CN108711679B - 一种可调谐液体平面反射阵列天线 - Google Patents

一种可调谐液体平面反射阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可调谐液体平面反射阵列天线，采用液体(蒸馏水)作为阵列单元的材料进行平面反射阵列天线的研究，盛装液体的容器材料为玻璃，在反射阵列直角处有注水口，通过给每个玻璃容器的侧面打孔使阵列液体相通，保证静止时各阵列单元液面高度相同，每个阵列单元底部都有表面是金属贴片的活塞，活塞由外接的微电机通过液压传感器来控制。通过对控制活塞的微电机编程可以实现液体的高度自动调节，使阵列的相位补偿覆盖0～360°。本发明的优势在于，材料易得、成本低，能够做到小型化，可编程、可调控，属于高性能可重构的天线。并且利用了液体的流动性和可塑性，能够快速加载可重构单元组成的反射阵列单元，以实现不同方向和不同频段的动态波束扫描。

Description

一种可调谐液体平面反射阵列天线
技术领域
本发明涉及一种可调谐液体平面反射阵列天线，属于电子通信领域特别是微波器件技术、射频系统前端技术等领域。
背景技术
近年来随着通信技术行业的迅猛发展，无线通信设备向着小型化、多功能、多频带方向的发展。新型的液体天线相比于传统固体天线，有其独特的性能和优势：
(1)可塑性强：液体具有流动性，液体天线可以很容易地设计成各种想要的形状和尺寸，而这是固体天线难以实现的；
(2)尺寸小：液体天线广泛使用的水具有很高的介电常数，一般情况下，水的相对介电常数为80多，因此，天线尺寸可以大为减小；
(3)可重构性强：利用液体的可塑性，可以容易地控制、调节液体天线的形状、尺寸、以及液体的注入和成分掺杂，便于实现对天线的频率、带宽、方向图和极化等特性的重构；
(4)雷达散射截面低：作为介质的液体，雷达散射截面自然低。同时，天线工作时喷射或者注入液体，不工作时不喷射或者将液体流出，相当于方便地将天线拆除，也使得雷达散射截面低；
(5)成本低：液体天线广泛使用的自来水和海水的成本都很低，无毒无害，易于获取；
(6)取材便捷：在极端条件下，例如远洋、雨林等条件下，可以快速取材搭建天线，且不受限于所选液体的材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可调谐液体平面反射阵列天线，通过已编程的微电机读取液压传感器的信号对活塞调控来控制上层液体的高度，从而快速地组成所需要的反射阵列，最终实现反射波束的空间任意方向动态扫描。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种可调谐液体平面反射阵列天线，包括控制系统、馈源喇叭以及长方体容器，其中，所述长方体容器的上表面设置塑料薄膜，所述长方体内设置有容器壁，所述容器壁将长方体容器等分为阵列分布的若干单元，相邻单元之间的容器壁上设置有小孔，所述长方体容器内盛装液体，表面塑料薄膜、长方体容器以及其内的液体构成反射阵列；每个所述单元的下方分别设置一个上表面是金属贴片的活塞以控制单元内的液体高度，每个所述活塞分别与一个液压传感模块连接，每个所述液压传感模块分别连接一个微电机；所述控制系统分别与每个微电机连接，根据液压传感器的采集信号控制微电机的转动以通过活塞控制每个单元内的液体高度。
作为本发明的进一步技术方案，所述长方体容器为由玻璃构成，其介电常数为5.5，容器壁的厚度为1mm，相邻单元之间的容器壁上设置的小孔直径为1mm。
作为本发明的进一步技术方案，所述长方体容器内盛装的液体为蒸馏水，介电常数为81。
作为本发明的进一步技术方案，所述金属贴片为金属铜贴片。
作为本发明的进一步技术方案，所述长方体容器上表面的四个角处分别设置有注水口。
作为本发明的进一步技术方案，所述馈源喇叭工作在X波段，位于反射阵列其中一边中心的正上方、距反射阵列表面360mm处，馈源喇叭的倾斜角为10°。
作为本发明的进一步技术方案，所述液压传感模块是把带隔离的硅压阻式压力敏感元件封装于不锈钢壳体内制作而成。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明公开了一种可调谐液体平面反射阵列天线，提出了一种可调谐液体平面反射阵列天线的设计及其实现方法，特别是提出了采用液体材料作为阵列单元的材料进行平面反射阵列天线的研究，通过已编程的微电机读取液压传感模块的信号对活塞调控来控制上层液体的高度，使反射阵列单元快速重构来组成所需液体高度的反射阵列单元，在馈源的照射下，由于阵面上所组成的反射单元结构尺寸存在偏差，以此修正反射相位延迟，补偿空间相位差，在远场获得等相位面，实现同相相加，得到所需方向角度的辐射波束；
(2)本发明设计简化、材料易得、成本低，能够做到小型化，可编程、可调控，属于高性能可重构的天线。并且利用了液体的流动性和可塑性，能够快速加载可重构单元组成的反射阵列单元，可以实现不同方向和不同频段的波束扫描。
附图说明
图1为可调谐液体平面反射阵列天线的整体系统结构示意图；
图2为可调谐液体平面反射阵列天线的3D阵列单元结构示意图；
图3为可调谐液体平面反射阵列天线的阵列单元的俯视图；
图4为可调谐液体平面反射阵列天线的阵列单元的侧视图；
图5为可调谐液体平面反射阵列天线的反射阵列侧视图；
图6、图7、图8分别为可调谐液体平面反射阵列天线单元在9.6GHz、10.6GHz、11.6GHz频率下的波束指向15°时的所盛装液体高度分布图；
图9、图10、图11分别为可调谐液体平面反射阵列天线在10.6GHz的波束重构在波束指向10°、15°、30°时的平面反射阵列的方向图；
图12、图13分别为可调谐液体平面反射阵列天线在9.6GHz、11.6GHz的波束重构在波束指向15°时的平面反射阵列的方向图；
附图标记解释：1-注水口，2-蒸馏水，3-介电常数为5.5的玻璃容器，4-工作在X波段的馈源喇叭，5-单元底部的金属贴片，6-液压传感模块，7-控制液压传感模块的微电机，8-控制系统，9-容器壁上的小孔。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明一种可调谐液体平面反射阵列天线，包括控制系统、馈源喇叭以及长方体容器，其中，所述长方体容器的上表面设置塑料薄膜，所述长方体内设置有容器壁，所述容器壁将长方体容器等分为阵列分布的若干单元，相邻单元之间的容器壁上设置有小孔，所述长方体容器内盛装液体，表面塑料薄膜、长方体容器以及其内的液体构成反射阵列；每个所述单元的下方分别设置一个上表面是金属贴片的活塞以控制单元内的液体高度，每个所述活塞分别与一个液压传感模块连接，每个所述液压传感模块分别连接一个微电机；所述控制系统分别与每个微电机连接，根据液压传感器的采集信号控制微电机的转动以通过活塞控制每个单元内的液体高度。
本发明提出了的可调谐液体平面反射阵列天线，采用液体作为阵列单元的材料进行平面反射阵列天线的研究，选择玻璃材料作为盛装液体的容器，在反射阵列的四个直角处有注水口，通过给相邻单元之间的容器壁上打孔使阵列单元内的液体相通，保证静止时各阵列单元液面高度相同，每个阵列单元底部都有表面是金属贴片的活塞，活塞由外接的已编程微电机通过液压传感器来控制，通过对控制活塞的微电机编程可以实现液体的高度自动调节，使阵列的相位补偿覆盖0～360°。本发明可以实现X波段内多频空间波束扫描，并且利用液体的流动性和可塑性，能够快速加载可重构单元组成的反射单元，因而实现了波束在空间中动态扫描。
本发明的优势是由于液体具有流动性和可塑性，使得液体天线可以很容易地设计成各种想要的形状、尺寸以及液体的注入和成分掺杂，便于实现对天线的频率、带宽、方向图和极化等特性的重构。
如图1所示，本发明的可调谐液体平面反射阵列天线，包括工作在X波段馈源喇叭，900个装有蒸馏水的可调节高度的阵列单元构成的阵列及其表面的塑料薄膜，每个阵列单元底部都有控制液体高度的液压传感模块，位于四个直角处的阵列单元表面有注水口，确保阵列的水量充足。
所述馈源喇叭工作在X波段，位于反射阵列其中一边中心的正上方、距反射阵列表面360mm处，馈源喇叭的倾斜角为10°。
单层反射阵列单元由蒸馏水、长方体玻璃容器和表面塑料薄膜组成，如图2所示，每个阵列单元的周期为12mm，容器内部所装液体的长宽为11mm。每个阵列单元的下方依次设置有活塞、液压传感模块和微电机。在反射阵列内部，所有相邻的阵列单元之间的容器壁都有1个直径为1mm的小孔，使整个阵列作为一个连通器。
如图3所示，该视图为可调谐液体平面反射阵列天线周期性单元结构的正视图，阵列单元的长宽为12mm，其中玻璃容器壁的厚度为1mm，玻璃的介电常数为5.5，每个玻璃容器壁都有半径为0.5mm的小孔(最外部单元的容器壁无小孔)，使整个阵列成为一个连通器。
如图4所示，可调谐液体平面反射阵列天线单元的液压传感模块是把带隔离的硅压阻式压力敏感元件封装于不锈钢壳体内制作而成，其能感受到液体或气体压力从而转换成标准的电信号对外输出，控制系统接收来自液压传感器的信号，通过编程方式控制微电机的转动，从而带动表面为金属铜贴片的活塞移动控制上层液体高度。
在馈源喇叭的照射下，反射阵列单元所盛装液体高度的变化能够修正相位延迟，补偿馈源照射阵列的空间相位差，使得整个阵列在某一个远场方向获得等相位面，实现同相相加，由此得到所该方向上的辐射波束。如图5所示，所需要的反射阵列单元的液体高度经过一定设计排列，由底部液压传感模块控制，可以在同一平面上组建出多种反射阵列，以适用于不同频段和不同角度的工作。
本发明提出了一种可调谐液体平面反射阵列天线，特别是提出了使用液体作为阵列单元的材料进行平面反射阵列天线的研究。具体做法是，控制系统接收来自液压传感器的信号，通过编程方式控制微电机的转动，从而带动表面为金属贴片的活塞移动控制上层液体高度，使反射阵列单元快速重构来组成所需的不同尺寸、位置的反射阵列单元，在馈源的照射下，由于阵面上所组成的反射单元结构尺寸存在偏差，以此修正反射相位延迟，补偿空间相位差，在远场获得等相位面，实现同相相加，得到所需方向上的辐射波束，因其快速可重构性，能进行动态的波速扫描即实现同一频段下波束的任意扫描。
图6至图8所示，通过相位补偿技术分别得出可调谐液体平面反射阵列天线单元在9.6GHz、10.6GHz、11.6GHz频率下的波束指向15°时的所盛装液体高度分布图，将液体高度数据输入已编程的微电机读取液压传感器的信号对活塞调控来控制上层液体的高度，使阵列进行快速重构，就可以实现在9.6GHz、10.6GHz、11.6GHz频率下的波束指向15°的波束扫描。
图9至图11所示，使用同一阵列构建了三个工作于10.6GHz的反射阵列，三种工作同频段不同波束角度的状态下，在第一种工作状态下，所设计的最大波束在yoz平面内指向10°，建模仿真后计算得到的最大波束指向10°(如图9所示)；同样，第二种工作状态下，所设计的最大波束在yoz平面内指向15°，建模仿真后计算得到的最大波束指向15°(如图10所示)，可以看出在该角度下波束的指向性比较好，能量比较集中；第三种工作状态下，所设计的最大波束在yoz平面内指向30°，建模仿真后计算得到的最大波束指向30°(如图11所示)。如果无限增加阵列单元的个数，那么将对该扫描天线在性能上还会有进一步的提升。
图12和图13所示，使用同一阵列构建了两个分别工作于9.6GHz和11.6GHz波束指向15°的反射阵列，两种反射阵列工作在不频段同波束角度的状态下，在第一种频率工作状态下，所设计的最大波束在yoz平面内指向15°，建模仿真后计算得到的最大波束指向15°(如图9所示)；同样，第二种频率工作状态下，所设计的最大波束在yoz平面内指向15°，建模仿真后计算得到的最大波束指向15°(如图10所示)，可以看出在该角度下波束的指向性比较好，能量比较集中。
本发明公开了一种可调谐液体平面反射阵列天线，采用液体作为阵列单元的材料进行平面反射阵列天线的研究，通过对控制活塞的微电机编程可以实现液体的高度自动调节，使阵列的相位补偿覆盖0～360°。本发明优势在于材料易得、成本低，能够做到小型化，可编程、可调控，属于高性能可重构的天线。通过反射阵列单元通过已编程的微电机读取液压传感模块的信号对活塞调控来控制上层液体的高度，能够快速加载可重构单元组成的反射阵列单元，阵列的空间波束指向可以灵活的重构，而该功能由控制系统来控制实现。由此该阵列可以实现同一频段波束方向任意的辐射。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种可调谐液体平面反射阵列天线，其特征在于，包括控制系统、馈源喇叭以及长方体容器，其中，所述长方体容器的上表面设置塑料薄膜，所述长方体容器上表面的四个角处分别设置有注水口，所述长方体内设置有容器壁，所述容器壁将长方体容器等分为阵列分布的若干单元，相邻单元之间的容器壁上设置有小孔，所述长方体容器内盛装液体，表面塑料薄膜、长方体容器以及其内的液体构成反射阵列；每个所述单元的下方分别设置一个上表面是金属贴片的活塞以控制单元内的液体高度，每个所述活塞分别与一个液压传感模块连接，每个所述液压传感模块分别连接一个微电机；所述控制系统分别与每个微电机连接，根据液压传感器的采集信号控制微电机的转动以通过活塞控制每个单元内的液体高度；所述馈源喇叭工作在X波段，位于反射阵列其中一边中心的正上方、距反射阵列表面360mm处，馈源喇叭的倾斜角为10°。
2.根据权利要求1所述的一种可调谐液体平面反射阵列天线，其特征在于，所述长方体容器为由玻璃构成，其介电常数为5.5，容器壁的厚度为1mm，相邻单元之间的容器壁上设置的小孔直径为1mm。
3.根据权利要求1所述的一种可调谐液体平面反射阵列天线，其特征在于，所述长方体容器内盛装的液体为蒸馏水，介电常数为81。
4.根据权利要求1所述的一种可调谐液体平面反射阵列天线，其特征在于，所述金属贴片为金属铜贴片。
5.根据权利要求1所述的一种可调谐液体平面反射阵列天线，其特征在于，所述液压传感模块是把带隔离的硅压阻式压力敏感元件封装于不锈钢壳体内制作而成。
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Application publication date: 20181026

Assignee: NANJING UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS INSTITUTE AT NANTONG Co.,Ltd.

Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS

Contract record no.: X2020980006914

Denomination of invention: A tunable liquid planar reflector array antenna

Granted publication date: 20200512

License type: Common License

Record date: 20201021