CN114284737B - 一种全透明超宽带高增益的液体介质谐振器天线 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种全透明超宽带高增益的液体介质谐振器天线，包括：第一谐振器、离子液体谐振器、同轴馈电端口和地板；第一谐振器呈筒状结构且固定设在地板上，第一谐振器内部设有离子液体，以构成所述离子液体谐振器；同轴馈电端口的一端的内导体伸入离子液体中，同轴馈电端口的另一端与地板相连；离子液体为TPC；还包括：第二谐振器；第二谐振器固定设在第一谐振器的顶部，第二谐振器呈柱状结构，且第二谐振器的截面积沿底部到顶部的方向上逐渐增大。采用本申请能够在较高频段内实现全透明、超宽带以及高辐射效率。

Description

一种全透明超宽带高增益的液体介质谐振器天线

技术领域

本申请涉及液体介质谐振器天线技术领域，特别是涉及一种全透明超宽带高增益的液体介质谐振器天线。

背景技术

天线作为无线通信系统的“火眼金睛”，一直以来都是无线通信设备中的关键部件。随着无线通信技术的日新月异，通信场景越来越复杂，通信系统对天线性能的多样化要求越来越苛刻，传统天线的性能面临着巨大的挑战。随着5G移动通信的商用，系统的集成复杂度增高和多样化功能需求增加，不仅要求天线具有小型化和超宽带的特性，同时还要求天线具备高增益、可重构、低成本、绿色环保等等工作特性；同时，在一些基站通信天线领域中，天线作为了基站通信的关键部件，如果表现出“光学透明”而实现“隐身”，可以避免被用户发现而消除对天线辐射的抵触心理。

传统天线主要使用铜、铝合金等硬质金属材料制作，虽然这些金属材料的导电性能高，但是往往存在体积较大、不透明、易氧化、成本高、重构性差等缺点，很显然，传统金属天线已经无法应对当前通信系统的多样化需求。通信系统急需配备新的“眼睛”，使用新型材料设计天线显得迫在眉睫。其中液体天线由于其光学透明、可重构性强、易共形、绿色环保、节省空间、成本低、易获取、应用范围广等特点有望成为满足复杂通信需求的新一代天线的候选者，具有重要的潜在研究价值。

液体天线是使用液体材料代替传统金属材料作为辐射体的新型天线，根据研究对象和侧重点不同，目前液体天线主要分为液态金属天线以及非金属液体天线。液态金属天线近几年国内外研究报道的居多，其主要采用的材料为水银等为材料，本质上还是利用其高导电性，与传统金属天线的的辐射机理类似；但是水银有毒，从而限制其广泛使用。非金属液体天线主要使用水(蒸馏水、纯水、自来水、海水)、油等作为辐射材料，非金属液体由于易获取、构造灵活、环境友好、介电常数高等特点，在天线的成本、可重构性、小型化等方面具有巨大的优势，近些年国内外关于水天线研究报道的成果不断涌现。

然而，非金属液体水天线主要面临四个方面的问题：

1)水作为非金属液态天线使用最常用的材料，其介电常数在常温下为80左右，损耗角正切随频率增高急剧增大，从而导致水天线仅能满足低频段的需求，在高频段的辐射效率极具降低；

2)水的的品质因数(Q)较高，会导致带宽较窄，在宽带范围的工作系统中具有一定的局限性；

3)液态水的温度范围较小(0℃—100℃)，当外界环境温度低于0℃，液体会凝结为固态冰；当外界环境温度高于100℃，液体会蒸发成为水蒸气；会严重干扰天线的性能；

4)目前国内外报道的成果大部分还是采用金属作为反射地板，未实现全透明的效果。

综上所述，现有非金属液体天线(水天线)在透明性能、宽带性能以及辐射效率等方面仍然具有一定的局限性。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种全透明超宽带高增益的液体介质谐振器天线，能够在较高频段内实现全透明、超宽带以及高辐射效率。

一种全透明超宽带高增益的液体介质谐振器天线，包括：第一谐振器、离子液体谐振器、同轴馈电端口和地板；

所述第一谐振器呈筒状结构且固定设在所述地板上，所述第一谐振器内部设有离子液体，以构成所述离子液体谐振器；

所述同轴馈电端口的一端的内导体伸入所述离子液体中，所述同轴馈电端口的另一端与所述地板相连。

在其中一个实施例中，所述离子液体为TPC。

在其中一个实施例中，还包括：第二谐振器；

所述第二谐振器固定设在所述第一谐振器的顶部，所述第二谐振器呈柱状结构，且所述第二谐振器的截面积沿底部到顶部的方向上逐渐增大。

在其中一个实施例中，所述第二谐振器呈倒置的圆台结构，所述第二谐振器的母线斜度为41°。

在其中一个实施例中，还包括：空气带隙谐振器；

所述第二谐振器中央设有空气带隙，以构成所述空气带隙谐振器；所述空气带隙谐振器从底部到顶部贯穿所述第二谐振器。

在其中一个实施例中，还包括：导电膜；

所述导电膜采用TCF，固定设在所述地板的底部，以用于反射电磁波。

在其中一个实施例中，还包括：顶盖；

所述第一谐振器的顶部开口，所述顶盖固定设在所述第一谐振器的开口上；

所述顶盖上设有一个以上交换孔，用于排入、抽出所述离子液体或排气。

在其中一个实施例中，所述地板、所述第一谐振器、所述第二谐振器和所述顶盖均由光敏树脂材料制成。

在其中一个实施例中，所述第二谐振器采用一体成型或拼接成型。

在其中一个实施例中，所述第二谐振器上设有镂空。

上述一种全透明超宽带高增益的液体介质谐振器天线，通过离子液体谐振器，可以在Ku波段(12GHz-18GHz)实现全透明(透光率>80％)、超宽带(相对带宽28％，相对带宽＝(f_h-f_l)/f₀，高增益(>12dBi))的效果，并且随着温度和频率的增高，介电常数和损耗角正切tanδ值较小并比较稳定，辐射效率较高，具有透光率高、频段宽、辐射效率高、液态范围大、结构灵活、可重构性强、成本低、易获取和绿色环保的特点，适合复杂无线通信系统环境，工程应用前景广阔，可应用于新型天线、基站天线、物联网等领域。

附图说明

图1为一个实施例中全透明超宽带高增益液体介质谐振器天线的立体结构示意图；

图2为一个实施例中全透明超宽带高增益液体介质谐振器天线的结构正视图；

图3为一个实施例中全透明超宽带高增益液体介质谐振器天线的结构俯视图；

图4为一个实施例中液体介质谐振器天线结构的S₁₁曲线示意图；

图5为一个实施例在12.6GHz的E面辐射方向图；

图6为一个实施例在13GHz的E面辐射方向图；

图7为一个实施例在14GHz的E面辐射方向图；

图8为一个实施例在15GHz的E面辐射方向图；

图9为一个实施例在16GHz的E面辐射方向图。

附图说明：

空气带隙谐振器1，第二谐振器2，离子液体谐振器3，交换孔4，第一谐振器5，顶盖6，地板7，同轴馈电端口8，导电膜9。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

如图1至图3所示，本申请提供的一种全透明超宽带高增益的液体介质谐振器天线，在一个实施例中，包括：第一谐振器5、离子液体谐振器3、同轴馈电端口8和地板7；第一谐振器5呈筒状结构且固定设在地板7上，第一谐振器5内部设有离子液体，以构成离子液体谐振器3；同轴馈电端口8的一端的内导体伸入离子液体中，同轴馈电端口8的另一端与地板相连。

本申请不限制第一谐振器5的具体形状和尺寸，具体可以根据实际情况灵活设置。例如：圆筒状、椭圆筒状、弧形筒状、波浪筒状等。

本发明也不限制地板7的形状，具体可以根据实际情况灵活设置。例如：圆形、方形等。

优选地，第一谐振器5呈圆筒状，由高度为20mm的光敏树脂圆柱体容器装满透明的离子液体组成，作为液体天线的辐射源。

地板7为圆盘形，采用光敏树脂的材料。整个圆盘地板同时作为支撑地板和反射地板，可作为整个天线的支撑结构。

地板7的中心位置处刻有通孔，馈电探针选择SMA同轴内导体天线，同轴线的内导体由下而上通过该通孔伸进第一谐振器中的离子液体，同轴线的引脚焊在导电膜上(相当于地板上)。

在本实施例中，还包括：导电膜9；导电膜9采用TCF(transparent conductivefilm)，固定设在地板7的底部，以用于反射电磁波。

TCF制成的透明导电膜，厚度为0.125mm，表面电阻为10Ω/sq。表面电阻的大小与导电率的大小成反比，影响地板反射电磁波的效果。表面电阻越小，透明导电膜可近似替代金属起到反射地板的作用。

本发明使用透明的地板7和导电膜9，代替金属地板，基本实现了完全无金属材料的透明液体天线，透光率不低于80％，可以实现天线的“完美隐身”。

在本实施例中，还包括：顶盖6；第一谐振器5的顶部开口，顶盖6固定设在第一谐振器5的开口上；顶盖6上设有一个以上交换孔4，用于排入、抽出所述离子液体或排气。

顶盖6可以防止离子液体漏出，可用透明塑料螺丝密封。

优选地，顶盖6边缘侧分别刻有两个交换孔4，连接空气带隙和离子液体，一个是进口，一个是出口，液体可由进口注入，从出口挤出，自由实现离子液体的排入和抽出；同时，当容器内含有气泡时，交换孔4还能排出气体，增强容器的气密性，避免产生气泡。

在本实施例中，离子液体可以选择Choline L-alanine、乙酸乙酯、1-乙基-3-甲基二氰胺(1-Ethyl-3-methylimidazolium Dicyanamide)或者TPC(trihexyltetradecylphosphonium chloride)等等。

优选地，离子液体为TPC(trihexyltetradecylphosphonium chloride)，即三己基(十四烷基)氯化膦。

TPC的性能非常稳定，液态工作范围为-69.8℃—350℃，常温下相对介电常数约为3，电导率约为0.00025S/m，损耗角正切约为0.001。

首先，液态工作范围大，可致使其工作性能随温度变化不敏感；其次，导电性非常低，可完美等效为介质，是产生介质谐振模式较为理想的材料；最后，损耗角正切值非常小，并且随温度和频率变化波动范围小，可以说明其在高频段工作时辐射效率也高，不会像水一样，损耗角正切随着频率极具增大，在高频段工作时就会大大降低天线的辐射效率。

本发明采用三己基(十四烷基)氯化膦中种性能非常稳定的有机离子液体，代替液体天线辐射材料，有效地避免了常规水天线在高频段损耗急剧增大的缺点，使得天线在高频段仍旧保持较高的辐射效率。

本实施例的液体介质谐振器天线由3D打印，采用的材料为光敏树脂，其介电常数在常温下为2.8—3.3左右。

上述全透明超宽带高增益的液体介质谐振器天线，通过离子液体谐振器，可以在Ku波段(12GHz-18GHz)实现全透明(透光率>80％)、超宽带(相对带宽28％，相对带宽＝(f_h-f_l)/f₀，高增益(>12dBi))的效果，并且随着温度和频率的增高，介电常数和损耗角正切tanδ值较小并比较稳定，辐射效率较高，具有透光率高、频段宽、辐射效率高、液态范围大、结构灵活、可重构性强、成本低、易获取和绿色环保的特点，适合复杂无线通信系统环境，工程应用前景广阔，可应用于新型天线、基站天线、物联网等领域。

在其中一个实施例中，还包括：第二谐振器2；第二谐振器2固定设在第一谐振器5的顶部，第二谐振器2呈柱状结构，且第二谐振器2的截面积沿底部到顶部的方向上逐渐增大。第二谐振器2采用一体成型或拼接成型。

本申请不限制第二谐振器2的具体形状、尺寸、方向和斜度，具体可以根据实际情况灵活设置。例如：圆台状、截面为椭圆的喇叭状、侧面为波浪线的喇叭状等。又例如，第二谐振器的顶部朝正上方，第二谐振器的顶部朝斜上方等。

在本实施例中，第一谐振器5覆盖在地板7的上表面，第二谐振器2覆盖在第一谐振器5的上表面，第二谐振器2的高度为30mm。

第二谐振器的设置提高了天线的增益。

优选地，第二谐振器2上设有镂空。可以减少重量和成本。

优选地，第二谐振器2呈倒置的圆台结构，第二谐振器2的母线斜度为41°。

第二谐振器2的顶部朝向正上方，第一谐振器5产生的模式能量可以通过平滑渐变的第二谐振器2辐射出去，以斜度为41°的角度渐变，可以大大集中波束到中央位置，增强波束的方向性，大大地提高了天线的增益和辐射效率。

在其中一个实施例中，还包括：空气带隙谐振器1；第二谐振器2中央设有空气带隙，以构成空气带隙谐振器1；空气带隙谐振器1从底部到顶部贯穿第二谐振器2。

本申请不限制空气带隙谐振器1的具体形状和尺寸，具体可以根据实际情况灵活设置。例如：圆柱状、椭圆柱状、弧形柱状、波浪柱状等。

优选地，空气带隙谐振器1呈圆柱状，深度为32mm。通过调节空气带隙的大小，可以调整谐振模式的频率，从而显著改善天线的阻抗匹配，使之在Ku波段的所有频点下工作，达到超宽带的效果。

在其中一个实施例中，地板7、第一谐振器5、第二谐振器2和顶盖6均由光敏树脂材料制成。

光敏树脂材料的使用使天线基本实现了全透明。各光敏树脂部件之间可以使用透明塑料螺丝固定或者强胶粘合的。

本发明的方案利用第一谐振器5、离子液体谐振器3、第二谐振器2、空气带隙谐振器1的介质谐振，以及探针本身产生的谐振，多重模式叠加，极大地拓宽了天线的工作频带，实现了在Ku波段超宽带的效果。

本实施例中，第一谐振器和离子液体谐振器相当于辐射源，而第二谐振器和空气带隙谐振器相当于辐射器，其工作过程是：当同轴探针从底部馈电，电磁波由SMA同轴馈电结构传播到离子液体，能量通过SMA接头的探针伸进离子液体中，引发离子液体介质谐振，装满离子液体的第一谐振器可产生HEM_11δ模式，进而产生工作频点，电磁能量由第二谐振器集中，并辐射到空气。

在一个实施例中，使用电磁全波仿真软件CST对液体介质谐振器天线进行仿真分析和优化，对其结构参数，S参数以及辐射方向图进行了研究，如图4所示，衡量工作带宽的S参数值随频率的变化。从图4中所知，天线的工作频带为12.4GHz-16.5GHz(<-10dB)，其相对带宽为28.3％。

如图5至图9所示，给出了本发明在工作频带内不同频点的E面辐射方向图，从方向图中可以看出天线在Ku波段具有较高的辐射能力。具体的：

图5为12.6GHz的E面辐射方向图，增益为15.8dBi；

图6为13GHz的E面辐射方向图，增益为17dBi；

图7为14GHz的E面辐射方向图，增益为16.8dBi；

图8为15GHz的E面辐射方向图，增益为17.5dBi；

图9为16GHz的E面辐射方向图，增益为16.7dBi。

在本实施例中，利用一种特殊的离子液体、透明导电膜以及光敏树脂实现了一种工作在Ku波段的全透明超宽带高增益的液体介质谐振器天线。利用介电性能稳定并在高频段工作且损耗角正切小的特点首次实现在Ku波段的高辐射效率，可以克服常规液体水天线在高频段辐射性能大幅度降低的缺点；第二谐振器可以通过设置一定的斜度提高辐射的方向性(提高波束集中能力)，即可以大大提高液体天线的增益和辐射效率；通过调节空气带隙的大小可以较好地调节天线的阻抗匹配并实现天线的超宽带和工作频点的变化；利用离子液体谐振器、第一谐振器、空气带隙谐振器、单极子探针等多重谐振模式实现了天线在Ku波段的超宽带(12.4GHz-16.5GHz)的工作特性，相对带宽可达28.3％，使天线具备较高的辐射性能，并远远高于液体水天线在高频段的辐射效率；通过在底部圆盘地板下表面粘贴具有较高导电率的透明导电膜可以使之等效为金属反射板，起到反射电磁波的作用；在不利用任何金属结构的情况下，利用导电膜代替金属真正地实现天线结构的全透明。

本发明的液体介质谐振器天线的设计克服了现有常规水天线在高频段工作时辐射效率断崖式降低的缺点，充分发挥了离子液体在高频段的优良介电性能和透明导电膜代替金属的潜在价值，充分显示了离子液体介质谐振器天线的透光度、高增益，超宽带，结构灵活，绿色环保和易获取等优点，并创新性地提出利用高导电率的透明导电膜代替金属，实现了天线结构的完全去金属化，透光率高达80％以上，真正实现了液体天线的全透明，最后利用多重介质谐振模式叠加的原理实现了天线的超宽带工作特性。本发明可用于适应复杂通信环境的新型天线、基站天线、物联网等多领域中。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种全透明超宽带高增益的液体介质谐振器天线，其特征在于，包括：第一谐振器、离子液体谐振器、同轴馈电端口和地板；

所述第一谐振器呈筒状结构且固定设在所述地板上，所述第一谐振器内部设有离子液体，以构成所述离子液体谐振器；

所述同轴馈电端口的一端的内导体伸入所述离子液体中，所述同轴馈电端口的另一端与所述地板相连；

还包括：第二谐振器；所述第二谐振器固定设在所述第一谐振器的顶部；

还包括：空气带隙谐振器；所述第二谐振器中央设有空气带隙，以构成所述空气带隙谐振器；所述空气带隙谐振器从底部到顶部贯穿所述第二谐振器。

2.根据权利要求1所述的液体介质谐振器天线，其特征在于，所述离子液体为TPC。

3.根据权利要求2所述的液体介质谐振器天线，其特征在于，所述第二谐振器呈柱状结构，且所述第二谐振器的截面积沿底部到顶部的方向上逐渐增大。

4.根据权利要求3所述的液体介质谐振器天线，其特征在于，所述第二谐振器呈倒置的圆台结构，所述第二谐振器的母线斜度为41°。

5.根据权利要求1至4任一项所述的液体介质谐振器天线，其特征在于，还包括：导电膜；

所述导电膜采用TCF，固定设在所述地板的底部，以用于反射电磁波。

6.根据权利要求3或4所述的液体介质谐振器天线，其特征在于，还包括：顶盖；

所述第一谐振器的顶部开口，所述顶盖固定设在所述第一谐振器的开口上；

所述顶盖上设有一个以上交换孔，用于排入、抽出所述离子液体或排气。

7.根据权利要求6所述的液体介质谐振器天线，其特征在于，所述地板、所述第一谐振器、所述第二谐振器和所述顶盖均由光敏树脂材料制成。

8.根据权利要求3或4所述的液体介质谐振器天线，其特征在于，所述第二谐振器采用一体成型或拼接成型。

9.根据权利要求3或4所述的液体介质谐振器天线，其特征在于，所述第二谐振器上设有镂空。

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