CN116315620A - 一种多参数可重构的液体天线 - Google Patents
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Abstract
本申请属于天线技术领域,涉及一种多参数可重构的液体天线,包括:第一介质层以及间隔设在所述第一介质层下方的第二介质层;所述第一介质层为板状结构,所述第一介质层上设有第一馈电端口,且所述第一介质层包括多个谐振器;所述第二介质层为板状结构,所述第二介质层上设有第二馈电端口,所述第二介质层包括第一谐振室以及第二谐振室;所述第一谐振室设在所述第二介质层的中部,所述第二谐振室相邻套设在所述第一谐振室的外侧,且所述第一谐振室的面积大于所述第一介质层的面积;多个谐振器、所述第一谐振室和/或所述第二谐振室中设有液体介质。采用本申请能够实现多参数可重构。
Description
技术领域
本申请涉及天线技术领域,特别是涉及一种多参数可重构的液体天线。
背景技术
天线作为一种信息的变换器,为减轻平台上所负载的天线重量、降低成本、减小平台的雷达散射截面实现良好的电磁兼容特性,不断朝着一个天线聚合多个天线的功能发展,这种天线被命名为可重构天线。
可重构天线的概念提出于20世纪60年代。可重构主要是通过调整状态可变器件,实现天线性能的可重构,与传统天线相比具有尺寸小、重量轻、利于实现分集等优点和广阔的发展前景。可重构天线按功能可分为频率可重构天线(包括实现宽频带和实现多频带)、方向图可重构天线、极化可重构天线和多电磁参数可重构天线。通过改变可重构天线的结构可以使天线的频率、方向图、极化方式等多种参数中的一种或几种实现重构。这样可以通过切换天线不同的状态使天线具有多种工作模式,有利于在传输中实现多种有效的分集。
现有技术中,传统极化可重构天线是由电控器件(如PIN二极管)进行状态切换从而实现调控的。
但是,这种天线存在下述问题:电控器件自带的非线性特性会导致天线性能的失真,降低天线的性能;电控器件的机械损耗和路径损耗降低了天线的工作效率,提高了系统的能源消耗;天线需要额外的控制电路,导致体积太大,难以实现小型化。
发明内容
基于此,有必要针对上述技术问题,提供一种多参数可重构的液体天线,能够无需控制电路实现天线的极化状态、工作频率和辐射模式可重构。
一种多参数可重构的液体天线,包括:第一介质层以及间隔设在所述第一介质层下方的第二介质层;
所述第一介质层为板状结构,所述第一介质层上设有第一馈电端口,且所述第一介质层包括多个谐振器;
所述第二介质层为板状结构,所述第二介质层上设有第二馈电端口,所述第二介质层包括第一谐振室以及第二谐振室;所述第一谐振室设在所述第二介质层的中部,所述第二谐振室相邻套设在所述第一谐振室的外侧,且所述第一谐振室的面积大于所述第一介质层的面积;
多个谐振器、所述第一谐振室和/或所述第二谐振室中设有液体介质,第一馈电端口馈电时,第一介质层作为辐射层,第二介质层作为地板层,控制液体介质在辐射层中不同谐振器的存在状态,第二馈电端口馈电时,第一介质层作为地板层,第二介质层作为辐射层,控制液体介质在辐射层中不同谐振室的存在状态,以实现多参数可重构。
在一个实施例中,所述第一介质层为旋转对称结构,包括:一个第一谐振器以及四个第二谐振器;
所述第一谐振器的横截面为正方形结构,所述第二谐振器的横截面为具有三个直角的轴对称五边形结构;四个所述第二谐振器间隔阵列设在所述第一谐振器的外侧,每个第二谐振器均与所述第一谐振器共用一个侧边,且每个第二谐振器中均有两个侧边与所述第一谐振器共线;
所述第一谐振器和/或所述第二谐振器中设有液体介质,以产生不同的极化模式。
在一个实施例中,所述第一介质层为具有多条对称轴的轴对称结构。
在一个实施例中,所述第一馈电端口设在所述第一介质层的中心。
在一个实施例中,所述第二介质层上设有馈电通孔,以固定第二馈电端口;
所述第二馈电端口包括:外导体、内导体以及探针;所述外导体与所述第二介质层的底部相连,所述内导体与所述探针相连;所述探针穿过所述馈电通孔后向所述第一介质层的方向延伸且与所述第一介质层之间具有空隙。
在一个实施例中,所述探针包括与第二介质层垂直的第一部分以及与第二介质层平行的第二部分,以形成“L”形结构;
所述第一部分的一端与所述内导体相连,另一端向所述第一介质层的方向延伸且与所述第一介质层之间具有空隙;
所述第二部分的一端与所述第一部分相连,另一端向所述第一介质层的中心方向延伸且与所述第一介质层的中心之间具有空隙。
在一个实施例中,所述第二部分的另一端指向所述第一介质层的中心所在的竖直线。
在一个实施例中,还包括:支撑层;
所述支撑层包括两个以上支撑柱,所述支撑柱的两端分别与所述第一介质层以及所述第二介质层相连。
在一个实施例中,所述支撑柱与所述第一馈电端口的距离相等。
在一个实施例中,所述液体介质为纯水。
上述多参数可重构的液体天线,设有两个介质层以及两个馈电端口,第一馈电端口馈电时,第一介质层作为辐射层,第二介质层作为地板层,利用液体介质的流动性,控制液体介质在辐射层中不同谐振器的存在状态,实现天线在多种线极化、左旋圆极化以及右旋圆极化这几种工作状态之间的切换,线极化状态下可以实现多种不同频率的工作状态,实现频率可重构;第二馈电端口馈电时,第一介质层作为地板层,第二介质层作为辐射层,利用液体介质的流动性,控制液体介质在辐射层中不同谐振室的存在状态,实现频率可重构;上述两种辐射模式中都可以单独实现可重构,且工作频带以及频率可重构的范围不重叠。
附图说明
图1为一个实施例中一种多参数可重构的液体天线的立体图;
图2为一个实施例中一种多参数可重构的液体天线的立体透视图;
图3为一个实施例中一种多参数可重构的液体天线的俯视图;
图4为一个实施例中一种多参数可重构的液体天线的仰视图;
图5为一个实施例中一种多参数可重构的液体天线的侧视图;
图6为一个实施例中一种多参数可重构的液体天线的尺寸图,其中,(a)为俯视尺寸图,(b)为侧视尺寸图;
图7为一个实施例中一种多参数可重构的液体天线的S11曲线示意图;
图8为一个实施例中一种多参数可重构的液体天线的轴比曲线和增益曲线示意图;
图9为一个实施例中一种多参数可重构的液体天线的效率曲线示意图;
附图标记:
第一介质层1,第一谐振器11,第二谐振器12;
第二介质层2,第一谐振室21,第二谐振室22,第一部分23,第二部分24;
支撑层3,支撑柱31;
第一馈电端口41,第二馈电端口42。
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。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
需要说明,本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等,如果该特定姿态发生改变时,则该方向性指示也相应地随之改变。
另外,在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中,“多组”的含义是至少两组,例如两组,三组等,除非另有明确具体的限定。
在本申请中,除非另有明确的规定和限定,术语“连接”、“固定”等应做广义理解,例如,“固定”可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接,还可以是物理连接或无线通信连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
另外,本申请各个实施例之间的技术方案可以相互结合,但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础,当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在,也不在本申请要求的保护范围之内。
本申请提供了一种多参数可重构的液体天线,如图1至图5所示,在一个实施例中,包括:第一介质层1以及间隔设在所述第一介质层下方的第二介质层2;
所述第一介质层1为板状结构,所述第一介质层上设有第一馈电端口41,且所述第一介质层包括多个谐振器;
所述第二介质层2为板状结构,所述第二介质层上设有第二馈电端口42,所述第二介质层包括第一谐振室21以及第二谐振室22;所述第一谐振室设在所述第二介质层的中部,所述第二谐振室相邻套设在所述第一谐振室的外侧,且所述第一谐振室的面积大于所述第一介质层的面积;
多个谐振器、所述第一谐振室和/或所述第二谐振室中设有液体介质,以实现多参数可重构。具体地:第一介质层作为辐射层,第二介质层作为地板层时,辐射层中一个以上谐振器中设有液体介质,地板层中充满了液体介质;第一介质层作为地板层,第二介质层作为辐射层时,辐射层中一个以上谐振室中设有液体介质,地板层中充满了液体介质。
上述多参数可重构的液体天线,设有两个介质层以及两个馈电端口,第一馈电端口馈电时,第一介质层作为辐射层,第二介质层作为地板层,利用液体介质的流动性,控制液体介质在辐射层中不同谐振器的存在状态,实现天线在多种线极化、左旋圆极化以及右旋圆极化这几种工作状态之间的切换,线极化状态下可以实现多种不同频率的工作状态,实现频率可重构;第二馈电端口馈电时,第一介质层作为地板层,第二介质层作为辐射层,利用液体介质的流动性,控制液体介质在辐射层中不同谐振室的存在状态,实现频率可重构;上述两种辐射模式中都可以单独实现可重构,且工作频带以及频率可重构的范围不重叠。
在一个实施例中,第一介质层为旋转对称结构,包括:第一谐振器11以及第二谐振器12。第一谐振器的数量为一个,横截面为正方形结构;第二谐振器的数量为四个,横截面为具有三个直角的轴对称五边形结构;四个第二谐振器间隔阵列设在第一谐振器的外侧,每个第二谐振器均与第一谐振器共用一个侧边,且每个第二谐振器中均有两个侧边与第一谐振器共线。
优选地,第一介质层为具有多条对称轴的轴对称结构。具体地,第一介质层关于第一谐振器的对角线所在直线呈轴对称,且关于第一谐振器的对边中点所在直线呈轴对称,以在天线实现线极化或圆极化时提高天线的极化性能。
本实施例中,第一谐振器和/或第二谐振器中设有液体介质,也就是说,五个谐振器中的至少一个谐振器中设有液体介质,以产生不同的极化模式。具体地,每个谐振器均为具有一个顶面、一个底面以及多个侧面(第一谐振器具有四个侧面,第二谐振器具有五个侧面)的空心结构,顶面上设有通孔作为流通口,以加注或倒出液体介质,谐振器(第一谐振器以及第二谐振器)均采用透明塑料螺丝密封,实现气密性;当任一谐振器(第一谐振器或任一个第二谐振器)中设有液体介质时,液体天线实现线极化状态一(线极化状态一包括多种频段不同的线极化状态);当所有谐振器(第一谐振器和第二谐振器)中均设有液体介质时,液体天线实现线极化状态二;当第一谐振器以及两个相对的第二谐振器中设有液体介质时,液体天线实现圆极化(左旋圆极化或右旋圆极化)。例如,如图3所示的天线,以同轴馈电端口为起点,沿逆时针方向的四个第二谐振器分别为一号谐振器、二号谐振器、三号谐振器以及四号谐振器,当第一谐振器、一号谐振器以及三号谐振器中设有液体介质时,液体天线实现右旋圆极化,当第一谐振器、二号谐振器以及四号谐振器中设有液体介质时,液体天线实现左旋圆极化。
本实施例中,第二介质层设在第一介质层的下方,作为接地部件时反射电磁波,第二介质层作为地板时,构成了液体反射面,代替了金属地板;第一介质层的谐振器以及第二介质层均为中空结构,不同谐振器以及其中液体介质的厚度均较小,形成电壁结构,起到了类电壁的效果,束缚了电磁波,代替现有技术中的金属材料贴片实现天线的正常工作模式;同时,第二介质层与第一介质层之间具有空气间隙,设计两个液体介质层以及一个空气层,当液体介质为纯水时,纯水在低频段的损耗正切相对较小,不会降低天线的辐射效率,且纯水的导电性能非常低,电磁波被束缚在纯水地板层与纯水辐射层之间的空气层中形成了共振,进一步拓展了天线的辐射效率,使得天线在工作频段内的效率高于80%。
在一个实施例中,还包括:支撑层3。
支撑层连接第一介质层以及第二介质层,以使第二介质层平行间隔设在第一介质层下方,也就是第一介质层与第二介质层之间存在一定高度的空气层,空气层与水层之间形成了类电壁的作用,拓展了工作频带,提高了天线的辐射效率。
优选地,通过调节第一介质层与第二介质层之间空气层的高度,可以更好地调节天线的阻抗匹配,拓展天线的工作频带,提高天线的工作效率。
进一步优选地,支撑层3包括两个以上与地板垂直的支撑柱31,支撑柱的两端分别与第一介质层以及第二介质层相连;支撑柱与第一馈电端口的距离相等,以提供更好的支撑力。
在一个实施例中,第一馈电端口设在所述第一介质层的中心,且向远离第二介质层的方向垂直延伸,第一馈电端口与第二介质层之间具有空隙。
第二馈电端口通过第二介质层上的馈电通孔与第二介质层固定相连,以实现馈电。具体地,第二馈电端口包括:外导体、内导体以及探针;外导体与第二介质层的底部相连,内导体与探针相连;探针穿过馈电通孔后向第一介质层的方向延伸且与第一介质层之间具有空隙。
优选地,探针包括与第二介质层垂直的第一部分23以及与第二介质层平行的第二部分24,以形成“L”形结构;第一部分的一端与内导体相连,另一端向第一介质层的方向延伸且与第一介质层之间具有空隙;第二部分的一端与第一部分相连,另一端向第一介质层的中心方向延伸且与第一介质层的中心之间具有空隙。本实施例中,“L”形结构的探针可以拓展天线的阻抗带宽,使阻抗带宽能够包含轴比带宽,从而提升天线的圆极化性能。
进一步优选地,第二部分的另一端指向第一介质层的中心所在的竖直线,且与支撑柱不存在干涉,以平衡左旋圆极化性能以及右旋圆极化性能,使左旋圆极化的带宽与右旋圆极化的带宽对称,且提高圆极化的轴比带宽和阻抗带宽。
本申请中,适用于多种液体介质,可以根据实际情况进行具体设置。
优选地,液体介质为纯水。纯水的液态工作范围为0℃-100℃,常温下相对介电常数约为78.4,电导率约为0.0000056 S/m,损耗角正切为0.07-0.13,相比其他液体介质,纯水的化学性质稳定,可以保证天线的辐射效率;纯水极少与其它材料产生化学反应,不限制设计容器的材料选择,适用范围广;纯水具有高透光率和高透明性,进一步提高了天线的整体透明性,且绿色环保、易获取、可重复利用,降低了天线的成本。
需要说明:第一介质层、支撑层以及第二介质层均由光敏树脂材料制成。光敏树脂材料的介电常数在常温下为2.8—3.3左右,介电损耗为0.01—0.03,具有高透光率和高透明性,整个天线除馈电结构(即同轴馈电端口)外均为光学透明的,透光率高达80%以上,可以实现天线的“隐身”特性。
还需要说明:第一介质层、支撑层以及第二介质层可以采用3D打印技术加工制作,以使天线的制备方便快捷。
上述多参数可重构的液体天线,是一种液体介质谐振器天线,设置了包括谐振器的第一介质层以及包括谐振室的第二介质层,并在谐振器和谐振室中填充了高介电常数的液体介质,使辐射层与液体介质形成类电壁的效果,近似于金属贴片,利用液体介质的流动性,控制液体介质在辐射层中不同谐振器的存在状态,实现天线在多种线极化、左旋圆极化以及右旋圆极化这几种工作状态之间的切换,线极化状态下可以实现多种不同频率的工作状态,实现频率可重构,还能够利用液体介质的流动性,控制液体介质在辐射层中不同谐振室的存在状态,实现频率可重构,无需额外的电控设备以及控制电路即可实现天线的极化可重构和频率可重构,同时抑制了天线的非线性失真,保证了天线的工作效率,减少了天线的体积,具有灵活的调控方式,实现了天线的小型化;同时,地球的相对介电常数平均值为15,地球通常被认为是天线的不完美地平面,无论是地面蒸馏水或铜,高介电常数的液体材料在代替地板时,有近乎相似的辐射模式和效率,采用液体介质作为辐射源,液体介质具备易获取、流动性强、可重构性强、透明性高的优点,基于其优越的流动性,可以控制液体的形状和体积,以提供灵活的调谐方法,进而实现对天线电参数的重构;而且,本申请的天线为全透明的(除馈电结构外),具有光学透明特性,能够进行能量收集,增强天线的隐身性、美观性;本天线结构简单、制备方便、易于加工、成本低、可重构性强、可重构灵活,广泛适用于多种复杂通信环境场景,例如新型天线、基站天线、无线通信系统、物联网、车联网、气象雷达通信、太阳能收集系统等多领域,有利于可重构天线的发展和应用,工程应用前景广阔。
本申请使用电磁全波仿真软件CST对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。
图7为本天线在第一馈电端口(即端口一)馈电状态下和第二馈电端口(即端口二)馈电状态下S11参数值随频率的变化曲线示意图。从图7可以看出,第一馈电端口馈电时有四种极化状态(线极化状态一、线极化状态二、左旋圆极化以及右旋圆极化):左旋圆极化(即LHCP)和右旋圆极化(即RHCP)状态下天线的反射系数S11低于-10dB的频段为1.95 GHz-2.45 GHz,其阻抗带宽为500MHz,其相对带宽约为21.0%;线极化状态1(即LP_状态1)下天线的阻抗带宽为2.10 GHz -2.45GHz,线极化状态2(即LP_状态2)下天线的阻抗带宽为2.0GHz -2.3 GHz,天线在线极化状态下可以在2.0 GHz -2.45 GHz的频段里实现频率可重构。另外,第二馈电端口馈电时可以实现工作频率带宽可重构,仅第一谐振室注水时,阻抗带宽为2.95 GHz -3.40 GHz;当第一谐振室与第二谐振室均注水时,阻抗带宽为2.90 GHz -3.25 GHz。
图8为本天线在第一馈电端口馈电时左旋圆极化和右旋圆极化下的轴比曲线和增益曲线。从图8可以看出,天线的3dB轴比带宽为167MHz,约为7.1%;其中,RHCP在2.36GHz频点处轴比最小,圆极化效果最佳;LHCP在2.35GHz频点处轴比最小,圆极化效果最佳。
图9为本天线在第一馈电端口馈电时和第二馈电端口馈电时天线的效率曲线。从图9可以看出,天线在第一馈电端口馈电和第二馈电端口馈电时效率均大于80%。当第一馈电端口馈电时,天线在圆极化状态时效率为82%-87%,线极化状态时为92%左右;当第二馈电端口馈电时,整个辐射效率均大于90%。这也证明了使用纯水材料作为极化方式的控制方案能得到较高的天线辐射效率。
图10和图11为本天线在第一馈电端口馈电时左旋圆极化和右旋圆极化下2.5GHz的辐射方向图。从图10中可以看到xoz平面(即)和yoz平面(即/>)的方向图,其中,LHCP是主极化,RHCP是交叉极化。从图11中可以看出,RHCP是主极化,LHCP是交叉极化。
上述多参数可重构的液体天线,第一馈电端口馈电时工作频带为1.95GHz-2.45GHz,相对带宽为21.0%,在3dB的轴比带宽约为7.1%,实现在线极化、左旋圆极化右旋圆极化间的切换;第二馈电端口馈电时可以实现在阻抗带宽为2.95 GHz -3.40 GHz和阻抗带宽为2.90 GHz -3.25 GHz两种状态下的频率可重构。在工作频段内的效率高于80%,天线整体结构透明度大于80%,是一种各种性能均表现优越的天线。
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本申请专利范围的限制。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)
1.一种多参数可重构的液体天线,其特征在于,包括:第一介质层以及间隔设在所述第一介质层下方的第二介质层;
所述第一介质层为板状结构,所述第一介质层上设有第一馈电端口,且所述第一介质层包括多个谐振器;
所述第二介质层为板状结构,所述第二介质层上设有第二馈电端口,所述第二介质层包括第一谐振室以及第二谐振室;所述第一谐振室设在所述第二介质层的中部,所述第二谐振室相邻套设在所述第一谐振室的外侧,且所述第一谐振室的面积大于所述第一介质层的面积;
多个谐振器、所述第一谐振室和/或所述第二谐振室中设有液体介质,第一馈电端口馈电时,第一介质层作为辐射层,第二介质层作为地板层,控制液体介质在辐射层中不同谐振器的存在状态,第二馈电端口馈电时,第一介质层作为地板层,第二介质层作为辐射层,控制液体介质在辐射层中不同谐振室的存在状态,以实现多参数可重构。
2.根据权利要求1所述的多参数可重构的液体天线,其特征在于,所述第一介质层为旋转对称结构,包括:一个第一谐振器以及四个第二谐振器;
所述第一谐振器的横截面为正方形结构,所述第二谐振器的横截面为具有三个直角的轴对称五边形结构;四个所述第二谐振器间隔阵列设在所述第一谐振器的外侧,每个第二谐振器均与所述第一谐振器共用一个侧边,且每个第二谐振器中均有两个侧边与所述第一谐振器共线;
所述第一谐振器和/或所述第二谐振器中设有液体介质,以产生不同的极化模式。
3.根据权利要求2所述的多参数可重构的液体天线,其特征在于,所述第一介质层为具有多条对称轴的轴对称结构。
4.根据权利要求3所述的多参数可重构的液体天线,其特征在于,所述第一馈电端口设在所述第一介质层的中心。
5.根据权利要求4所述的多参数可重构的液体天线,其特征在于,所述第二介质层上设有馈电通孔,以固定第二馈电端口;
所述第二馈电端口包括:外导体、内导体以及探针;所述外导体与所述第二介质层的底部相连,所述内导体与所述探针相连;所述探针穿过所述馈电通孔后向所述第一介质层的方向延伸且与所述第一介质层之间具有空隙。
6.根据权利要求5所述的多参数可重构的液体天线,其特征在于,所述探针包括与第二介质层垂直的第一部分以及与第二介质层平行的第二部分,以形成“L”形结构;
所述第一部分的一端与所述内导体相连,另一端向所述第一介质层的方向延伸且与所述第一介质层之间具有空隙;
所述第二部分的一端与所述第一部分相连,另一端向所述第一介质层的中心方向延伸且与所述第一介质层的中心之间具有空隙。
7.根据权利要求6所述的多参数可重构的液体天线,其特征在于,所述第二部分的另一端指向所述第一介质层的中心所在的竖直线。
8.根据权利要求4至7任一项所述的多参数可重构的液体天线,其特征在于,还包括:支撑层;
所述支撑层包括两个以上支撑柱,所述支撑柱的两端分别与所述第一介质层以及所述第二介质层相连。
9.根据权利要求8所述的多参数可重构的液体天线,其特征在于,所述支撑柱与所述第一馈电端口的距离相等。
10.根据权利要求1至7任一项所述的多参数可重构的液体天线,其特征在于,所述液体介质为纯水。
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