CN113794054B - 一种极化可重构滤波液体介质谐振器天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种极化可重构滤波液体介质谐振器天线，包括：介质基板，介质容器，金属地板，微带馈线，垂直金属枝节，两条不同长度的第一、第二微带枝节；通过设计不同长度的两根微带枝节，可在通带的两边得到了两个辐射零点。所述介质容器被分为三个不同的区域，通过将乙酸乙酯注入特定区域，天线可以在几乎相同的工作频带范围内实现两种不同的极化，即右旋圆极化(RHCP)和线极化(LP)。本发明可以通过调节两个微带枝节长度，独立调整对应的辐射零点值；通过向不同容器中注入液体，实现天线的极化可重构。因此，本发明在没有任何额外电路的情况下，实现了较好的极化重构功能和稳定的滤波响应，结构紧凑，可应用于无线通信系统中。

Description

一种极化可重构滤波液体介质谐振器天线
技术领域
本发明属于可重构液体介质谐振器天线技术领域，具体涉及一种用乙酸乙酯制成的极化可重构滤波天线。
背景技术
随着无线通信系统的迅速发展，通讯设备逐渐朝着小型化、低成本、多功能和高集成度等方向发展。传统的天线系统中，通常在单个系统中使用多个不同的天线来满足多功能的需求。通过匹配电路连接多个天线，会导致设计复杂，且大大增加了系统的尺寸和成本，因此研究多功能一体化天线显得至关重要。
可重构天线在频率、极化、辐射方向图等方面具有动态可调谐性，引起了国内外学者的广泛研究。其中，传统的可重构天线是基于PIN二极管的设计，具有调谐速度快、工艺技术成熟等优点。然而，PIN二极管的存在也带来了工作带宽窄和功率损耗显著等问题，从而降低了天线的辐射效率。相对于固体材料而言，液体材料具有可重构性和流动性，因此，为在不使用其他有源电路的情况下实现可重构提供了独特的思路。许多可重构液体天线已经被报道，如频率重构液体贴片天线、极化可重构液体谐振器天线、方向图可重构天线。此外，基于液体可重构天线的研究，为探索更多新型多功能天线提供了思路。
天线作为通信系统的前端，为了抑制不必要的干扰信号，通常将天线与额外滤波器进行级联。滤波器的引入会增大整体设计的尺寸，并且会降低射频前端的损耗，降低天线的增益。为了避免这些问题，研究者们提出了即具有辐射又具有滤波特性的滤波天线，实现了天线的集成化和小型化。
综上可见，设计具有滤波特性的多功能液体天线具有一定的研究价值，但现有技术中涉及液体可重构滤波天线的实现方法较少。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供了一种极化可重构的液体滤波介质谐振器天线，该天线结构紧凑，无需外加特定的电路，通过设计馈电结构和介质谐振器结构实现了天线的滤波和极化可重构特性，该结构在工作频段内具有稳定的增益和较高的辐射效率高，可应用于无线通信系统设备中。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：
一种极化可重构滤波液体天线，包括：
介质基板；
介质容器，位于介质基板上方；
金属地板，位于介质基板下方；
微带馈线，位于介质基板上方；
垂直金属枝节，位于介质容器的外侧壁；
两条不同长度的第一、第二微带枝节，其一端均与微带馈线、垂直金属枝节的下端连接；
其中：
所述第一、第二微带枝节间留有一定的缝隙；第一、第二微带枝节位于介质容器下方；
所述垂直金属枝节与微带馈线垂直设置；
所述介质容器为上端开放的盒体，用来盛放液体介质，整体充当混合介质谐振器；
作为优选，所述第一、第二微带枝节平行设置；
作为优选，所述介质容器采用矩形结构；
作为优选，垂直金属枝节的长度为0.18λ0。
作为优选，所述介质容器采用与介质容器相同材质的隔板将其分为三个不同的区域，通过在不同的空腔中注入液体，天线可以在几乎相同的工作频带范围内实现两种不同的极化状态，即右旋圆极化(RHCP)和线极化(LP)。
更为优选，所述介质容器三个区域均注入液体介质，形成一个矩形介质谐振腔，此时激励介质谐振器天线DRA的基模从而实现线极化。
更为优选，所述介质容器的中间区域截面为六边形，位于中间区域两侧区域大小形状相同，截面均为三角形；仅向中间区域中注入液体介质，形成一个六边形介质谐振腔，此时激励了两个正交模和/>从而实现了圆极化。
作为优选，第一、二微带枝节与垂直金属枝节构成两个交叉的耦合结构，在通带边缘实现两个辐射零值。
作为优选，第一、二微带枝节长度分别为0.11λ0和0.2λ0，λ0为中心频率的工作波长。
作为优选，所述液体介质采用乙酸乙酯，相对介电常数εr为6.6，损耗角正切tanδ＝0.04；
作为优选，所述介质容器的材质为PVC塑料，介电常数εr为2.7，损耗角正切tanδ＝0.007。
进一步地，所述金属地板的大小为0.9λ0×0.9λ0，介质容器的长、宽均为0.32λ0，高度为0.26λ0，厚度为0.012λ0。
本发明具有的有益效果是：
1、与已有天线相比，本发明采用液体作为主要辐射体，当天线不使用时将液体抽出，可以有效减小天线的雷达反射截面，并且有很好的隐蔽性。
2、与已有天线相比，本发明除了馈电结构和地平面采用金属材料以外，乙酸乙酯和PVC容器都是低成本的透明材料，在外观上达到高度光学透明的效果，具有观赏性和实用性。
3、与已有天线相比，本发明可以通过在PVC容器中注入液体和抽出液体实现线极化和圆极化的转换，而不需要借助外部电路，结构更简单。
4、与已有天线相比，本发明在微带馈线上设计两条不同长度的微带枝节，在不需要额外滤波电路的情况下实现了滤波功能，并且可以通过调节微带枝节的长度独立调谐每个零点的频率。
5、与已有天线相比，本发明在性能上有很大的提高，阻抗带宽可达20％，增益稳定在6dBi左右，辐射效率在80％以上，圆极化的轴比带宽达11％。
附图说明
图1是本发明的介质容器结构示意图；
图2是本发明的立体结构示意图；图3是本发明的侧视结构示意图；
图4是本发明的俯视结构示意图；
图5是本发明工作于线极化时的|S11|反射系数曲线图和有无微带枝节的增益对比曲线图；
图6是本发明工作在右旋圆极化的|S11|反射系数曲线图和增益图；
图7是本发明工作在右旋圆极化的AR带宽图和辐射效率图；
图8是本发明工作在线极化的辐射方向图；其中(a)是φ＝0°时的主极化和交叉极化方向图(b)是φ＝90°时的主极化和交叉极化方向图；
图9是本发明工作在圆极化的辐射方向图；其中(a)是φ＝0°时的主极化和交叉极化方向图(b)是φ＝90°时的主极化和交叉极化方向图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1～4所示，一种极化可重构滤波液体介质谐振器天线，包括：介质基板S，位于介质基板下方的金属地G，位于介质基板上方的介质容器C，位于介质基板上方的50Ω微带馈线M，两条不同长度的平行设置的第一、第二微带枝节M1、M2，位于介质容器的外侧壁的垂直金属枝节M3，馈电端口P。；
第一、第二微带枝节M1、M2位于介质容器下方，且位于介质容器边缘一端均与微带馈线的一端、垂直金属枝节的下端连接；第一、第二微带枝节间留有一定的缝隙；
所述垂直金属枝节与微带馈线垂直设置；
所述介质容器为上端开放的盒体，用来盛放液体介质，整体充当混合介质谐振器；
所述介质容器横截面采用矩形结构；
所述介质容器采用与介质容器相同材质的隔板将其分为三个不同的区域Q1、Q2、Q3，Q1、Q2区域为两对角区域，横截面为等腰三角形，Q3区域位于Q1、Q2区域中间，横截面为六边形。
本实施例中，介质容器C采用的材质是PVC塑料，介电常数为2.7，损耗正切值tanδ＝0.007，长宽高为a×b×d。介质容器C中装的介质液体是乙酸乙酯，在频率1.8GHz左右，介电常数为6.6，损耗正切值为0.04。当向Q1、Q2、Q3中注入乙酸乙酯时，形成一个矩形介质谐振腔，此时激励介质谐振器天线DRA的基模从而实现线极化。当仅往Q3中注入乙酸乙酯液体时，形成一个六边形介质谐振腔，此时激励了两个正交模/>和/>从而实现了圆极化。
微带枝节M1、M2长度分别为0.11λ0mm和0.2λ0mm，宽度为0.048λ0，与垂直金属枝节形成了两个交叉的耦合结构，从而在通带边缘引入两个不同的辐射零点，达到了滤波的效果。
如表1所示，是结构优化后的参数。矩形介质容器C的大小为0.32λ0×0.32λ0×0.26λ0，厚度为0.012λ0。介质基板S的长宽为0.9λ0，高度为0.005λ0。金属地G的大小与介质基板相同。以上λ0为设计中心频率的工作波长。本实施例中，设计的中心频率为1.8GHz，λ0等于166.7mm。
表1
参数 W L h a b d t ls ws s
值(mm) 0.9λ0 0.9λ0 0.005λ0 0.32λ0 0.32λ0 0.26λ0 0.012λ0 0.18λ0 0.012λ0 0.18λ0
其中L、W分别表示介质板的长、宽，h表示介质板的厚度，a、b、d分别表示介质容器的长、宽、高，t表示介质容器的厚度，ls、ws分别表示垂直金属枝节M3的长、宽，s表示Q1、Q2区域的直角边长度。
如图5所示，是本发明工作在线极化状态时的|S11|仿真图和增益曲线图，由图可知反射系数|S11|在低于-10dB的要求下，工作频带为1.61GHz～1.95GHz，相对带宽为20％。从增益曲线可以看出，在通带内具有稳定的增益6.5dBi。由增益对比图可以看出，加入微带枝节后在通带两边引入两个辐射零点(辐射零点的频率分别为1.3GHz和2.2GHz)，实现了一个带通滤波天线。
如图6所示，是本发明工作在圆极化状态时的|S11|仿真图和增益曲线图，从增益图中可以看出达到了带通滤波的效果，增益稳定在6dBi左右。
如图7所示，是本发明工作在圆极化的轴比带宽仿真图和天线辐射效率图，在工作频段内，轴比(AR)低于3dB的带宽为11％，辐射效率在80％以上，且在零点处的天线辐射效率低于10％。
如图8和9所示，是本发明在两种极化状态时的辐射方向图。图8(a)和(b)中分别给出线极化E面和H面的辐射方向图，图9是圆极化的主极化和交叉极化方向图。由图中可以看出两种状态下的交叉极化均小于-15dB，可见天线在工作频带内具有良好的辐射特性。
综上所述，本发明天线实现了极化可重构滤波介质谐振器天线设计。|S11|低于-10dB带宽为20％，当工作在圆极化时，低于3dB轴比带宽为11％，且具有良好的辐射特性，在工作频段内天线的辐射频率在80％以上。该设计充分发挥了液体材料作为介质贴片天线的透明性，可重构性，流动性等特点，并且在不需要加载任何外部电路的情况下实现了良好的带通滤波功能，在无线通信领域具有巨大的发展前景。

Claims (7)

1.一种极化可重构滤波液体天线，其特征在于包括：
介质基板；
用于盛放液体介质的介质容器，位于介质基板上方；
金属地板，位于介质基板下方；
微带馈线，位于介质基板上方；
垂直金属枝节，位于介质容器的外侧壁；
两条不同长度的第一、第二微带枝节，其一端均与微带馈线、垂直金属枝节的下端连接；
所述第一、第二微带枝节间留有一定的缝隙；第一、第二微带枝节位于介质容器下方；
所述介质容器采用与介质容器相同材质的隔板将其分为三个不同的区域，通过在不同的空腔中注入液体，天线可以在几乎相同的工作频带范围内实现两种不同的极化状态，即右旋圆极化(RHCP)和线极化(LP)；
所述介质容器三个区域均注入液体介质，形成一个矩形介质谐振腔，此时激励介质谐振器天线DRA的基模从而实现线极化；
所述介质容器的中间区域截面为六边形，位于中间区域两侧区域大小形状相同，截面均为三角形；仅向中间区域中注入液体介质，形成一个六边形介质谐振腔，此时激励了两个正交模和/>从而实现了圆极化。
2.如权利要求1所述的一种极化可重构滤波液体天线，其特征在于所述第一、第二微带枝节平行设置。
3.如权利要求1所述的一种极化可重构滤波液体天线，其特征在于所述垂直金属枝节与微带馈线垂直设置。
4.如权利要求1所述的一种极化可重构滤波液体天线，其特征在于第一、二微带枝节与垂直金属枝节构成两个交叉的耦合结构，在通带边缘实现两个辐射零值。
5.如权利要求1所述的一种极化可重构滤波液体天线，其特征在于第一、二微带枝节长度分别为0.11λ0和0.2λ0，λ0为中心频率的工作波长。
6.如权利要求1所述的一种极化可重构滤波液体天线，其特征在于所述液体介质采用乙酸乙酯，相对介电常数εr为6.6，损耗角正切tanδ＝0.04。
7.如权利要求1所述的一种极化可重构滤波液体天线，其特征在于所述介质容器的材质为PVC塑料，介电常数εr为2.7，损耗角正切tanδ＝0.007。
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