CN110994149A - 一种导电液体天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种导电液体天线，属于微波通信器件技术领域，旨在解决现有技术中存在的天线增益较低的技术问题。包括基板固定在底板的上表面；集水装置与基板固定；馈电底板固定在集水装置内腔体的底部；金属探针的一端穿过集水装置与馈电底板连接，另一端顺次穿过基板和底板，与固定在底板下表面的N型连接器连接；喷嘴固定在集水装置的导电液体出口位置；中空导体管固定在底板预设的安装孔上；水泵固定在底板的下方，该水泵的出水口与中空导体管的下端通过第一输水管连接；集水装置的导电液体入口与中空导体管的上端通过第二输水管连接；第一输水管和第二输水管均采用非导体材料。主要用于无线通信系统中接收和发射信号。

Description

一种导电液体天线
技术领域
本发明属于微波通信器件技术领域，涉及一种导电液体天线，利用单极子天线的原理，将导电液体作为辐射体，形状类似于金属鞭状天线。
背景技术
近年来，将导电液体作为辐射体来使用的天线越来越受到关注。通过给任意形状的导电液体馈入电磁能量，使导电液体能将电磁能量辐射到空间中，便可制作导电液体天线。
多年前，美国空间与海战系统中心研究了一种利用盐水的磁感应性质制造导电液体天线，这种天线能够收发信号，其设计方案为：用水泵喷射出一条导电性水柱，水柱穿过电磁线圈进行馈电，借此实现无线电通信。不同的无线电频段通过不同的水流高度实现。在不工作的时候，能够关闭水流，所以存放方便，可以安装在任何有导电液体的地方。但是这种天线存在着缺点，由于使用铁氧体材料制作馈电结构，造成天线的Q值过高，天线的阻抗带宽过窄。为解决上述天线的阻抗带宽过窄的问题，申请公布号为CN105940555A，名称为‘天线装置’的专利申请，公开了一种导电液体天线，其将导电液体喷到空中来形成收发电磁信号的辐射体，这种设计能够接收数字电视广播信号，可以安装在任何能获得导电液体的地方。该发明主要包括水泵、四分之一波长的中空导体管和地导体等组成，其带电的导电液体喷到空中形成的辐射体类似于一个单极子天线，而其中空导体管与地导体相连，使中空导体管类似于一个四分之一波长的短路支节，即相当于给单极子天线串联一个四分之一波长的短路支节。其解决的问题有二，一是提高导电液体天线的辐射效率，二是降低了供水侧处的不必要的电流导致的损耗，该发明缺点是天线增益较低，该发明实例中的水平面增益在0dBi左右。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种导电液体天线，用于解决现有技术中存在的天线增益较低的技术问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括底板1、馈电结构2、喷嘴3、中空导体管4、水泵5、集水装置6和基板7；
所述底板1和中空导体管4均采用导体材料；
所述馈电结构2包括馈电底板21、金属探针22和N型连接器23；
所述喷嘴3采用非导体材料；
所述集水装置6采用由非导体材料制作的带有中空腔体的密闭结构，其侧壁上设置有导电液体入口，顶端设置有导电液体出口；
所述基板7采用非导体材料；
所述基板7固定在底板1的上表面；所述集水装置6与基板7固定；所述馈电底板21固定在集水装置6内腔体的底部；所述金属探针22的一端穿过集水装置6与馈电底板21连接，另一端顺次穿过基板7和底板1，与固定在底板1下表面的N型连接器23连接，且金属探针22与底板1绝缘；所述喷嘴3固定在集水装置6的导电液体出口位置；所述中空导体管4固定在底板1预设的安装孔上；所述水泵5固定在底板1的下方，该水泵5的出水口与中空导体管4的下端通过第一输水管8连接；所述集水装置6的导电液体入口与中空导体管4的上端通过第二输水管9连接；所述第一输水管8和第二输水管9均采用非导体材料；
所述水泵5持续将导电液体顺次通过第一输水管8、中空导体管4和第二输水管9，注入集水装置6内，并由喷嘴3喷出，形成导电液体柱；N型连接器23通过金属探针22将馈电信号传输至馈电底板21，使集水装置6内的导电液体带电；第二输水管9和集水装置6内的带电导电液体，以及喷嘴3所喷出的带电导电液体柱构成辐射体；
上述一种导电液体天线，所述馈电底板21，采用圆形板材，其与金属探针22的连接点位于该馈电底板21的中心。
上述一种导电液体天线，所述水泵5的出水水压可调。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.本发明由于集水装置、喷嘴中的带电导电液体和由喷嘴喷出的带电导电液体柱形成了一个类似单极子天线的结构，而由于第二输水管连接中空导体管的上端，中空导体管与底板连接，则使第二输水管中的带电导电液体变为馈电信号的短路支节，即在电路上表现为单极子天线并联了一个短路支节，通过调节第二输水管的长度和半径，来调节短路支节的阻抗，能使更少的馈入天线的能量流入地面，与现有技术相比，进一步提高了天线的增益。
2.本发明由于采用在集水装置和底板的上表面中间添加一个基板的结构，该结构使馈电底板和底板形成了一个类似加载介质的电容，通过调节基板的高度，可以调节电容值，使天线达到阻抗匹配，实现了无需再设计匹配网络的效果。
3.本发明由于金属探针连接由圆形板材制作的馈电底板的中心，因此当馈电电流流向各个方向时，使各个方向的电流幅度相同；利用馈电底板给集水装置中的导电液体馈电，这样也增加了给导电液体馈电的电流路径，从而提高天线的辐射效率。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图2是本发明馈电结构的结构示意图；
图3是本发明集水装置的结构示意图；
图4是本发明第二输水管的结构示意图；
图5是实施例和现有技术的S11曲线对比图；
图6(a)是实施例和现有技术在60兆赫兹的E面增益对比图；
图6(b)是实施例和现有技术在60兆赫兹的H面增益对比图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。
参照图1，本发明包括底板1、馈电结构2、喷嘴3、中空导体管4、水泵5、集水装置6、基板7、第一输水管8和第二输水管9；
本发明采用的导电液体可以是海水或氯化钠溶液，本实施例采用相对介电常数为81的海水，其电导率为4西门子/米。
所述底板1采用导体材料，其导体材料可以为铜、铁，本实施例采用的底板1，采用长方形板材，由铁材料制成，其长度为900mm，宽度为500mm，厚度为2mm，该底板1在其与金属探针22相接触处打第一个孔，孔的中心在长为150mm，宽为250mm处，孔的直径为8mm，该孔防止金属探针22与底板1短路，该底板1在其距离第一个孔的中心410mm处打第二个孔，孔直径与中空导体管4的外直径相等，大小为84mm；
所述馈电结构2包括馈电底板21、金属探针22和N型连接器23，如图2所示；所述馈电底板21采用导体材料制作，其导体材料可以为铜、铁，本实施例的馈电底板21采用铜制作，形状为圆形板材，其厚度为2mm，其直径为R1＝180mm，其作用为给集水装置6中的导电液体馈电；所述金属探针22采用导体材料制作，其导体材料可以为铜、铁，本实施例的金属探针22采用铜制作，形状为圆柱形，其长度为H1＝44mm，直径为R2＝4mm，其作用为将从N型连接器23馈入的馈电信号传递给馈电底板；所述N型连接器23为一种同轴结构的射频接头。
所述喷嘴3采用非导体材料，其非导体材料可以为PVC材料、特氟龙材料，其作用为控制由其喷出导电液体柱的形状和直径。本实施例的喷嘴3，其形状为圆环形，非导体材料为相对介电常数约为2.7的PVC材料，其高度为30mm，内直径为76mm，PVC材料的厚度为2mm；由喷嘴3喷出的导电液体柱，在本实施例中由于喷嘴3形状为圆环形，所以导电液体柱一开始为圆柱体，但导电液体柱半径会随着喷向空中高度逐渐变高而逐渐变大，致使水柱形状后来成倒圆锥体，导电液体柱上半部的倒圆锥体，高度为400mm，上直径为140mm，下直径为76mm，下半部的圆柱体，高度为250mm，直径为76mm。
所述中空导体管4采用导体材料，其导体材料可以为铜、铁，本实施例采用的中空导体管4，由铁材料制成，其内直径为80mm，高度为30mm，铁材料厚度为2mm；
所述水泵5，采用可以控制出水水压的产品，其作用为吸入导电液体，并可以控制出水水压，来控制由喷嘴3喷出的导电液体柱的高度，不同高度对应不同谐振频率，从而实现天线的频率可重构的效果。
所述集水装置6为采用由非导体材料制作的带有中空腔体的密闭结构，其非导体材料可以为PVC材料、特氟龙材料，如图3所示，本实施例的集水装置6采用的非导体材料是相对介电常数约为2.7的PVC材料，其高度为H2＝324mm，内直径为R3＝180mm，PVC材料的厚度为2mm，其集水装置6的顶端预设有导电液体出口，出口直径为R4＝80mm，其在侧壁上打孔，孔的中心在距离集水装置6的底部284mm处，直径为R5＝80mm，将此孔设为导电液体入口，其在底部中心处打孔，其孔的直径与金属探针22的直径相等，大小为4mm。
所述基板7采用非导体材料，其非导体材料可以为PVC材料、特氟龙材料，本实施例的基板7采用相对介电常数约为2.1的特氟龙材料，其形状为圆柱体，其高度为40mm，直径为220mm，该基板7在其中心处打孔，其孔的直径与金属探针22的直径相等，大小为4mm。
所述第一输水管8采用非导体材料，其非导体材料可以为PVC材料、特氟龙材料，其长度和形状任意，其作用为将水泵5抽入的导电液体送入中空导体管4中；本实施例的第一输水管8采用相对介电常数约为2.7的PVC材料制作，内直径为76mm，PVC材料的厚度为2mm。
所述第二输水管9采用非导体材料，其非导体材料可以为PVC材料、特氟龙材料，其形状任意，其作用是通过调节第二输水管9的长度和半径，来调节短路支节的阻抗，使馈入天线的能量尽可能少地流入地面，从而实现了提高天线的增益的效果，本实施例的第二输水管9采用相对介电常数为2.7的PVC材料制作，形状为Г型，内直径为R6＝76mm，水平部分的长度为L1＝280mm，垂直部分的高度为H3＝355mm，PVC材料的厚度为2mm。
在本实施例中，底板1浮在海水上，可视为底板1与地面连接，从而为天线形成一个类似无限大的地面；基板7固定在底板1的上表面，固定时需要使基板7的孔与底板的第一个孔对齐；集水装置6与基板7固定，固定时需要使集水装置6底部的孔与基板7的孔对齐；所述馈电底板21固定在集水装置6内腔体的底部；所述金属探针22的一端穿过集水装置6底部的孔与馈电底板21连接，另一端顺次穿过基板7的孔和底板1的第一个孔，与固定在底板1下表面的N型连接器23连接，连接时注意金属探针22与底板1绝缘；所述喷嘴3固定在集水装置6的导电液体出口位置；所述中空导体管4焊接在底板1的第二个孔上；所述水泵5固定在底板1的下方，该水泵5的出水口与中空导体管4的下端通过第一输水管8连接；所述集水装置6的导电液体入口与中空导体管4的上端通过第二输水管9连接。
本发明的工作原理是：所述水泵5持续将导电液体顺次通过第一输水管8、中空导体管4和第二输水管9，注入集水装置6内，并由喷嘴3喷出，形成导电液体柱；N型连接器23通过金属探针22将馈电信号传输至馈电底板21，使集水装置6内的导电液体带电；第二输水管9和集水装置6内的带电导电液体，以及喷嘴3所喷出的带电导电液体柱构成辐射体。
以下通过仿真实验，对本发明的技术效果进行说明。
1、仿真条件和内容：
1.1)利用商业仿真软件HFSS对实施例的S11参数在30-100MHz范围内进行仿真计算。
1.2)利用商业仿真软件HFSS对实施例在60兆赫兹的E面增益进行仿真计算。
1.3)利用商业仿真软件HFSS对实施例在60兆赫兹的H面增益进行仿真计算。
2、仿真结果分析：
参照图5，图中纵坐标表示天线的回波损耗S11，横坐标表示频率，单位为MHz，本实施例的S11曲线表明，本发明的阻抗带宽(S11<-10dB)为54兆赫兹到67兆赫兹左右，相对带宽约为21.5％，现有技术的S11曲线表明，现有技术的阻抗带宽(S11<-10dB)为53兆赫兹到65兆赫兹左右，相对带宽约为21.3％，通过对比可知，本发明在实现提高增益的目的同时，阻抗带宽未减小。
参照图6(a)，图中纵坐标表示天线的E面增益，单位为dBi，本实施例在60兆赫兹的增益曲线表明，最大增益大小在3.5dBi左右，最小增益在2dBi左右；现有技术在60兆赫兹的增益曲线表明，最大增益在0dBi左右，本发明最小增益大于现有技术的最大增益，实现了提高增益的目标。
参照图6(b)，图中纵坐标表示天线的H面增益，单位为dBi，本实施例在60兆赫兹的增益曲线表明，最大增益大小在3.5dBi左右，最小增益在2dBi左右；现有技术在60兆赫兹的增益曲线表明，最大增益在0dBi左右，本发明最小增益大于现有技术的最大增益，实现了提高增益的目标。
以上描述仅是本发明的一个优选实施方式，但并不仅仅受上述实施例的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创新构思的前提下所做出的若干变形和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种导电液体天线，包括底板(1)、馈电结构(2)、喷嘴(3)、中空导体管(4)和水泵(5)；所述底板(1)和中空导体管(4)均采用导体材料；所述喷嘴(3)采用非导体材料，其特征在于：
还包括集水装置(6)和基板(7)；所述集水装置(6)采用由非导体材料制作的带有中空腔体的密闭结构，其侧壁上设置有导电液体入口，顶端设置有导电液体出口；所述基板(7)采用非导体材料；
所述馈电结构(2)包括馈电底板(21)、金属探针(22)和N型连接器(23)；
所述基板(7)固定在底板(1)的上表面；所述集水装置(6)与基板(7)固定；所述馈电底板(21)固定在集水装置(6)内腔体的底部；所述金属探针(22)的一端穿过集水装置(6)与馈电底板(21)连接，另一端顺次穿过基板(7)和底板(1)，与固定在底板(1)下表面的N型连接器(23)连接，且金属探针(22)与底板(1)绝缘；所述喷嘴(3)固定在集水装置(6)的导电液体出口位置；所述中空导体管(4)固定在底板(1)预设的安装孔上；所述水泵(5)固定在底板(1)的下方，该水泵(5)的出水口与中空导体管(4)的下端通过第一输水管(8)连接；所述集水装置(6)的导电液体入口与中空导体管(4)的上端通过第二输水管(9)连接；所述第一输水管(8)和第二输水管(9)均采用非导体材料；
所述水泵(5)持续将导电液体顺次通过第一输水管(8)、中空导体管(4)和第二输水管(9)，注入集水装置(6)内，并由喷嘴(3)喷出，形成导电液体柱；N型连接器(23)通过金属探针(22)将馈电信号传输至馈电底板(21)，使集水装置(6)内的导电液体带电；第二输水管(9)和集水装置(6)内的带电导电液体，以及喷嘴(3)所喷出的带电导电液体柱构成辐射体。
2.根据权利要求1所述的一种导电液体天线，其特征在于：所述馈电底板(21)，采用圆形板材，其与金属探针(22)的连接点位于该馈电底板(21)的中心。
3.根据权利要求1所述的一种导电液体天线，其特征在于：所述水泵(5)的出水水压可调。
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