CN108110408A - 以水为媒介的介质天线及其模型建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以水为媒介的介质天线及其模型建立方法，包括水冷循环结构、支撑架、L型探针、接地层、介质层以及处理器，水冷循环结构中的水代替传统的贴片天线中的金属层作为辐射介质，空气作为衬底使得可以通过改变空气层高度以及改变水冷循环结构的尺寸即可实现任意频率的无线接口。本发明还公开了前述介质天线模型建立的方法，该方法可以根据实际工作需求建立介质天线的模型以求得介质天线各尺寸参数具体数值，节约实际生产前建模测试的时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种微带天线，具体为一种以水为媒介的介质天线。
背景技术
水的相对介电常数在81左右，相对介电常数越大，表示其束缚电磁场的能力就越强。传统的贴片天线如图1所示,包括金属贴片101、介质衬底102、接地层103以及馈电探针104，介质衬底102为填充的介质材料，覆盖在介质衬底102上的金属贴片101作为辐射层，进行无线收发工作；传统的水介质天线是以水代替介质衬底102内的填充的材料，其高介电常数可以大幅度缩小辐射贴片的尺寸，但是以水作为填充材料，会严重影响该天线的收发效率。
目前市场上的台式电脑主板大部分没有预留无线网卡的卡槽，如果电脑需要连接无线设备，需外置USB接口的无线网卡，这样就需要额外占用一个USB接口；此外，外置的无线网卡有一根单极子天线，体积庞大，不易携带。
在电脑主机或者大型设备中，水冷散热现已是一种常用的散热方式，一般的水冷散热系统由水冷块、循环液、水泵和水箱组成，通过水循环带走主机或大型设备产生的热量，以实现散热。由于水的比热容大，故吸收热量快且本身温度不会有明显变化。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种以水为媒介的介质天线，利用了水冷散热的结构，创新的提出了新的无线接入方案，该方案同时解决了无线接入和处理器散热的问题。本发明还提供了一种前述介质天线模型建立以及尺寸确定的方法，以使得在进行实际生产测试之前能够得到较为准确的尺寸参数信息，从而节省生产试验的时间。
技术方案：一种以水为媒介的介质天线，包括水冷循环结构、支撑架、探针、接地层、介质层、信号层以及信号处理芯片；支撑架上端固定设置有水冷循环结构连接，支撑架下方与水平铺设的接地层固定连接；接地层与水冷循环结构之间留有间隙作为空气层，空气层内设置有探针；接地层上设有小孔，探针穿过该小孔和介质层与信号层连接，信号层固定于介质层下方，介质层上方与接地层固定连接；信号层引出的下方为封装好的信号处理芯片。
上述的天线结构其具体工作原理为：水冷循环结构作为辐射介质，空气层作为衬底，水冷循环结构下方的探针耦合上方的水实现空间信号的收发，探针下由一层接地层和介质层组成，探针穿过接地层和介质层与信号层连接，信号层引出的下方就是封装好的处理芯片。
上述以水为媒介的介质天线具体模型建立以及各尺寸确定步骤如下：
1)设定此模型中εr初始值为空气相对介电常数，并确定空气层高度H以及介质天线的谐振频率f0；
2)利用εr、空气层高度H以及介质天线的谐振频率f0估算出水冷循环结构(1)的散热层的宽度W和长度L；
3)使用步骤1)和步骤2)中得到的各尺寸参数采用HFSS进行建模，以水为介质天线模型的辐射介质，求解电磁场；
4)验证是否满足介质天线设计要求；
5)若不满足条件则调整εr或者空气层高度H的值，返回步骤1)重新进行设计；
6)若满足条件完成此次设计。
有益效果：使用本发明所提供的以水为媒介的介质天线利用水冷装置将无线连接用的天线和模块集成在水冷装置上，从而节省外部USB接口、提高便携性和稳定性，将散热功能和无线接入功能集成在一起；并且此发明利用的水冷装置中水进行天线设计，相比较于传统的贴片天线具有更高的收发效率、空口带宽、材料成本更低。本发明所提供的介质天线的模型建立方法所建立的模型能够有效的根据实际工作需求测算出实际生产当中介质天线的各尺寸参数，以节省实际生产前建模试验的时间。
附图说明
图1为传统微带天线的剖面图；
图2为本发明水冷介质天线装置的剖面图；
图3为本发明水冷介质天线装置的俯视图。
具体实施方式
如图1所示，一种以水为媒介的介质天线，包括水冷循环结构1、支撑架2、探针3、接地层4；支撑架2包括水平支撑架及固定支撑水平支撑架四个角的立柱，支撑架2的四个立柱与下方水平设置的接地层4固定连接，水冷循环结构1包括了进水管11和出水管12，进水管11的水进入散热层13之后循环至出水管12从而带走热量，散热层13铺设于支撑架2的水平支撑架上；接地层4与支撑架2中间有空气层，该空气层内设置有“L”型探针3，接地层4下方依次固定水平铺设介质层7和信号层5，“L”型探针3一端穿过接地层4和介质层7与信号层5连接，“L”型探针3与接地层4不接触，故接地层4上需要设置圆孔供“L”型探针3穿过,圆孔直径大于探针3外径；水冷循环结构1作为辐射介质，空气层作为衬底，空气层内设置的“L”型探针3为耦合馈电结构，“L”型探针3与水冷循环结构1中的水耦合实现空间信号的收发，信号层5与信号处理芯片6连接以接收或者发送信号。信号处理芯片6和支撑架2下端连接印刷板电路8。
上述以水为媒介的介质天线具体模型建立以及各尺寸确定步骤如下：
1)设定此模型中εr初始值为空气相对介电常数，并确定空气层高度H以及介质天线的谐振频率f0；
2)利用εr、空气层高度H以及介质天线的谐振频率f0估算出水冷循环结构(1)的散热层(13)的宽度W和长度L；
3)使用步骤1)和步骤2)中得到的各尺寸参数采用HFSS进行建模，以水为介质天线模型的辐射介质，求解电磁场；
4)验证是否满足介质天线设计要求；
5)若不满足条件则调整εr或者空气层高度H的值，返回步骤1)重新进行设计；
6)若满足条件完成此次设计。
上述步骤2中散热层13的宽度W计算公式如下：
其中，在第一次计算散热层13的宽度W时，εr取空气的相对介电常数，故εr＝1，当步骤4中验证出满足设计条件时即可确定散热层13的宽度W和长度L，当不满足设计条件时需要工程师结合仿真软件进行修正，在仿真软件HFSS建立近似模型使用全波仿真求解器来修正上述的理论公式，修改一个更准确的εr值；f0是介质天线的谐振频率，根据实际需要确定f0的值；C0是真空中的光速，C0＝3e11mm/s；
上述步骤2的散热层13的长度L计算公式如下：
其中，λeff为有效相对波长即电磁波在空气和水的混合介质之间的有效相对波长长度，λeff计算公式如下：
其中，εeff是电磁波在空气和水之间的有效相对介电常数，f0是介质天线的谐振频率，根据实际需要确定f0的值；C0是真空中的光速，C0＝3e11mm/s；式
(3)中的εeff计算公式如下：
其中，H是衬底即空气层的高度，空气的相对介电常数εr＝1，W为散热层13的宽度；
通过上述计算式(2)、(3)、(4)即可建立空气层高度H、散热层宽度W和长度L之间的关系：
从而推算在不同谐振频率f0所对应的各参数的尺寸。
下表为改变本发明相应结构尺寸时所对应的收发的无线信号的频率以及天线的工作性能变化：
表1
由上表可知,通过改变空气层的高度能够有效改变本发明的介质天线的相对工作带宽以及增益等工作性能，但是对中心频率的影响较小；通过同时设计空气层高度、散热层结构尺寸以及探针尺寸可实现任意频率的无线接入。
Claims (9)
1.一种以水为媒介的介质天线，包括水冷循环结构(1)、支撑架(2)、探针(3)、接地层(4)，其特征在于：支撑架(2)上方固定设有水冷循环结构(1)，支撑架(2)下方水平设置有接地层(4)，接地层(4)与水冷循环结构(1)之间为空气层，该空气层内设置有探针(3)，接地层(4)下方依次设置有介质层(7)和信号层(5)，探针(3)一端穿过接地层(4)和介质层(7)与信号层(5)连接，探针(3)与接地层(4)之间留有间隙；所述水冷循环结构(1)作为辐射介质，所述空气层作为衬底，空气层内设置的探针(3)为耦合馈电结构，所述探针(3)与水冷循环结构(1)中的水耦合实现空间信号的收发，信号层(5)与信号处理芯片(6)连接以接收或者发送信号。
2.根据权利要求1所述的以水为媒介的介质天线，其特征在于：所述探针(3)形状为“L”型。
3.根据权利要求1所述的以水为媒介的介质天线，其特征在于：所述水冷循环结构(1)包括进水管(11)和出水管(12)，所述进水管(11)的水进入散热层(13)之后循环至出水管(12)从而带走热量。
4.根据权利要求3所述的以水为媒介的介质天线，其特征在于：所述支撑架(2)包括水平支撑架以及固定支撑水平支撑架四个角的立柱，所述散热层(13)固定铺设于水平支撑架上。
5.根据权利要求3所述的以水为媒介的介质天线，其特征在于：所述介质天线空气层高度为5mm,所述散热层(13)宽度为12mm，所述散热层长度为20mm，所述“L”型探针(3)水平段长度为19mm，所述“L”型探针(3)离接地层高度为4mm，所述介质天线的谐振频率为5.7GHz。
6.根据权利要求3所述的以水为媒介的介质天线，其特征在于：所述介质天线空气层高度为15mm,所述散热层(13)宽度为30mm，所述散热层长度为48mm，所述“L”型探针(3)水平段长度为19mm，所述“L”型探针(3)离接地层高度为12mm，所述介质天线的谐振频率为2.4GHz。
7.一种权利要求1所述的以水为媒介的介质天线的模型建立方法，包含如下步骤：
1)设定此模型中εr初始值为空气相对介电常数，并确定空气层高度H以及介质天线的谐振频率f0；
2)利用εr、空气层高度H以及介质天线的谐振频率f0估算出水冷循环结构(1)的散热层(13)的宽度W和长度L；
3)使用步骤1)和步骤2)中得到的各尺寸参数采用HFSS进行建模，以水为介质天线模型的辐射介质，求解电磁场；
4)验证是否满足介质天线设计要求；
5)若不满足条件则调整εr或者空气层高度H的值，返回步骤1)重新进行设计；
6)若满足条件完成此次设计。
8.根据权利要求7所述的以水为媒介的介质天线的模型建立方法，其特征在于：所述步骤2)中散热层(13)的宽度W与介质天线的谐振频率f0以及相对介电常数εr之间的关系为：
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其中，εr是相对介电常数，初始值为空气相对介电常数1，f0是介质天线的谐振频率；C0是真空中的光速，C0＝3e11mm/s。
9.根据权利要求8所述的以水为媒介的介质天线的模型建立方法，其特征在于：所述步骤2)中散热层(13)的长度L与介质天线的谐振频率f0以及相对介电常数εr之间的关系为：
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其中，f0是所设计介质天线的谐振频率，根据实际需要确定f0的值；C0是真空中的光速，C0＝3e11mm/s；H是衬底即空气层的高度，εr初始值为空气的相对介电常数，W为散热层(13)的宽度。
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