CN112366450B - 一种高增益柔性液体天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高增益柔性液体天线，包括液体介质谐振器、FP腔和接地板。天线主要的辐射单元为液体介质谐振器，由透明柔性容器和纯水构成，馈电结构采用交叉缝隙馈电可实现液体介质谐振器的圆极化。FP腔结构由上层PRS、下层AMC和透明柔性介质组成，该结构使天线相较于已有柔性天线具有较高的增益。本发明采用透明柔性介质材料和液体材料使得天线适用于共形的应用。

Description

一种高增益柔性液体天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种柔性液体天线。
背景技术
天线作为无线通信系统的重要组成部分，通信系统的快速发展对天线提出了更高的要求，液体天线作为一种新型天线，由于其成本低，透明性，可重构性等特点，受到了广泛的关注。
纯水用来制作天线具有许多优势：透明环保，结构紧凑(纯水介电常数较高，用于介质谐振天线可以大大减小尺寸)，材料易获得等。因为纯水的流动特性，其可形成任意形状，并且形状可随意变化而不会对材料特性产生影响，克服了传统固体金属材料遭受机械疲劳容易开裂的缺点，是柔性天线很好的候选者。当液体容器为柔性材料时，天线可实现可逆变形，适用于人体穿戴，机载等各种共形应用。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种高增益柔性液体天线，利用水的流动性和柔性介质材料使得天线可以自由变形，适用于共形天线的应用。
技术方案：一种高增益柔性液体天线，包括：接地板，液体介质谐振器，由上层PRS(Partially Reflective Surface)结构和下层AMC(Artificial Magnetic Conductor)结构组成的FP(Fabry–Perot)腔；
所述液体介质谐振器包括圆柱形透明柔性容器和纯水；所述液体介质谐振器位于所述FP腔的底部中央，所述AMC结构围绕所述液体介质谐振器排布；所述接地板位于FP腔下方，接地板为中央开有交叉缝隙的圆形金属板，并在接地板的背面设有微带线；在所述FP腔上下层结构之间以及AMC结构与接地板之间均填充透明柔性介质。
进一步的，所述接地板的圆形金属板半径为54mm；交叉缝隙长度分别为23mm和40mm，宽度为2mm，交叉缝隙夹角为90°；微带线宽度为2mm，长度为64mm，微带线与圆形金属板之间设有圆柱形透明柔性介质层，厚度为0.8mm，半径为54mm；所述液体介质谐振器的圆柱形纯水半径为18mm，高度为2mm，圆柱形透明柔性容器侧壁厚度为2mm，底部厚度为5mm；所述PRS结构和AMC结构均由正方形金属单元组成；所述PRS结构的正方形金属单元的边长为17.5mm，单元之间的间距为0.5mm，与接地板之间的距离为27mm，为6×6单元结构；所述AMC结构的正方形金属单元的边长为17.4mm，单元之间的间距为0.6mm，与接地板之间的距离为5mm。
进一步的，所述透明柔性介质和透明柔性容器的材料均为聚二甲基硅氧烷。
有益效果:本发明的高增益柔性液体天线，包括液体介质谐振器、FP腔和接地板。天线主要的辐射单元为液体介质谐振器，由透明柔性容器和纯水构成，馈电结构采用交叉缝隙馈电可实现液体介质谐振器的圆极化。与现有的液体天线与传统金属天线相比，其显著优点为：(1)利用水的流动性和柔性介质材料使得天线可以自由变形，适用于共形天线的应用。(2)通过加入FP腔，使得天线在一定工作频段内可以实现较高的增益。
附图说明
图1是本发明高增益柔性液体天线的立体结构示意图；
图2是本发明高增益柔性液体天线的剖面结构示意图；
图3是本发明高增益柔性液体天线的PRS结构图；
图4是本发明高增益柔性液体天线的AMC结构图；
图5是本发明高增益柔性液体天线的接地板结构图；
图6是本发明高增益柔性液体天线的馈电结构剖面图；
图7是本发明高增益柔性液体天线某种共形情况下立体结构示意图；
图8是本发明实施例提供的高增益柔性液体天线的S11仿真图；
图9是本发明实施例提供的高增益柔性液体天线的辐射效率曲线仿真图；
图10是本发明实施例提供的高增益柔性液体天线的增益仿真图；
图11是本发明实施例提供的高增益柔性液体天线的AR(Axial Ratio)值仿真图；
图12是本发明实施例提供的高增益柔性液体天线在2.4GHz时，xoz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1-6所示，一种高增益柔性液体天线，包括：接地板1，液体介质谐振器2和由上层PRS结构3和下层AMC结构4组成的FP腔。其中，液体介质谐振器2由圆柱形透明柔性容器和纯水构成。FP腔的PRS结构3和AMC结构4由均由正方形金属单元组成，两层结构之间为透明柔性介质。液体介质谐振器2位于FP腔的底部中央，AMC结构4围绕液体介质谐振器2排布。接地板1位于FP腔下方，接地板1上有长度不等、成90°夹角的交叉缝隙；接地板1背面设有微带线13，作为天线的馈电结构。在FP腔上下层结构之间，AMC结构4与接地板1之间，以及微带线13与接地板1之间均填充透明柔性介质，透明柔性介质和圆柱形透明柔性容器的材料均为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
本实例中，FP腔的PRS结构4的正方形金属单元的边长为17.5mm，单元之间的间距为0.5mm，与接地板1之间的距离为27mm，为6×6单元结构。AMC结构4正方形金属单元的边长为17.4mm，单元之间的间距为0.6mm，与接地板1之间的距离为5mm，排布于液体介质谐振器2的周围。
液体介质谐振器2的圆柱形纯水半径为18mm，高度为2mm，圆柱形透明柔性容器侧壁厚度为2mm，底部厚度为5mm，透明柔性容器的材质为PDMS。
接地板1的圆形金属板半径为54mm，交叉缝隙12长度分别为23mm和40mm，宽度为2mm，缝隙之间成90°夹角。微带线13宽度为2mm，长度为64mm，微带线13与圆形金属板之间圆柱形透明柔性介质层14厚度为0.8mm，半径为54mm。
如图7所示，本实例采用柔性介质与液体作为材料设计天线使得天线可以实现自由变形，图中展示了天线与半径为80mm圆柱体弯曲部分表面共形的情况。
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
图8给出了本发明的S11仿真图。可以看出，天线可覆盖的频率范围2.316GHz–2.7GHz(S11<-10dB)。
图9给出了本发明辐射效率曲线仿真图。可以看出，本发明天线在2.4GHz左右频段内辐射效率在50％-70％。
图10给出了本发明AR值仿真图。可以看出本发明天线可以在2.4GHz左右频段内AR值小于3dB。
图11给出了本发明增益仿真图，可以看出本发明在2.4GHz左右频段内最高增益可达8dB，与单纯的液体介质谐振天线相比实现了较高的增益。
图12给出了本发明在2.4GHz时，归一化的xoz平面辐射方向图。
综上所述，本发明天线实现了高增益柔性液体天线设计，利用水的流动性和柔性介质材料实现天线的自由变形，适用于共形应用；FP腔结构使得天线在一定工作频段内实现较高的增益。
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)

1.一种高增益柔性液体天线，其特征在于，包括：接地板(1)，液体介质谐振器(2)，由上层PRS结构(3)和下层AMC结构(4)组成的FP腔；所述PRS指Partially Reflective Surface，所述AMC指Artificial Magnetic Conductor，所述FP指Fabry–Perot；所述PRS结构(3)和AMC结构(4)均由正方形金属单元沿平面方向排布组成；
所述液体介质谐振器(2)包括圆柱形透明柔性容器和纯水；所述液体介质谐振器(2)位于所述FP腔的底部中央，所述AMC结构(4)围绕所述液体介质谐振器(2)排布；所述接地板(1)位于FP腔下方，接地板(1)为中央开有交叉缝隙的圆形金属板，并在接地板(1)的背面设有微带线；在所述FP腔上下层结构之间以及AMC结构(4)与接地板(1)之间均填充透明柔性介质。
2.如权利要求1所述的高增益柔性液体天线，其特征在于，所述接地板(1)的圆形金属板半径为54mm；交叉缝隙长度分别为23mm和40mm，宽度为2mm，交叉缝隙夹角为90°；微带线宽度为2mm，长度为 64mm，微带线与圆形金属板之间设有圆柱形透明柔性介质层，厚度为0.8mm，半径为54mm；所述液体介质谐振器(2)的圆柱形纯水半径为18mm，高度为2mm，圆柱形透明柔性容器侧壁厚度为2mm，底部厚度为5mm；所述PRS结构(3)的正方形金属单元的边长为17.5mm，单元之间的间距为0.5mm，与接地板(1)之间的距离为27mm，为6×6单元结构；所述AMC结构(4)的正方形金属单元的边长为17.4mm，单元之间的间距为0.6mm，与接地板(1)之间的距离为5mm。
3.如权利要求1或2所述的高增益柔性液体天线，其特征在于，所述透明柔性介质和透明柔性容器的材料均为聚二甲基硅氧烷。
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