CN109818149A - 一种凸型共形的高介电常数水介质贴片天线及其工作方法 - Google Patents
一种凸型共形的高介电常数水介质贴片天线及其工作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种凸型共形高介电常数水介质贴片天线及其工作方法，包括：水贴片、水贴片的玻璃容器、空气介质的玻璃容器、地板、L型探针和水阀；所述地板与空气介质的玻璃容器共形，水贴片的玻璃容器与空气介质的玻璃容器顶部共形；所述天线馈电由同轴馈电，电磁能量通过水贴片的弧形长边，类似于磁偶极子的方式辐射出去。本发明的优点在于：由于共形结构，使其能够加工成为可穿戴设备，应用领域极其广泛，应用场景极其灵活；由于水贴片与玻璃容器的透明特性，可以在空气介质玻璃容器内部加装硅基片用于太阳能供电；具有更宽的波束。
Description
技术领域
本发明涉及共形可穿戴天线技术领域，特别涉及一种凸型共形高介电常数水介质贴片天线及其工作方法。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，无线通信设备便开始朝着便携的方向发展，各种可穿戴电子设备应运而生，这同时也使天线设计朝着可共形的方向发展。
目前为止，行业内的共形天线大多基于金属铁片微带天线理论，该种天线采用柔性基板如：1、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚乳酸、相纸等有机柔性介质；2、毛毡、纺布等织物编织而成。其金属贴片采用柔性铜箔等。近年来出现的水贴片天线并未实际应用于低剖面共形设备中，而水贴片天线相比于金属贴片微带天线，拥有高极化纯度、高设计自由度、多辐射模式、高透明度等诸多优点，可以进一步满足共形系统对天线的要求。
传统的金属贴片天线应用于平面，地板平坦，可以利用谐振腔理论对贴片天线进行理论求解。共形地板上的凸型水贴片天线可以视为截断环形贴片天线的变体。纯水作为一种高介电常数的介质，相比于盐水更易获得，并且用作贴片天线时性能不会有过大的损失。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种凸型共形的高介电常数水介质贴片天线及其工作方法，能有效的解决上述现有技术存在的问题。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种凸型共形高介电常数水介质贴片天线，包括：水贴片1、空气介质2、水介质的玻璃容器3、空气介质的玻璃容器4、地板5、L型探针6和水阀7；
所述地板5与空气介质的玻璃容器4上顶共形，水介质的玻璃容器3与空气介质的玻璃容器4共形并固定在容器4顶部，地板2材料为铜箔；
水介质的玻璃容器3中填充纯水作为水贴片1，空气介质的玻璃容器4充满空气作为空气介质2；
地板2上刻蚀出圆形孔，用于L型探针6的安装，水介质的玻璃容器3顶部角落留有水阀7用于水介质的注入。
进一步地，两种玻璃容器3和4均采用树脂玻璃制成，相对介电常数3.4，水介质的玻璃容器3厚度为2mm，底部弧边弧长为130mm，直边长度为30mm，弧度为58度，空气介质的玻璃容器4厚度为2mm，底部弧边弧长为350mm，直边长度为350mm，弧度为20度，而水介质的玻璃容器3顶部的水阀7直径为20mm；
进一步地，空气介质2即为自由空间的空气，相对介电常数约为1，水贴片1为纯水，相对介电常数为81；
进一步地，L型探针6为铜丝，从距离空气介质的玻璃容器4的边缘119mm的圆孔处引出，半径为0.5mm，垂直地板5方向高度为20mm，平行于地板5方向弧长为54mm，并与地板5共形。
本发明还公开了凸型共形高介电常数水介质贴片天线的工作方法，包括：采用圆柱坐标系下的本征模方法，假设仅有单一模式时，利用分离变量法求解出天线的谐振频率以及内场的场分布情况。在求得天线的理论谐振模式之后，按照传统的同轴馈电理论得到馈电结构的相关参数，馈电点的位置应位于电场强度最强的位置，L型探针6为感性，而水贴片与地板形成容性，因此L型探针6能够抵消容性，从而谐振并增大带宽。
与现有技术相比本发明的优点在于：
1.通过采用凸形地板与凸形介质容器，实现了宽波束性能。共形设计使得天线可穿戴；
2.利用高介电常数的水介质作为贴片，相比于金属铁片，更容易获得；
3.利用纯水用作贴片时，其透光性能能够支持太阳能电池供电，空气介质的玻璃容器中即可放入硅基太阳能板，该方案能够同时为可穿戴设备解决电源问题；
4.天线整体为低剖面共形结构，采用同轴L型探针馈电，地板与凸形天线共形，可应用于弯曲的表面，适用于可穿戴设备；总体结构简洁，且配备了成熟的理论求解与设计方法，大大减少设计与应用难度。通过将平面天线变为凸形，增大了天线的波束宽度；该天线基于贴片天线设计，相比于传统的微带贴片天线，拥有更宽的波束宽度，相比于金属贴片天线，性能没有明显恶化。易于理解，可移植性强。
附图说明
图1是本发明实施例凸型共形高介电常数水贴片天线的俯视图；
图2是本发明实施例凸型共形高介电常数水贴片天线的主视图；
图3是本发明的凸型共形高介电常数水贴片天线与传统平面水贴片天线端口S参数曲线的对比图；
图4是本发明的凸型共形高介电常数水贴片天线与传统平面水贴片天线端口方向图的对比图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1、2所示，一种凸型共形高介电常数水介质贴片天线，包括：水贴片1、空气介质2、水介质的玻璃容器3、空气介质的玻璃容器4、地板5、L型探针6和水阀7；
所述地板5与空气介质的玻璃容器4上顶共形，水介质的玻璃容器3与空气介质的玻璃容器4共形并用环氧树脂胶水固定在容器4顶部，地板2材料为铜箔；
水介质的玻璃容器3中通过水阀7注入纯水作为水贴片1，空气介质的玻璃容器4充满空气作为空气介质2；
地板2上位于宽边中央且距离宽边229mm处刻蚀出圆形孔，用于L型探针6的安装，水介质的玻璃容器3顶部角落留有水阀7用于水介质的注入。
两种玻璃容器3和4均采用树脂玻璃制成，相对介电常数3.4，水介质的玻璃容器3厚度为2mm，底部弧边弧长为130mm，直边长度为30mm，弧度为58度，空气介质的玻璃容器4厚度为2mm，底部弧边弧长为350mm，直边长度为350mm，弧度为20度，而水介质的玻璃容器3顶部的水阀7直径为20mm；
空气介质2即为自由空间的空气，相对介电常数约为1，水贴片为纯水，相对介电常数为81；
L型探针6为铜丝，从距离空气介质的玻璃容器4的边缘119mm的圆孔处引出，半径为0.5mm，垂直地板5方向高度为20mm，平行于地板5方向弧长为54mm，并与地板5共形。使得天线与馈电结构良好匹配。
本发明还公开了凸型共形高介电常数水介质贴片天线的工作方法，包括：采用圆柱坐标系下的本征模方法，假设仅有单一模式时，利用分离变量法求解出天线的谐振频率(～0.82GHz)以及内场的场分布情况。在求得天线的理论谐振模式之后，按照传统的同轴馈电理论得到馈电结构的相关参数，馈电点的位置应位于电场强度最强的位置，L型探针6为感性，而水贴片与地板形成容性，故而一定长度的L型探针6能够抵消容性，从而谐振并增大带宽。在辐射时，该天线的辐射机制类似于两个弧向放置的磁偶极子，其辐射能量由于凸型设计而发散，获得较宽的波束；
由于水介质的介电常数相对于空气介质的介电常数较高，因此电磁波从低介电常数物质入射到高介电常数的物质时，可以将该高介电常数物质看作电壁，与金属铁片的作用相当；
该天线基于贴片天线设计，相比于传统的微带贴片天线，拥有更宽的波束宽度，相比于金属贴片天线，性能没有明显恶化。可以用于可穿戴设备。
图3是本发明的凸形高介电常数水贴片天线与传统平面水贴片天线端口S参数曲线的对比图。可以看出相比于平面水贴片天线，凸型共形水贴片天线频率有所偏移。
图4是本发明的凸形高介电常数水贴片天线与传统平面水贴片天线端口方向图的对比图。可以看出相比于平面水贴片天线，凸型共形水贴片天线最大增益降低了一点，但是由于弧形设计使得波束宽度明显增加。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种凸型共形高介电常数水介质贴片天线，其特征在于，包括：水贴片(1)、空气介质(2)、水介质的玻璃容器(3)、空气介质的玻璃容器(4)、地板(5)、L型探针(6)和水阀(7)；
所述地板(5)与空气介质的玻璃容器(4)上顶共形，水介质的玻璃容器(3)与空气介质的玻璃容器(4)共形并固定在容器(4)顶部，地板(2)材料为铜箔；
水介质的玻璃容器(3)中填充纯水作为水贴片(1)，空气介质的玻璃容器(4)充满空气作为空气介质(2)；
所述天线由L型探针(6)馈电，地板(2)上刻蚀出圆形孔，用于L型探针(6)的安装，水介质的玻璃容器(3)顶部角落留有水阀(7)用于水介质的注入。
2.根据权利要求1所述的一种凸型共形高介电常数水介质贴片天线，其特征在于：两种玻璃容器(3)和(4)均采用树脂玻璃制成，相对介电常数3.4，水介质的玻璃容器(3)厚度为2mm，底部弧边弧长为130mm，直边长度为30mm，弧度为58度，空气介质的玻璃容器(4)厚度为2mm，底部弧边弧长为350mm，直边长度为350mm，弧度为20度，而水介质的玻璃容器(3)顶部的水阀(7)直径为20mm。
3.根据权利要求2所述的一种凸型共形高介电常数水介质贴片天线，其特征在于：空气介质(2)即为自由空间的空气，相对介电常数约为1，水贴片(1)为纯水，相对介电常数为81。
4.根据权利要求3所述的一种凸型共形高介电常数水介质贴片天线，其特征在于：L型探针(6)为铜丝，从距离空气介质的玻璃容器(4)的边缘119mm的圆孔处引出，半径为0.5mm，垂直地板(5)方向高度为20mm，平行于地板(5)方向弧长为54mm，并与地板(5)共形。
5.根据权利要求1至4所述的一种凸型共形高介电常数水介质贴片天线的工作方法，其特征在于，包括：采用圆柱坐标系下的本征模方法，假设仅有单一模式时，利用分离变量法求解出天线的谐振频率以及内场的场分布情况。在求得天线的理论谐振模式之后，按照传统的同轴馈电理论得到馈电结构的相关参数，馈电点的位置应位于电场强度最强的位置；L型探针(6)为感性，而水贴片(1)与地板(5)形成容性，故而一定长度的L型探针(6)能够抵消容性，从而谐振并增大带宽；在辐射时，该天线的辐射机制类似于两个弧向放置的磁偶极子，其辐射能量由于凸型设计而发散，获得较宽的波束。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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