CN207517889U - 一种双管单极子液体天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种双管单极子液体天线，包括有内外嵌套式双管、带通孔的底座、同轴馈电端口、馈电探针和金属地板；其中，所述内外嵌套式双管垂直安装在底座上，内管注入有非导体液体，内、外管之间注入有导体液体，所述底座固定在金属地板上，所述馈电探针的一端穿过金属地板后伸进底座的通孔与内管中的非导体液体相接触，其另一端安装上同轴馈电端口；内管中的非导体液体和外管中的导体液体引入两个不同的模式，通过调节内管和外管的尺寸控制两个模式的频率，通过调节两液体间的间隙位置实现模式耦合，最终实现宽频带特性。本实用新型天线结构简单，同时具有高辐射效率和宽带的特点，可应用于无线通信系统设备。
Description
技术领域
本实用新型涉及天线的技术领域，尤其是指一种双管单极子液体天线。
背景技术
随着通讯系统的对小尺寸的要求越来越高，通讯应用对天线的小体积、高效率和高增益等要求也越来越高。在通讯领域的某些系统中，传统天线已不能满足相应要求，新型天线应运而生。
传统天线的主要材料为金属，而液体天线则以具有导电性质的液体代替金属材料作为天线的辐射单元。作为众多新型天线的一种，液体天线具有以下优点：1、体积小，介质谐振器天线以液体材料作为介质时，天线尺寸原理上可以减少这个系数因子；2、易构型和具有可重构性，液体具有流动性，易于把天线加工成预期的构型，且可通过改变液体流的高度和直径来实现谐振频率和带宽的改变；3、相对金属材料成本较低；4、小雷达截面，当天线暂停使用时，可排空其中的液体，介质容器的雷达截面小于金属；5、便于传输。
对于使用离子液体作为辐射单元的液体天线，可追溯到2000年，当时使用的是盐水，并引入了“离子液体天线”的概念。2005年，E.Paraschakis等人使用食盐水作天线辐射单元，通过调节不同的盐水浓度、不同的PVC管径以及不同的水深可以获得频率、阻抗带宽的可重构特性。最早的实用液体天线当属海水天线，由于海水是地球上容易获取的一种液体，特别是在海洋环境下，所以海水天线主要用于海事通信和舰船通信。2012年，D.W.Tam提出了一款海水单极子天线，水泵喷射出水柱作为单极子天线的辐射体，水柱的长度决定天线的工作频率，水柱直径的大小决定带宽。2012年，Lei Xing、Yi Huang等人在海水与地板之间加载介质，拓宽了阻抗带宽。2015年，Yi Huang等人在中对加载介质层对谐振频率以及辐射效率的影响进行了分析。2014年，Zhongxiang Shen等人利用顶端加载金属圆盘的馈电探针激励海水单极子天线来改善天线的辐射效率，文中分析了海水浓度，海水的半径对辐射效率的影响。2015年，Zhongxiang Shen等人提出了利用并联馈电结构改善海水天线的辐射效率，通过调节导体管高度以及短路点的位置调节阻抗匹配以及辐射效率。2014年，Zhenxin Hu，Zhongxiang Shen等人提出了一款基于周期水槽的漏波天线，通过调节水槽的宽度和之间的间距可实现天线方向图的可重构。
1983年，Long的文章发表后，介质谐振器作为天线的想法才被广泛接受并逐渐被关注和研究。近年来，由于蒸馏水具有较高的介电常数，为小型化介质谐振器天线提供了一种新的设计方案，而且由于水的流动性，可以避免介质与地板以及介质与馈电探针之间的缝隙，从而避免由此带来的对谐振与阻抗的影响。H.Fayad等人提出了利用一个可变高度的液体水介质谐振器天线。当纯水工作在1GHz以上时，其介质特性随频率的变化趋势越来越大。盐水中的金属离子会缓冲水的介电常数的频率响应，但是由于金属离子的存在增加了介质谐振器天线的导体损耗，降低了天线的辐射效率。2013年，Rongguo Zhou等人提出了基于水介质谐振器理论对液体的介质特性进行测量的方法。为了充分利用水介质谐振器的频率可调优点，Steven G.O’Keefe于2007年利用可变的馈电结构实现了宽带可调水天线。对于水介质谐振器天线，较高的介电常数导致阻抗带宽变窄。为了得到宽带特性，Yi Huang等人提出了一种混合结构的天线，利用馈电结构以及水介质谐振器形成多模天线结构。此混合结构在|S11|<-6dB的条件下相对带宽可达71.8％，辐射效率在70％以上。2013年，K.M.Luk等人提出，通过将微带天线中的金属贴片换成一个高介电常数的薄介质板，形成一个新型的介质贴片天线，命名为“dense dielectric patch antenna”，在微波低频段，与微带天线有类似的特性。2015年，Luk等人利用水的高介电常数特性设计了一款水介质贴片天线，其场分布主要集中在水与地板之间介质层，而水中的场分布较弱，从而可以减小由于水的介质损耗所引起的辐射损耗，继而提高了水天线的辐射效率。2015年，Y.Huang教授等人设计了一款基于水加载的紧凑型频率可重构的DVB-H天线，天线具有很小的尺寸。2008年，A.Traille等人提出了一种用于生物信号检测的新型液体天线，将液体天线的概念用于生物医疗领域。
发明内容
本实用新型的目的在于解决液体天线在较高频段(>2GHz)的低效率的问题，提出了一种双管单极子液体天线，该天线结构简单，同时具有高辐射效率和宽带的特点，可应用于无线通信系统设备。
为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种双管单极子液体天线，包括有内外嵌套式双管、带通孔的底座、同轴馈电端口、馈电探针和金属地板；其中，所述内外嵌套式双管垂直安装在底座上，内管注入有非导体液体，内、外管之间注入有导体液体，所述底座固定在金属地板上，所述馈电探针的一端穿过金属地板后伸进底座的通孔与内管中的非导体液体相接触，其另一端安装上同轴馈电端口；内管中的非导体液体和外管中的导体液体引入两个不同的模式，通过调节内管和外管的尺寸控制两个模式的频率，通过调节两液体间的间隙位置实现模式耦合，最终实现宽频带特性。
所述底座的高度达λ/100-λ/4，λ为工作频率的波长。
所述内外嵌套式双管为同轴亚克力双管或同轴聚四氟乙烯双管。
所述非导体液体为蒸馏水。
所述导体液体为盐水。
所述双管和底座为同心的圆柱体。
所述底座为聚四氟乙烯底座。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、与已有的单极子液体天线比较，本实用新型通过双管结构引入两种不同的液体，内外管中的液体各自引进的模式有效增加阻抗带宽，液柱同轴的目的是在电场最强点激励两个模式，实现良好匹配，同时内管中液体与底座的共同作用形成了液体谐振器天线(DRA)，有效提高了单极子液体天线的辐射效率。
2、与已有的单极子液体天线比较，本实用新型的双管结构采用非外置同轴形式，有效实现天线的小型化。同时，内外管中两液柱的耦合可以通过调节两液柱的间隙，即内管位置来实现。
附图说明
图1为双管单极子液体天线的正视图。
图2为双管单极子液体天线的立体图。
图3为双管单极子液体天线的S参数仿真结果图。
图4为双管单极子液体天线的辐射效率仿真结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1和图2所示，本实施例所提供的双管单极子液体天线，包括内外嵌套式双管、带通孔的底座3、同轴馈电端口4、馈电探针5和金属地板6；其中，所述内外嵌套式双管为同轴双管，双管的材料可以是亚克力、聚四氟乙烯或其它电介质材料，而在本实施例优选亚克力，所述底座3的材料是聚四氟乙烯或其它固态低损耗介质，而在本实施例优选聚四氟乙烯；所述内外嵌套式双管和底座3均为同心的圆柱体，且该内外嵌套式双管垂直安装在底座3上，内管1注入有非导体液体(优选蒸馏水)，内、外管1、2之间注入有导体液体(优选盐水)，所述底座3固定在金属地板6上，所述馈电探针5的一端穿过金属地板6后伸进底座3的通孔与内管1中的非导体液体相接触，其另一端安装上同轴馈电端口4。
如图3所示，内管1中的非导体液体和外管2中的导体液体分别引入两个不同的模式，图中两个谐振点由两个液柱分别控制。谐振点31由非导体液体柱的半径和高度决定，谐振点32由导体液体柱的半径和高度决定。液柱同轴的目的是在电场最强点激励两个模式，实现良好匹配。通过调节两液柱间的间隙实现模式耦合，两个模式通过频率控制有效结合实现宽带特点，-15dB相对带宽可达50％。并且，通过内嵌非导体液体柱的方式形成液体DRA，使天线辐射效率最高可达85％以上。
如图4所示，天线实现了高辐射效率的特点。辐射效率的提高归功于两点，一是非导体液体柱的内嵌，具体是蒸馏水的内嵌，二是聚四氟乙烯底座的高度可以达λ/100-λ/4(优选λ/10)，λ为工作频率的波长。蒸馏水DRA本身具有效率高的特点，双管同轴在实现宽带的同时提高了天线的辐射效率；又由于水的相对介电常数较大，约为81，而聚四氟乙烯底座的介电常数只有2.08，电磁场能量主要集中在介电常数较小的材料，即聚四氟乙烯中，且聚四氟乙烯的损耗小于水的介质损耗，适当增加聚四氟乙烯的高度可以有效提高天线辐射效率。
通过以上分析可以知道，本实用新型天线具有高辐射效率、宽带、改善阻抗匹配的性能，值得推广。
以上所述实施例只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。
Claims (7)
1.一种双管单极子液体天线，其特征在于：包括有内外嵌套式双管、带通孔的底座、同轴馈电端口、馈电探针和金属地板；其中，所述内外嵌套式双管垂直安装在底座上，内管注入有非导体液体，内、外管之间注入有导体液体，所述底座固定在金属地板上，所述馈电探针的一端穿过金属地板后伸进底座的通孔与内管中的非导体液体相接触，其另一端安装上同轴馈电端口。
2.根据权利要求1所述的一种双管单极子液体天线，其特征在于：所述底座的高度达λ/100-λ/4，λ为工作频率的波长。
3.根据权利要求1所述的一种双管单极子液体天线，其特征在于：所述内外嵌套式双管为同轴亚克力双管或同轴聚四氟乙烯双管。
4.根据权利要求1所述的一种双管单极子液体天线，其特征在于：所述非导体液体为蒸馏水。
5.根据权利要求1所述的一种双管单极子液体天线，其特征在于：所述导体液体为盐水。
6.根据权利要求3所述的一种双管单极子液体天线，其特征在于：所述双管和底座为同心的圆柱体。
7.根据权利要求1或2或6所述的一种双管单极子液体天线，其特征在于：所述底座为聚四氟乙烯底座。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110233348A (zh) * | 2019-06-19 | 2019-09-13 | 哈尔滨工业大学 | 一种通用型盐水天线馈电方法 |
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2017
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