低RCS特性使其相比一般的金属天线，成本低，性能好。这些优点也使得海水天线得到越来越广泛的应用，包括航空航海领域，生物医学领域，以及各种无线通信系统。目前而言对海水天线的技术研究主要集中在高效率以及宽阻抗带宽。但是很难有一款天线能够同时兼顾高效率和宽频带特性两者的优点。
经文献检索发现，2014年9月沈忠祥等人在《Antennas and WirelessPropagation Letters》期刊上发表了《High-Efficiency Sea-Water Monopole Antennafor Maritime Wireless Communications》。天线工作于航海天线频段，通过海水以及金属贴片馈电的方式设计了一款高效率的海水天线，但是天线本身带宽很窄，只有不到30％。同时在2011年的《舰船电子工程》期刊上杨卓设计了一款可重构、低反射面的海水天线，但是其天线效率也不到60％。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于设计一种高辐射效率宽频带的海水天线，在保持宽频带特性的前提下，使天线具有高效率。
根据本发明提供的一种金属加载的高辐射效率宽频带海水天线，包括：腔体、馈电结构、接地板；
绝缘的腔体为海水容器；
腔体、馈电结构、接地板依次连接。
优选地，馈电结构包括金属贴片、上绝缘基板、下绝缘基板、SMA接头；
金属贴片位于腔体内，且贴在腔体的腔底面；
上绝缘基板的顶面连接在腔体的外底壁，上绝缘基板的底面连接下绝缘基板的顶面，下绝缘基板的底面连接接地板；
SMA接头位于接地板的下方；
SMA接头的内导体依次穿过接地板、下绝缘基板、上绝缘基板延伸连接至金属贴片；SMA接头的外导体连接接地板；
上绝缘基板、下绝缘基板之间厚度不一致和/或半径不一致。
优选地，还包括金属柱；
金属柱设置在腔体内；
圆柱形的腔体的下半部具有四个圆柱面凸起，每个圆柱面凸起内设置有一个圆柱形金属柱。
本发明和现有技术相比，其效果是积极和明显的。具体有益效果如下：
1、本发明通过海水的加入，其高介电常数既减少了海水天线的尺寸同时也实现了海水天线的低RCS的特性，其高电导率也提高了天线的辐射效率。
2、本发明的海水天线通过海水的高度的改变可以实现频率的可重构，海水天线半径以及基板厚度的改变实现了天线的带宽的可重构。
3、本发明通过金属柱辐射结构的引入实现了海水天线的高辐射效率的特性，
4、本发明通过方形贴片结合探针的馈电结构，在提高了天线辐射效率的同时还保持了所述的海水天线的宽阻抗特性不变，从而实现了高效率宽频带宽海水天线的设计。
5、本发明的海水天线可覆盖较宽频段，通过不同尺寸的设计使得利用该天线满足标准的无线通信、宽频带接入通信、航海通信以及数字电视接收成为可能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明所述的一种金属加载的高效率宽频带宽海水天线的整体结构示意图
图2是本发明所述的一种金属加载的高效率宽频带宽海水天线的截面结构示意图
图3是本发明所述的一种金属加载的高效率宽频带宽海水天线的辐射效率结果
图4是本发明所述的一种金属加载的高效率宽频带宽海水天线的端口反射系数的变化结果。
图5是本发明所述的一种金属加载的高效率宽频带宽海水天线的端口反射系数随海水的高度的变化结果。
图6是本发明所述的一种金属加载的高效率宽频带宽海水天线分别在500MH,600MHz,700MHz时的H面方向图结果。
图7是本发明所述的一种金属加载的高效率宽频带宽海水天线增益随频率变化结果。
图中：1为腔体，2为金属柱，3为馈电结构，4为接地板，5为海水，6为金属贴片，7为上绝缘基板，8为SMA接头内导体，9为下绝缘基板，10为SMA接头。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种金属加载的高辐射效率宽频带海水天线，用于宽频带应用天线。包括：从上到下依次层叠的圆柱形海水容器、圆柱形金属馈电结构、方形金属贴片结合SMA接头内导体的馈电结构以及圆形接地板。圆柱形海水容器与绝缘基底相连接，方形金属贴片的馈电结构通过SMA接头内导体与绝缘基底以及圆形接地板连接在一起。本发明结构简单，制作成本低，尺寸小，可覆盖较宽频段，频率可重构方便，能实现较高的辐射效率，不仅可以应用在无线通信，数字电视等领域，其独有的低RCS特性，也使其在航空航海等领域应用前景广阔。
如图1～图2所示，一种金属加载的高效率宽频带海水天线，包括圆柱形腔体1、圆柱形金属柱2、馈电结构3以及圆形接地板4，圆形接地板4的材料为金属，如铜、铝材等均可。
圆柱形金属柱2设置在圆柱形腔体1内；圆柱形腔体1优选地采用塑料制成。四个圆柱形金属柱2构成金属柱辐射结构。
圆柱形腔体1、馈电结构3以及圆形接地板4依次连接。
圆柱形腔体1作为海水容器，其下半部带有四个圆柱面凸起，每个圆柱面凸起内设置有一个圆柱形金属柱2。
馈电结构3是方形金属贴片结合SMA接头的内导体。
馈电结构3包括方形金属贴片6、上绝缘基板7、SMA内导体8、下绝缘基板9、SMA接头10。金属贴片6与金属柱2之间可以分离或者相接触。上绝缘基板7、下绝缘基板9的材料可选用Teflon的聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene，PTFE)。
圆柱形腔体1底壁与上绝缘基板7通过胶水连接；方形金属贴片6位于圆柱形腔体1内，且贴在圆柱形腔体1的腔底面；方形金属贴片6连接SMA接头内导体8；圆形接地板4通过SMA接头10法兰螺钉固定到下绝缘基板9。
上绝缘基板7连接下绝缘基板9，两者的厚度半径均可有多种规格选择，两者优选为一体成型结构的绝缘基底。
四个圆柱形金属柱2的形状尺寸相同，旋转对称放置于圆柱形腔体1所预留的空腔处。金属辐射结构可以对尺寸形状做出改变而有多种选择。
进一步的，上绝缘基板7、下绝缘基板9的中心打孔形成通孔，SMA接头内导体8经由通孔与方形金属贴片6相连接接触，金属贴片6可以使方形、圆形、矩形等，且其尺寸可以有多种选择。金属贴片6中心打孔与SMA接头内导体8相连。
进一步的，在SMA接头10和下绝缘基板9中间，放置圆形接地板4夹在两者中间，圆形接地板4中间通孔以便SMA接头内导体8从中间贯穿而过连接方形金属贴片6。
进一步的，馈电结构3与圆形接地板4相连接成一体，结合金属辐射结构以及圆柱形海水容器共同构成一种金属加载的高效率宽频带海水天线。
SMA接头的内导体和外导体分别与金属贴片6与圆形接地板4相连接。
馈电结构3主要为三个部分：上、下绝缘基板构成的绝缘基底、SMA接头以及方形金属贴片，方形金属贴片的中心与绝缘基板圆心重合，实现天线辐射效率的提升同时保证天线的宽阻抗带宽特性；
腔体1作为圆柱形海水容器，采用3D打印技术制作而成，圆柱形海水容器的高度尺寸选择在其工作所需的频段。
优选例中，所述金属加载的高效率宽频带海水天线实例设计在频段440MHz-880MHz频段，其三维尺寸为150mm×60mm×60mm。
本发明的基本工作原理在于：通过馈电结构3激发圆柱形腔体1中的海水5三者共同构成一种介质谐振器天线，海水为介质。海水的高度和半径尺寸决定于介质谐振器的工作频率，同时由于海水作为一种导电介质，因此所设计的天线其实也是一种单极子天线，也有自身的谐振频率，其中心频率有海水的高度决定。以上两种混合的工作模式相结合共同构成所设计天线的宽频带特性。进一步的，通过金属方形金属贴片的引入，促进激发介质谐振器的TM辐射模，提高了天线的辐射效率。而上下两层绝缘基板的主要作用是进一步扩宽天线的带宽特性；进一步的，四个金属柱作为增强辐射体，用于提高天线的辐射效率。
如图3所示是本实施例的仿真得到的辐射效率图，从图中可以看出，金属柱的加入，明显提高了海水天线的辐射效率，最终效率可达到90％。
如图4所示是本实施例的仿真得到的端口反射系数图，从图中可以看出，在440MHz-880MHz频段内端口反射系数小于-10dB。
如图5所示是本实施例的仿真得到的端口反射系数随海水高度变化图，可以看出在400MHz-1.1GHz范围内，天线可以经过简单的海水高度的变化来实现频率可重构。
如图6所示是本实施例的仿真得到的在500MHz,600MHz,700MHz处的H面(H-plane(xoy plane，xoy平面))方向图。可以看出所涉及天线在所涉及频段范围内保持稳定的全向辐射方向图。
如图7所示是本实施例的仿真得到的增益图，从图中可以看出，在工作频段内，天线增益从1.1dBi-2.4dBi。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (3)

1.一种金属加载的高辐射效率宽频带海水天线，其特征在于，包括：腔体(1)、馈电结构(3)、接地板(4)；
绝缘的腔体(1)为海水容器；
腔体(1)、馈电结构(3)、接地板(4)依次连接。
2.根据权利要求1所述的金属加载的高辐射效率宽频带海水天线，其特征在于，馈电结构(3)包括金属贴片(6)、上绝缘基板(7)、下绝缘基板(9)、SMA接头(10)；
金属贴片(6)位于腔体(1)内，且贴在腔体(1)的腔底面；
上绝缘基板(7)的顶面连接在腔体(1)的外底壁，上绝缘基板(7)的底面连接下绝缘基板(9)的顶面，下绝缘基板(9)的底面连接接地板(4)；
SMA接头(10)位于接地板(4)的下方；
SMA接头的内导体依次穿过接地板(4)、下绝缘基板(9)、上绝缘基板(7)延伸连接至金属贴片(6)；SMA接头的外导体连接接地板(4)；
上绝缘基板(7)、下绝缘基板(9)之间厚度不一致和/或半径不一致。
3.根据权利要求1所述的金属加载的高辐射效率宽频带海水天线，其特征在于，还包括金属柱(2)；
金属柱(2)设置在腔体(1)内；
圆柱形的腔体(1)的下半部具有四个圆柱面凸起，每个圆柱面凸起内设置有一个圆柱形金属柱(2)。
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