CN107785652B - 一种液体贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液体贴片天线，包括带金属地板的介质基板、激励端口、金属探针以及内置有液体的非金属辐射贴片和内置有液体的非金属短路贴片；所述非金属短路贴片垂直固定在金属地板上，其一端与金属地板相连，形成接地短路，其另一端与平行于金属地板的非金属辐射贴片相连，所述非金属短路贴片与非金属辐射贴片构成一个倒L结构，且它们两者内部的液体相连通，所述金属探针的一端穿过介质基板伸入非金属辐射贴片中，其另一端安装上激励端口，且所述金属探针平行靠近于非金属短路贴片，但不直接接触。本发明具有较高的辐射效率、较高的增益、较宽的阻抗带宽和全向辐射特性，工作频率覆盖2.26GHz～3.24GHz。

Description

一种液体贴片天线
技术领域
本发明涉及天线领域，尤其是指一种液体贴片天线。
背景技术
随着通讯技术的发展，通讯应用中对于天线的各种性能的要求越来越高，人们希望天线的体积要小、辐射效率要高、增益要高、带宽要宽、全相性要好。传统的天线结构逐渐的难以满足这些要求，促使科研工作者不断探究新材料新技术在天线技术中的应用，液体天线就是新材料在天线技术应用中的一个重要研究方向。
传统天线尤其是贴片天线主要以金属作为辐射结构，而液体天线的构想就是以液体代替传统天线上的固态金属结构或者固态介质谐振器结构作为天线的辐射单元。相比较传统的金属结构天线，液体天线具有以下几个方面的优点；
1、体积小，在介质谐振器天线中，天线尺寸理论上可以缩减
Figure BDA0001474151730000011
这个系数因子。
2、可重构性，液体相比较传统天线形式具有可流动的特性，因此天线的形状可以根据自身的要求随时做出改变，例如通过调节液体的体积改变单极子的高度和直径来实现频率和带宽的的转换与调节。
3、较小的雷达截面，只有在使用时才泵入液体，可以有效的较少天线在雷达上的反射截面，同时，当水作为介质谐振器时，由于水的介电常数比较大也可以有效的降低雷达反射截面，能够有效地躲避电子侦察。
4、成本低，液体天线大多使用导电的海水或者不导电的纯净水，相比较金属结构或者介质谐振器结构在成本上的优势十分明显。
在液体天线设计中，主要根据其介质特性或者导电性涉及天线。最早利用液体导电性开展天线研究工作的是Hatch，他使用海水作为辐射媒质来支撑电流传输，并首次提出了“离子液体天线的概念”并由此开创了液体天线的研究。2005年H.Fayad设计了一款使用食盐水作为导电媒质的海水天线，他通过在单极子天线周围添加导电的食盐水，由于食盐水的介电常数较大，电磁波在食盐水中的工作波长变短，所以同等长度的探针，加载食盐水后天线的谐振频率朝低频方向移动。2012年Tam D.W.利用液体的流动性设计了一款动态海水单极子天线，由水泵喷射的水柱作为天线的单极子辐射结构，但是天线的性能受到喷射水柱流量跟风力等外界因素的影响较大，天线稳定性有待提高。2012年英国的Huang Yi教授提出了一种海水静态单极子天线，通过改变海水中NaCl的含量来控制海水的导电率，当海水导电率较低时，海水是作为天线的介质谐振器，导电率较高时，海水是导体跟介质特性的混合特性天线。
纯净水作为天线的介质谐振器的设想始于1999年，S.P.Kingsley和S.G.O’Keefe提出利用纯净的蒸馏水作为介质谐振器天线的介质谐材料，由于纯净水是流动的全透明的，因此在放置天线探针，调节天线内部结构等方面具有绝对优势。2007年Steven G.O’Keefe等人设计了一款带宽可调的可重构液体介质谐振器天线，通过调节水的高度改变天线的谐振频率，引入电压-电容控制装置，通过改变电压控制变容管的电容，使各个频段都具有良好的阻抗匹配。2014年沈忠祥教授利用水的介质特性设计了一种方向图可调的漏波天线，该漏波天线利用周期设置的水栅条纹改变平面波的传播速度和相位，通过改变水栅条纹宽度和间距来实现方向图的可重构。2016年沈忠祥教授利用蒸馏水的介质特性设计了种极化可调的螺旋天线，天线由两层饶璇方向相反的蒸馏水构成，通过激励不同的蒸馏水层实现左旋右旋的极化变换。2016年Luk教授提出一种全透明的圆形贴片天线，天线的辐射贴片与地板均采用由透明的树脂玻璃材料包裹纯净水构成，馈电结构产生的电磁波在圆形水贴片与水地板之间反射，由圆形水贴片与水地板之间的缝隙辐射到自由空间中，整个结构除了馈电结构使用少量金属外，剩下的全部结构都由树脂玻璃包裹纯净水构成，是一款真正意上的全透明的天线。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种结构简单、辐射效率高、带宽宽、成本低的液体贴片天线，可以很好地应用到无线通信系统中，工作频率覆盖2.26GHz～3.24GHz。
为实现上述目标，本发明提供的技术方案为：一种液体贴片天线，包括带金属地板的介质基板、激励端口、金属探针以及内置有液体的非金属辐射贴片和内置有液体的非金属短路贴片；所述非金属短路贴片垂直固定在金属地板上，其一端与金属地板相连，形成接地短路，其另一端与平行于金属地板的非金属辐射贴片相连，所述非金属短路贴片与非金属辐射贴片构成一个倒L结构，且它们两者内部的液体相连通，所述金属探针的一端穿过介质基板伸入非金属辐射贴片中，其另一端安装上激励端口，且所述金属探针平行靠近于非金属短路贴片，但不直接接触。
所述非金属辐射贴片、非金属短路贴片同一对称轴，所述金属探针偏离该对称轴，以使非金属辐射贴片的短边方向形成一个谐振点。
所述非金属辐射贴片和非金属短路贴片包裹于一个倒L形的非金属容器中，所述金属探针是穿过介质基板伸入非金属容器中与非金属辐射贴片直接接触。
所述非金属辐射贴片、非金属短路贴片均为透明贴片。
所述非金属辐射贴片、非金属短路贴片中的液体为纯净水。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和提高：
1、与已有的天线相比，本发明只有馈电结构与地板使用了少量的金属材料，剩余的如辐射贴片与短路贴片均使用非金属材料，非金属材料的使用大大减小了天线的雷达反射截面，具有优良的隐蔽特性。
2、与已有的天线相比，本发明的辐射贴片与短路贴片均为透明贴片，在外观上具有全透明的特性，采用廉价材料有效的降低了天线的成本。
3、与已有的液体天线相比，本发明的辐射效率更高，已有液体天线的辐射效率受导电率和介质特性的影响，介质损耗较高，因此辐射效率较低，本设计的辐射效率达到72％～91％，相比较已有的液体天线有了很大提高。
4、与已有液体天线相比，本发明的带宽更宽，已有液体天线的一大弊端就是天线的阻抗匹配带宽较窄，本设计通过引入多个谐振点，再调节辐射贴片的尺寸使谐振点相互靠近，达到了增加天线阻抗带宽的目的。
附图说明
图1为本发明的液体贴片天线侧视图。
图2为本发明的液体贴片天线俯视图。
图3为本发明的液体贴片天线立体图。
图4为本发明的液体贴片天线的S参数示意图。
图5为本发明的液体贴片天线的辐射效率示意图。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明作进一步说明。
参见图1所示，本实施例所提供的液体贴片天线，包括带金属地板(图中未画出)的介质基板4、激励端口6、金属探针5、内置有液体(优选纯净水)的非金属辐射贴片1、内置有液体(优选纯净水)的非金属短路贴片2以及由树脂玻璃制成的容器3，其中，所述非金属短路贴片2垂直固定在金属地板上，其一端与金属地板相连，形成接地短路，其另一端与平行于金属地板的非金属辐射贴片1相连，所述非金属短路贴片2与非金属辐射贴片1构成一个倒L结构，且它们两者同一对称轴，它们内部的液体相连通，所述非金属辐射贴片1和非金属短路贴片2包裹在由树脂玻璃构成的容器3中，所述金属探针5的一端穿过介质基板4伸入容器3中与非金属辐射贴片1直接接触，其另一端安装上激励端口6。
参见图2、图3所示，图中可以看到金属探针5的位置并不在非金属辐射贴片1和非金属短路贴片2的对称轴上而是稍微偏离对称轴，这是为了在非金属辐射贴片1短边方向形成一个谐振点42；金属探针5内嵌在容器3中，并平行于非金属短路贴片2，但是金属探针5的侧面与非金属短路贴片2并不直接接触。
参见图4所示，图中的第一个谐振点41主要由非金属辐射贴片1的长度来控制，调节非金属辐射贴片1的长度以及非金属短路贴片2的高度可以移动谐振点41；第二个谐振点42由非金属辐射贴片1的宽来控制，通过调节非金属辐射贴片1的宽度以及金属探针5距离对称轴的距离可以移动谐振点42。总之通过非金属辐射贴片1的长和宽的数值，使两个谐振点41与42相互接近，使天线的阻抗带宽非常宽，相对带宽达到了35.6％(2.26GHz—3.24GHz)。
如图5所示，本发明天线实现了高辐射效率的特点。天线的辐射效率最高可达90％，远大于以往的液体天线的辐射效率。天线的辐射效率的提高主要是采用了高介电常数(常温下为81)的纯净水作为辐射贴片，因此电磁场能量主要集中在介电常数较小的材料中，即容器3中和非金属辐射贴片1与金属地板4之间的自由空间中，这就有效的降低了天线的介质损耗。同时，相比较传统的金属贴片，减少了由于金属结构造成的能量损耗。
通过以上的分析可以知道，本发明天线既增加了带宽，提高辐射效率，又能降低成本，值得推广。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种液体贴片天线，其特征在于：包括带金属地板的介质基板、激励端口、金属探针以及内置有液体的非金属辐射贴片和内置有液体的非金属短路贴片；所述非金属短路贴片垂直固定在金属地板上，其一端与金属地板相连，形成接地短路，其另一端与平行于金属地板的非金属辐射贴片相连，所述非金属短路贴片与非金属辐射贴片构成一个倒L结构，且它们两者内部的液体相连通，所述金属探针的一端穿过介质基板伸入非金属辐射贴片中，其另一端安装上激励端口，且所述金属探针平行靠近于非金属短路贴片，但不直接接触；
所述非金属辐射贴片、非金属短路贴片同一对称轴，所述金属探针偏离该对称轴，以使非金属辐射贴片的短边方向形成一个谐振点；
所述非金属辐射贴片和非金属短路贴片包裹于一个倒L形的非金属容器中，所述金属探针是穿过介质基板伸入非金属容器中与非金属辐射贴片直接接触；
所述非金属辐射贴片、非金属短路贴片均为透明贴片。
2.根据权利要求1所述的一种液体贴片天线，其特征在于：所述非金属辐射贴片、非金属短路贴片中的液体为纯净水。
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