CN109390668B - 一种频率可重构液体介质谐振天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种频率可重构液体介质谐振天线，包括液体介质谐振器和接地板。天线的主要辐射单元为液体介质谐振器，由透明长方体液体容器和纯水构成；其中，液体容器被均匀分隔成多个间隔，通过在特定的间隔中添加纯水，可以改变液体介质谐振器的尺寸，实现液体谐振器谐振频率可重构。此外，每个间隔中的液体高度也是可调的，可在不同液体间隔组合下，进一步调节液体谐振天线的工作频率。本发明在不借助有源器件和匹配电路的情况下，在同一个结构内可形成多种尺寸的液体介质谐振结构，实现了紧凑的天线尺，较高的辐射效率和较宽的频段覆盖，该设计可广泛用于无线通信领域的各项应用。

Description

一种频率可重构液体介质谐振天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种液体介质谐振天线。
背景技术
随着无线通信系统向大容量、多功能、超宽带的方向发展，系统对天线也提出了更高的要求，不仅要求天线尺寸小，频带宽，而且需要天线增益高，成本低，雷达散射截面小。传统的金属天线已很难满足系统的要求，因此，对有应用前景的新型天线的研究显得尤为迫切。在新型天线中，液体天线由于构造灵活，可重构性强，造价低，应用范围广等优点，近年来受到国内外学者的广泛关注。
纯水(又称蒸馏水)是一种介电常数较高的液体介质，用来制作天线时，纯水天线是一种特殊的液态介质谐振天线。通过激励纯水介质，使天线工作在特定的模式，进行辐射。与传统金属天线相比，纯水介质谐振天线有许多独特的优点，包括：成本低，结构紧凑(纯水介电常数在100MHz,20℃时，约为78，制作天线，其高介电常数可使天线尺寸大大减小)，易重构，容易馈电(固体介质在馈电时，馈电结构和介质之间容易产生缝隙，影响天线性能)，隐身性能好，便于运输，透明环保。这些独特的优势使纯水天线有望在一些特殊用途中取代现有的金属天线，克服现有天线可重构性差、隐形困难的不足，因此，该项技术具有广阔的应用前景和科研价值。
纯水介质谐振天线设计目前主要面临两方面的问题：1)纯水天线的品质因数高(Quality Factor,Q)天线的带宽较窄，对一些宽带的应用有局限性；2)纯水的流动性，透明性等多种优势还未完全发挥，水是一种适用于可重构液体天线的液体材料，在不借助外界有源器件的基础上，可形成一些结构相对复杂、固体材料不易形成的天线结构，克服已有可重构天线的局限性，可重构天线加载有源器件会使天线辐射效率降低，有源器件引入的偏置电路也会使天线结构复杂，目前液体可重构天线设计还比较有限，液体特有的独特优势还未完全发挥，具有较大的研究空间。
综上所述，现有的液体介质谐振天线在宽频带，可重构性方面仍然有一定局限性。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种频率可重构液体介质谐振天线，通过调整天线横、纵方向的尺寸，实现工作频率在较大范围内的改变。
技术方案：一种频率可重构液体介质谐振天线，其特征在于，包括：接地板，固定在所述接地板上的液体介质谐振器，以及设置在所述接地板表面的领结型馈电端口；所述液体介质谐振器包括由介电常数在3～6的透明板形成的透明长方体液体容器，所述透明长方体液体容器的底部厚度通过等效介电常数法设定，所述透明长方体液体容器由垂直所述接地板的若干透明隔板均匀分隔成多个间隔腔，所述液体介质为纯水；通过注入纯水的连续间隔腔的数量和/或隔腔内注入纯水的高度调整TE11模工作模式下的天线工作频率。
有益效果：本发明提供的频率可重构液体介质谐振天线与现有的液体天线及介质谐振天线相比，其显著优点为：(1)利用水的流动性，透明特性，在不借助任何有源器件和外置匹配电路的情况下，可调节液体介质谐振天线2个维度(横向，纵向)的尺寸，获得较多的工作状态，实现天线在较宽频带的频率可重构性。
(2)利用水的高介电常数特性，可实现天线紧凑型设计，尤其是在频率较低的频段，金属天线和介电常数较低的介质谐振天线尺寸较大，而纯水天线可以获得较小的尺寸。
(3)利用液体的液体性，在液体容器中加入透明隔板，可降低液体介质谐振天线的品质因数，改善天线的带宽。
附图说明
图1是本发明实施例提供的频率可重构液体介质谐振天线的立体结构示意图；
图2是本发明实施例提供的频率可重构液体介质谐振天线的俯视结构示意图；
图3是本发明实施例提供的频率可重构液体介质谐振天线的主视结构示意图；
图4是本发明实施例提供的频率可重构液体介质谐振天线馈电结构图；
图5是本发明实施例提供的频率可重构液体介质谐振天线4种液体间隔组合；
图6是本发明实施例提供的频率可重构液体介质谐振天线的S11仿真图；
图7是本发明实施例提供的频率可重构液体介质谐振天线的总效率曲线仿真图；
图8是本发明实施例提供的频率可重构液体介质谐振天线在240MHz，xoy平面辐射方向图；
图9是本发明实施例提供的频率可重构液体介质谐振天线在240MHz，yoz平面辐射方向图；
图10是本发明实施例提供的频率可重构液体介质谐振天线在258MHz，xoy平面辐射方向图；
图11是本发明实施例提供的频率可重构液体介质谐振天线在258MHz，yoz平面辐射方向图；
图12是本发明实施例提供的频率可重构液体介质谐振天线在297MHz，xoy平面辐射方向图；
图13是本发明实施例提供的频率可重构液体介质谐振天线在297MHz，yoz平面辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1-4所示，一种频率可重构液体介质谐振天线，包括：接地板1，固定在接地板1上的液体介质谐振器2，以及设置在接地板1表面的领结型馈电端口4。液体介质谐振器2包括由介电常数在3～6的透明板形成的透明长方体液体容器以及液体介质，透明长方体液体容器的底部厚度通过等效介电常数法设定。透明长方体液体容器由垂直接地板1的若干透明隔板3均匀分隔成多个间隔腔，液体介质为纯水。该谐振天线通过注入纯水的连续间隔腔的数量和/或隔腔内注入纯水的高度调整TE11模工作模式下的天线工作频率。
本实施例中，接地板1为单面覆铜的介质基板，介质基板采用介电常数为2.2的Rogers RT5880介质板，宽度750mm，厚1.6mm。透明长方体液体容器由介电常数为4的PVC透明板形成，长宽高分别为270mm、90mm、120mm，容器侧壁厚度为3mm，底部厚度为11mm，由7块透明PVC板均匀分隔成8个间隔，透明隔板3厚度为5mm。加入透明隔板可降低液体介质谐振天线的品质因数，改善天线的带宽。液体容器底部具有一定厚度，相当于在接地板和高介电常数的液体之间加入了低介电常数的介质，该设计可以降低液体介质谐振器整体的相对介电常数，相较于没有PVC隔板的情况，本发明具有更好的宽带特性。
领结型馈电端口4位于相对液体介质谐振器2底部中央位置设置，领结型馈电端口4的半径R为65mm，张开角度α为30度，同轴线路焊接到领结型馈电端口4中间缝隙的两侧，构成天线完整的馈电结构。该类型的开槽提供了从同轴馈线到辐射元件(水介质谐振器)的平滑的、渐变的过渡，可在较宽的频带上提供良好的阻抗匹配。
如图5所示，本实施例的频率可重构液体介质谐振天线共4种液体间隔组合，可实现液体介质谐振天线的可重构性。在不同的容器间隔中注入液体，即形成不同横向尺寸的液体介质谐振器，如图所示4种不同的状态,状态1在L1和R1间隔中注入液体，状态2在L1、L2、R1和R2间隔中注入液体，状态3在L1、L2、L3、R1、R2和R3间隔中注入液体，状态4在L1、L2、L3、L4、R1、R2、R3和R4间隔中注入液体；改变同一种状态的液体高度，即形成不同纵向尺寸的液体介质谐振器。
通过调节液体谐振器的横向和纵向尺寸，动态地改变液体介质谐振器的大小，从而改变液体谐振天线的工作频率。其中，改变天线的横向尺寸，可调节天线的工作频率；对于特定的液体间隔组合，调节液体高度可改变天线的纵向尺寸，可调整天线的工作频率。液体介质谐振天线在每种状态下，均工作在TE11模。液体谐振器横、纵向的尺寸调整，一般遵循先横向调节，再纵向调节的步骤。以状态1为例，在L1和R1间隔中注入液体后，谐振器的横向尺寸确定，调节天线的纵向尺寸(即液体的高度)可获得天线谐振频率的改变，液体高度升高，谐振频率降低。根据介质谐振天线设计理论，液体高度的调整具有一定范围，该高度范围与液体谐振器的横向尺寸相关，液体谐振器的横向尺寸和纵向尺寸需保证该谐振器工作在最低模式TE11模。在状态1中，液体高度过低或过高，都会导致谐振器TE11模无法正常被激励或谐振频率处没有良好的匹配。因此，液体谐振器的尺寸调节，不仅需要关注谐振频率，也需要同时注意谐振模式与谐振频率处的匹配情况。
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
图6给出了本发明的S11仿真图。图中给出了本发明天线六种状态不同即不同的谐振器尺寸下S11仿真结果。图中H代表液体介质谐振器中液体的高度。
图7给出了本发明总效率曲线仿真图。可以看出，本发明天线实现了高辐射效率的特点，辐射效率在可覆盖频段内可达70％～90％。
图8-13给出了本发明在不同频率辐射方向图。其中，图8为240MHz，xoy平面方向图，图9为240MHz，yoz平面方向图，图10为258MHz，xoy平面方向图,图11为258MHz，yoz平面方向图，图12为297MHz，xoy平面方向图,图13为297MHz，yoz平面方向图。可以看出天线在较宽的频带内保持较稳定的辐射特性。
综上所述，本发明天线实现了紧凑型纯水介质谐振天线设计，在不借助有源器件和匹配电路的情况下，在同一个结构内可形成多种尺寸的液体介质谐振结构，并利用纯水较高的介电常数和透明特性，该设计实现了紧凑的天线尺寸(270mm×90mm×120mm,约为0.18λ×0.06λ×0.08λ@200MHz)，可在210MHz-540MHz内进行频率可重构，且具有良好的辐射特性，总效率在整个频段内达到了70％-90％。该设计充分发挥了液体介质谐振天线的透明性，流动性，可重构性等特点，可用于无线通信领域的各项应用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种频率可重构液体介质谐振天线，其特征在于，包括：接地板（1），固定在所述接地板（1）上的液体介质谐振器（2），以及设置在所述接地板（1）表面的领结型馈电端口（4）；所述液体介质谐振器（2）包括由介电常数在3～6的透明板形成的透明长方体液体容器，所述透明长方体液体容器的底部厚度通过等效介电常数法设定，所述透明长方体液体容器由垂直所述接地板（1）的若干透明隔板（3）均匀分隔成多个间隔腔，所述液体介质为纯水；通过注入纯水的连续间隔腔的数量和/或隔腔内注入纯水的高度调整TE11模工作模式下的天线工作频率；所述领结型馈电端口（4）位于相对所述液体介质谐振器（2）底部中央位置设置，同轴线路焊接到所述领结型馈电端口（4）中间缝隙的两侧。
2.根据权利要求1所述的频率可重构液体介质谐振天线，其特征在于，所述接地板（1）为单面覆铜的介质基板，所述介质基板采用介电常数为2.2的Rogers RT5880介质板，宽度750 mm，厚1.6 mm；所述透明长方体液体容器的长宽高分别为270 mm、90 mm、120 mm，容器侧壁厚度为3 mm，底部厚度为11 mm，所述透明隔板（3）厚度为5 mm，透明隔板（3）总数目为7；所述领结型馈电端口（4）的半径为65 mm，张开角度为30度。
3.根据权利要求2所述的频率可重构液体介质谐振天线，其特征在于，所述透明隔板（3）为透明PVC板。
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