CN114824763A - 一种微带线馈电的离子液体天线 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种微带线馈电的离子液体天线，包括：基台以及设在所述基台上的介质谐振器；所述基台包括相叠设置的地板以及介质板，所述介质谐振器设在所述地板上；所述基台上对应所述介质谐振器的位置设有耦合槽，所述耦合槽贯穿所述地板和所述介质板；所述介质板的底部设有微带线，所述微带线与所述耦合槽相交；所述介质谐振器为顶部开口底部密封且内部设有中空容纳腔体的筒状结构；所述容纳腔体中设有离子液体，以形成辐射源；还包括：同轴探针；所述同轴探针的内导体穿过所述基台后伸入所述离子液体中，所述同轴探针的外导体穿过所述介质板后与所述地板相连。本申请能够实现非金属液体天线采用微带线馈电。

Description

一种微带线馈电的离子液体天线

技术领域

本申请涉及天线技术领域，特别是涉及一种微带线馈电的离子液体天线。

背景技术

随着无线通信系统的蓬勃发展，天线作为无线通信系统的“眼睛”，在无线通信系统中起着至关重要的作用。

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，由于其除馈电装置外不包含金属部分，几乎不存在往往制约天线效率的导体损耗，这在制作高效率天线上吸引了广大研究者的兴趣。

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。液态金属天线主要采用的材料为水银，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，现有的非金属液体天线都是采用同轴馈电，需要人工焊接操作，馈电方式比较繁琐，生产效率不高。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种微带线馈电的离子液体天线，能够实现非金属液体天线采用微带线馈电。

一种微带线馈电的离子液体天线，包括：基台以及设在所述基台上的介质谐振器；

所述基台包括相叠设置的地板以及介质板，所述介质谐振器设在所述地板上；所述基台上对应所述介质谐振器的位置设有耦合槽，所述耦合槽贯穿所述地板和所述介质板；所述介质板的底部设有微带线，所述微带线与所述耦合槽相交；

所述介质谐振器为顶部开口底部密封且内部设有中空容纳腔体的筒状结构；所述容纳腔体中设有离子液体，以形成辐射源。

在一个实施例中，还包括：同轴探针；

所述同轴探针的内导体穿过所述基台后伸入所述离子液体中，所述同轴探针的外导体穿过所述介质板后与所述地板相连。

在一个实施例中，所述介质谐振器为圆柱形的结构，所述基台为正方形的结构，所述耦合槽与所述微带线均为矩形的结构；

所述基台、所述介质谐振器、所述耦合槽以及所述微带线的中心重合。

在一个实施例中，所述同轴探针的中心设在所述基台的对角线上。

在一个实施例中，所述同轴探针的内导体与所述介质谐振器的内壁抵接。

在一个实施例中，所述微带线与所述耦合槽垂直，且所述微带线与所述基台的一个边垂直。

在一个实施例中，所述微带线的一端与所述介质板的边重合，且所述微带线的长度大于所述基台边长的二分之一。

在一个实施例中，所述离子液体与所述介质谐振器的介电常数之差的绝对值小于等于1。

在一个实施例中，所述离子液体为三己基十四烷基氯化膦。

在一个实施例中，所述介质谐振器的材质为光敏树脂。

上述微带线馈电的离子液体天线，设置了地板、介质板、耦合槽与微带线一起形成缝隙耦合馈电，且选择离子液体作为辐射源，实现了微带线缝隙耦合馈电的离子液体天线，也就是能够实现非金属液体天线采用微带线馈电。本申请是一种新型液体天线，有着广泛的应用前景。

附图说明

图1为一个实施例中微带线馈电的离子液体天线的立体结构示意图；

图2为一个实施例中微带线馈电的离子液体天线的结构正视图；

图3为一个实施例中微带线馈电的离子液体天线的结构俯视图；

图4为一个实施例中工作于wimax频段的TM01模S11带宽曲线图；

图5为一个实施例中工作于5Gwifi频段的HEM11模S11带宽曲线图；

图6为一个实施例中工作于wimax频段的TM01模XoZ面辐射方向图；

图7为一个实施例中工作于wimax频段的TM01模XoY面辐射方向图；

图8为一个实施例中工作于5Gwifi频段的HEM11模XoZ面辐射方向图；

图9为一个实施例中工作于5Gwifi频段的HEM11模XoY面辐射方向图。

附图说明：

基台1，地板11，介质板12，耦合槽13，微带线14，介质谐振器2，离子液体21，内导体22，外导体23。

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，本申请提供的一种微带线馈电的离子液体天线，在一个实施例中，包括：基台1以及设在基台1上的介质谐振器2；

基台1包括相叠设置的地板11以及介质板12，介质谐振器2设在地板1上；基台1上对应介质谐振器2的位置设有耦合槽13，耦合槽13贯穿地板11和介质板12；介质板12的底部设有微带线14，微带线14与耦合槽13相交；

介质谐振器2为顶部开口底部密封且内部设有中空容纳腔体的筒状结构；容纳腔体中设有离子液体21，以形成辐射源。

本实施例不限制基台和介质谐振器2的形状和尺寸，可以根据实际需求进行具体设计。

地板11和介质板12的形状和尺寸完全一致，且地板11设在介质板12的上方。地板11采用金属材料，介质板12采用非金属材料，例如FR4。优选地，介质板的材质为罗杰斯5880，介质损耗较小，有利于提高天线的增益。

耦合槽13可以看做一个贯穿基台的通孔，优选地，通孔为矩形。

优选地，介质谐振器2还设有上盖，以避免离子液体溢出。

离子液体作液体天线的辐射材料，可以选择三己基十四烷基氯化膦(trihexyltetradecyl phosphonium chloride，即TPC)、1-乙基-3-甲基二氰胺、乙酸乙酯、丙酮、乙腈或油等。

离子液体的液态工作范围大，可致使其工作性能随温度变化不敏感；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；损耗角正切值非常小，并且随温度和频率变化波动范围小，在高频段工作时辐射效率也高。离子液体的性能非常稳定，是可以代替水天线的辐射材料，有效地避免了常规水天线在高频段工作时损耗急剧增大且天线辐射效率降低的缺点，使得天线在高频段仍旧保持较高的辐射效率。

优选地，离子液体选择TPC，其液态工作范围为-69.8℃—350℃，常温下相对介电常数约为3且随频率保持稳定，电导率约为0.00025S/m，损耗角正切约为0.002，几乎没有导电性，是产生介质谐振的理想材料，液态工作范围大，适应环境能力强，并且随着频率的升高，介质的损耗几乎没有影响，仍然保持较低的值，有利于实现较高的天线效率，且是透明的，有利于实现天线的隐身。

天线本质上是一个场-路转换器，其工作原理是把空间中的电磁波能量收集起来转换成导行波然后通过射频线缆将其传输至无线通信系统进行处理，亦或反之。

本实施例的工作原理是：地板、介质板、耦合槽与微带线一起共同组成缝隙耦合馈电，电磁波由微带线传入，并沿微带线传输，地板在微带线与地板间产生谐振，然后通过耦合槽将产生的谐振电磁能量泄露到介质谐振器中，介质谐振器产生谐振，从而产生辐射，最后将电磁波辐射到大气中。此外，地板还反射介质谐振器产生的辐射，保证介质谐振器产生的辐射不向下方传递，而是反射到上方；介质基板将微带线与地板隔开，避免短路不能产生谐振的情况。

上述微带线馈电的离子液体天线，设置了地板、介质板、耦合槽与微带线一起形成缝隙耦合馈电，且选择离子液体作为辐射源，实现了微带线缝隙耦合馈电的离子液体天线，也就是能够实现非金属液体天线采用微带线馈电。本申请是一种新型液体天线，有着广泛的应用前景。

在一个实施例中，还包括：同轴探针；同轴探针的内导体22穿过基台后伸入离子液体21中，同轴探针的外导体23穿过介质板12后与地板11相连。

在本实施例中，可以同时实现微带线馈电与同轴馈电的离子液体天线，采用一种天线结构实现了双馈激励介质谐振器工作，解决了现有技术中一个天线只有一种功能的技术问题，实现一天线两用，节省生产成本。

优选地，介质谐振器2为圆柱形的结构，基台为正方形的结构，耦合槽与微带线均为矩形的结构；基台、介质谐振器、耦合槽以及微带线的中心重合。

在本实施例中，天线采用双馈激励介质谐振器工作，其中，微带线馈电用于激励介质谐振器的TM01模，工作在wimax频段(2.5-2.7GHz)，同轴馈电用于激励介质谐振器的HEM11模，工作在wifi频段(5.15-5.25GHz，5.25-5.35GHz，5.47-5.525GHz)。由于两种馈电方式分别对应天线的两个模式，从而实现模式可重构；因这两种模式对应两种不同的工作频段，从而实现频率可重构；又因这两种模式所对应的远场方向图不同，从而实现方向图可重构；从而最终利用双馈方式实现了模式、频率、方向图均可重构的离子液体天线，且可以在wifi/wimax频段切换，实现的一天线两用，有利于节约成本，可广泛应用于基站、手机、路由器等通信设备上。

进一步优选地，同轴探针的中心设在基台1的对角线上，可以提高两端口的隔离度。

更进一步优选地，同轴探针的内导体22与介质谐振器2的内壁抵接，使得两个馈电端口(微带线与同轴探针)的间距较大，从而进一步有效提高了两端口的隔离度。

在一个实施例中，微带线14与耦合槽13垂直，且微带线14与基台1的一个边垂直，从而有利于微带线馈电，可以很好的将电磁能量馈入上方的介质谐振器2中。

在一个实施例中，微带线14的一端与介质板12的边重合，且微带线14的长度大于基台边长的二分之一，从而有利于微带线14馈电，微带线14上的电磁可以经过耦合槽13并传入上方的介质谐振器2中。

在一个实施例中，离子液体21与介质谐振器2的介电常数之差的绝对值小于等于1。

上述设置可以最大程度上减少因辐射介质(离子液体)与所盛装容器(介质)的相对介电常数差异过大导致的电磁波在不同介质之间来回反射折射从而导致的方向图畸变等不利影响。

介电常数之差越小越好，可以根据实际情况具体设置离子液体与介质谐振器的介电常数。

优选地，离子液体21为三己基十四烷基氯化膦，介质谐振器的材质为光敏树脂。离子液体的相对介电常数约为3，光敏树脂的相对介电常数约为3.2，两者的介电常数接近。

在一个实施例中，介质谐振器2的材质为光敏树脂。

光敏树脂的介电损耗较小，约为0.02，是可以接受作为设计天线用的材料。光敏树脂由3d打印技术形成，且也是透明的，有利于进一步实现天线的隐身。

在一个具体的实施例中，基台、地板和介质板均为正方形的结构，边长为50mm，地板的厚度为0.035mm，介质板的厚度为1.575mm；耦合槽和微带线均为矩形的结构，耦合槽的长度为29mm，宽度为2mm，微带线的长度为55mm，宽度为4.85mm，厚度为0.035mm；介质谐振器为圆柱形的结构，半径为30mm，高度为50mm，壁厚为1.2mm；同轴探针为50欧姆，与地板中心的距离为28.7mm，内导体的半径为1.2mm，长度为50mm，外导体的半径为4.2mm，长度为9mm；基台、耦合槽、微带线以及介质谐振器的中心重合，介质谐振器的材质为光敏树脂，离子液体选用三己基十四烷基氯化膦。

本申请使用电磁全波仿真软件CST对微带线馈电的离子液体天线进行仿真分析和优化，对其性能进行了研究和验证。

如图4所示wimax频段TM01模S11的带宽图，横坐标为频率(单位GHz)，纵坐标为S参数(单位dB)，可以看出工作于wimax频段(2.5-2.7GHz)的TM01模带宽为2.47-2.70GHz，覆盖整个wimax频段。

如图5所示5Gwifi频段HEM11模S11的带宽图，横坐标为频率(单位GHz)，纵坐标为S参数(单位dB)，可以看出工作于5Gwifi频段(5.15-5.525GHz)的HEM11模带宽为4.21-6.35GHz，覆盖整个5Gwifi频段。

如图6至图9所示TM01模和HEM11模的XoZ面和XoY面辐射方向图，从图中可以看出天线辐射波束较宽，最大增益分别为6.645dBi@2.6GHz和10.05dBi@5.2GHz。

图6中，频率为2.6GHz，主瓣幅度为6.44dBi，主瓣方向为2°，3dB波束宽度为69.6°，旁瓣电平-8.4dB。

图7中，频率为2.6GHz，主瓣幅度为-2.14dBi，主瓣方向为86°，3dB波束宽度为101.4°，旁瓣电平-1.0dB。

图8中，频率为5.2GHz，主瓣幅度为4.15dBi，主瓣方向为68°，3dB波束宽度为47.3°，旁瓣电平-4.4dB。

图9中，频率为5.2GHz，主瓣幅度为5.97dBi，主瓣方向为225°，3dB波束宽度为26.9°，旁瓣电平-3.8dB。

本申请中的离子液体天线实现了以下性能：

一、带宽

1.工作于wimax频段(2.5-2.7GHz)的TM01模带宽为2.47-2.70GHz，覆盖整个wimax频段。

2.工作于5Gwifi频段(5.15-5.525GHz)的HEM11模带宽为4.21-6.35GHz，覆盖整个5Gwifi频段。

二、增益及效率

1.工作于wimax频段(2.5-2.7GHz)的TM01模增益为6.645dBi@2.6GHz，天线效率为93.8％。

2.工作于5Gwifi频段(5.15-5.525GHz)的HEM11模增益为10.05dBi@5.2GHz，天线效率为95.9％。

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 (10)

1.一种微带线馈电的离子液体天线，其特征在于，包括：基台以及设在所述基台上的介质谐振器；

所述基台包括相叠设置的地板以及介质板，所述介质谐振器设在所述地板上；所述基台上对应所述介质谐振器的位置设有耦合槽，所述耦合槽贯穿所述地板和所述介质板；所述介质板的底部设有微带线，所述微带线与所述耦合槽相交；

所述介质谐振器为顶部开口底部密封且内部设有中空容纳腔体的筒状结构；所述容纳腔体中设有离子液体，以形成辐射源。

2.根据权利要求1所述的离子液体天线，其特征在于，还包括：同轴探针；

所述同轴探针的内导体穿过所述基台后伸入所述离子液体中，所述同轴探针的外导体穿过所述介质板后与所述地板相连。

3.根据权利要求2所述的离子液体天线，其特征在于，所述介质谐振器为圆柱形的结构，所述基台为正方形的结构，所述耦合槽与所述微带线均为矩形的结构；

所述基台、所述介质谐振器、所述耦合槽以及所述微带线的中心重合。

4.根据权利要求3所述的离子液体天线，其特征在于，所述同轴探针的中心设在所述基台的对角线上。

5.根据权利要求4所述的离子液体天线，其特征在于，所述同轴探针的内导体与所述介质谐振器的内壁抵接。

6.根据权利要求3至5任一项所述的离子液体天线，其特征在于，所述微带线与所述耦合槽垂直，且所述微带线与所述基台的一个边垂直。

7.根据权利要求3至5任一项所述的离子液体天线，其特征在于，所述微带线的一端与所述介质板的边重合，且所述微带线的长度大于所述基台边长的二分之一。

8.根据权利要求1至5任一项所述的离子液体天线，其特征在于，所述离子液体与所述介质谐振器的介电常数之差的绝对值小于等于1。

9.根据权利要求1至5任一项所述的离子液体天线，其特征在于，所述离子液体为三己基十四烷基氯化膦。

10.根据权利要求1至5任一项所述的离子液体天线，其特征在于，所述介质谐振器的材质为光敏树脂。

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