CN108258418A - 一种极化和方向图可重构的水介质谐振器天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种极化和方向图可重构的水介质谐振器天线，包括介质容器、介质支撑柱、馈电探针、同轴馈电端口和金属地板；介质容器的内部形成有两个空腔，两个空腔的顶部分别开设有一个孔阀，通过从孔阀注入高介电常数介质液体，能够实现天线不同旋向的圆极化，若都不注入液体，则天线为线极化；介质容器位于金属地板的上方，并由介质支撑柱进行支撑，使得该介质容器与金属地板之间存在空气层，馈电探针的一部分伸进介质容器中进行馈电，并位于两个空腔之间，其另一部分往下穿过金属地板连接同轴馈电端口。本发明天线具有极化和方向图可重构、辐射效率高，阻抗带宽宽的特点，天线为圆极化时还具有轴比带宽宽的特点，可应用于卫星通信系统。
Description
技术领域
本发明涉及液体天线的技术领域，尤其是指一种极化和方向图可重构的水介质谐振器天线。
背景技术
随着通讯系统的对小尺寸的要求越来越高，通讯应用对天线的小体积、高效率和高增益等要求也越来越高。在通讯领域的某些系统中，传统天线已不能满足相应要求，新型天线应运而生。
传统天线的主要材料为金属，而液体天线则以具有导电性质的液体代替金属材料作为天线的辐射单元。作为众多新型天线的一种，液体天线具有以下优点：(1)体积小，介质谐振器天线以液体材料作为介质时，天线尺寸原理上可以减少这个系数因子；(2)易构型和具有可重构性，液体具有流动性，易于把天线加工成预期的构型，且可通过改变液体流的高度和直径来实现谐振频率和带宽的改变；(3)相对金属材料成本较低；(4)小雷达截面，当天线暂停使用时，可排空其中的液体，介质容器的雷达截面小于金属；(5)便于传输。
对于使用离子液体作为辐射单元的液体天线，可追溯到2000年，当时使用的是盐水，并引入了“离子液体天线”的概念。1983年，Long的文章发表后，介质谐振器作为天线的想法才被广泛接受并逐渐被关注和研究。介质谐振器的形状有多种，设计具有很大的灵活性，介电常数的选择范围很大(6－140)，允许设计者灵活控制尺寸和带宽。近年来围绕介质谐振器天线的研究主要集中在以下几个方面：圆极化介质谐振器天线、高增益介质谐振器天线、宽频带介质谐振器天线和双极化介质谐振器天线。
近年来，由于蒸馏水具有较高的介电常数，为小型化介质谐振器天线提供了一种新的设计方案，而且由于水的流动性，可以避免介质与地板以及介质与馈电探针之间的缝隙，从而避免由此带来的对谐振与阻抗的影响。H.Fayad等人提出了利用一个可变高度的液体水介质谐振器天线。当纯水工作在1GHz以上时，其介质特性随频率的变化趋势越来越大。盐水中的金属离子会缓冲水的介电常数的频率响应，但是由于金属离子的存在增加了介质谐振器天线的导体损耗，降低了天线的辐射效率。2013年，Rongguo Zhou等人提出了基于水介质谐振器理论对液体的介质特性进行测量的方法。为了充分利用水介质谐振器的频率可调优点，Steven G.O’Keefe于2007年利用可变的馈电结构实现了宽带可调水天线。对于水介质谐振器天线，较高的介电常数导致阻抗带宽变窄。为了得到宽带特性，Yi Huang等人提出了一种混合结构的天线，利用馈电结构以及水介质谐振器形成多模天线结构。此混合结构在|S11|<-6dB的条件下相对带宽可达71.8％，辐射效率在70％以上。
同时，由于液体天线具有可重构的特点，在设计圆极化或双极化介质谐振器天线时，液体材料易于作为天线的微扰单元，通过液体的注入或输出实现天线的极化可重构。Hang Wong等人提出了一个可重构的圆极化液体天线，天线以切角立方体容器作为原型，内注乙酸乙酯，探针在切角边进行馈电，形成两个相互正交的场，实现天线的圆极化特性。容器镜像对称，分别在容器两侧注入乙酸乙酯可以实现天线的极化可重构。
现代卫星电视传输中，利用垂直极化与水平极化、左旋圆极化和右旋圆极化的相互隔离之特性传送不同的电视节目，以提高卫星的传输容量。圆极化波和线极化波各有优缺点，圆极化波在穿过雨雾层和电离层时，引入的损耗小，也不存在线极化波极化面旋转的问题，而线极化波的最大优点是实现简单。液体天线的易重构特点有望在同一副天线实现线极化、左旋圆极化和右旋圆极化的可重构。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种极化和方向图可重构的水介质谐振器天线，该天线具有圆极化特性和轴比带宽宽的特点，天线辐射效率高，可应用于卫星通信系统。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种极化和方向图可重构的水介质谐振器天线，包括有介质容器、介质支撑柱、馈电探针、同轴馈电端口和金属地板；其中，所述介质容器的内部形成有两个空腔，该两个空腔的顶部分别开设有一个孔阀，通过从孔阀注入高介电常数介质液体，能够实现天线不同旋向的圆极化，若都不注入液体，则天线为线极化；所述介质容器位于金属地板的上方，并由介质支撑柱进行支撑，使得该介质容器与金属地板之间存在空气层，所述馈电探针的一部分伸进介质容器中进行馈电，并位于两个空腔之间，其另一部分往下穿过金属地板连接同轴馈电端口。
所述两个空腔为镜像对称结构，所述馈电探针位于该两个空腔的对称面所在位置。
所述空腔为圆柱体或类圆柱体结构。
所述介质容器为圆柱体或类圆柱体结构。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、与已有的介质谐振器天线比较，本发明以高介电常数液体材料作为介质，以低损耗的介质作为容器，有效实现天线的小型化和保证天线效率。
2、与已有的介质谐振器天线比较，本发明有效利用液体材料的流动性和液体天线的易重构特点，通过在不同空腔内注入液体实现天线的极化和方向图可重构。
3、与已有的液体天线比较，本发明通过两个对称空腔结构实现了旋向可重构的圆极化，天线具有阻抗带宽宽和轴比带宽宽的特点。
附图说明
图1为水介质谐振器天线的立体图。
图2为水介质谐振器天线的俯视图。
图3为水介质谐振器天线的左旋圆极化辐射性能仿真结果图。
图4为水介质谐振器天线的右旋圆极化辐射性能仿真结果图。
图5为水介质谐振器天线的线极化辐射性能仿真结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1、2所示，本实施例所提供的水介质谐振器天线，包括介质容器1、介质支撑柱2、馈电探针3、同轴馈电端口4和金属地板5；其中，所述介质容器1为圆柱体或类圆柱体结构，其内形成有两个镜像对称的空腔6、7，该两个空腔6、7为圆柱体或类圆柱体结构，位于介质容器1内左右两边，该两个空腔6、7的顶部分别留有一个孔阀8、9，通过从孔阀注入高介电常数介质液体，可以实现天线不同旋向的圆极化，若都不注入液体，则天线为线极化；所述介质容器1位于金属地板5的上方，并由四根介质支撑柱2进行支撑，使得该介质容器1与金属地板5之间存在空气层，所述馈电探针3的一部分伸进介质容器1中进行馈电，并位于两个空腔6、7的对称面所在位置，其另一部分往下穿过金属地板5连接同轴馈电端口4。当从孔阀8往空腔6注入蒸馏水时天线为左旋圆极化，当从孔阀9往空腔7注入蒸馏水时天线为右旋圆极化，若空腔6和7都不注入蒸馏水，则天线为线极化，三种不同状态下天线的方向图也随之变化，实现天线的方向图可重构。所述介质容器1与金属地板5之间的空气层用于吸引电磁场能量，从而提高天线辐射效率。所述馈电探针3插入两个空腔6、7的对称面所在位置，使天线为轴对称结构，当天线圆极化旋向和方向图发生变化时，天线其他辐射性能不变。
如图3、4所示，当空腔6、7分别注入蒸馏水时，天线的带宽特性不变，而极化增益和XOY面方向图发生变化。也就是说，由于天线具有镜像对称结构，天线可以在不改变辐射频带的前提下实现圆极化旋向和方向图的可重构。如图5所示，当空腔6、7都不注入蒸馏水时，天线为线极化，辐射类似于单极子天线。
通过以上分析可以知道，本发明天线具有极化和方向图可重构、轴比带宽宽、辐射效率高的性能，具有实际推广价值，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 (4)
1.一种极化和方向图可重构的水介质谐振器天线，其特征在于：包括有介质容器、介质支撑柱、馈电探针、同轴馈电端口和金属地板；其中，所述介质容器的内部形成有两个空腔，该两个空腔的顶部分别开设有一个孔阀，通过从孔阀注入高介电常数介质液体，能够实现天线不同旋向的圆极化，若都不注入液体，则天线为线极化；所述介质容器位于金属地板的上方，并由介质支撑柱进行支撑，使得该介质容器与金属地板之间存在空气层，所述馈电探针的一部分伸进介质容器中进行馈电，并位于两个空腔之间，其另一部分往下穿过金属地板连接同轴馈电端口。
2.根据权利要求1所述的一种极化和方向图可重构的水介质谐振器天线，其特征在于：所述两个空腔为镜像对称结构，所述馈电探针位于该两个空腔的对称面所在位置。
3.根据权利要求1所述的一种极化和方向图可重构的水介质谐振器天线，其特征在于：所述空腔为圆柱体或类圆柱体结构。
4.根据权利要求1所述的一种极化和方向图可重构的水介质谐振器天线，其特征在于：所述介质容器为圆柱体或类圆柱体结构。
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Application publication date: 20180706 |