CN207834567U - 一种频率可重构的水介质贴片天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种频率可重构的水介质贴片天线，包括盛装有水溶液的绝缘容器、介质基板、馈电探针、金属支撑体，其中，所述介质基板的底面为印刷金属地，其顶面设置有十字型印刷金属贴片，所述馈电探针穿过介质基板与十字型印刷金属贴片相连，所述金属支撑体分布在十字型印刷金属贴片的四个臂上，与该十字型印刷金属贴片组成馈电结构，所述绝缘容器设在介质基板的上方，并由分布在十字型印刷金属贴片四个臂上的金属支撑体共同进行支撑，使得其与介质基板之间预留有所需的空气间隙。本实用新型可以通过调节水溶液高度实现天线的频率可重构，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

一种频率可重构的水介质贴片天线

技术领域

本实用新型涉及天线的技术领域，尤其是指一种频率可重构的水介质贴片天线。

背景技术

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。液体天线便是其中之一。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、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；2、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；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，ZhongxiangShen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。

实用新型内容

本实用新型的目的在于利用液体可重构性和高介电常数的特点，提出了一种频率可重构的水介质贴片天线，该天线结构简单，可以通过调节水溶液高度实现天线的频率可重构，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：一种频率可重构的水介质贴片天线，包括盛装有水溶液的绝缘容器、介质基板、馈电探针、金属支撑体，其中，所述介质基板的底面为印刷金属地，其顶面设置有十字型印刷金属贴片，所述馈电探针穿过介质基板与十字型印刷金属贴片相连，所述金属支撑体分布在十字型印刷金属贴片的四个臂上，与该十字型印刷金属贴片组成馈电结构，所述绝缘容器设在介质基板的上方，并由分布在十字型印刷金属贴片四个臂上的金属支撑体共同进行支撑，使得其与介质基板之间预留有所需的空气间隙。

所述绝缘容器的顶部留有阀孔，用于调节水溶液的高度。

所述十字型印刷金属贴片位于介质基板顶面的中心位置。

所述金属支撑体靠近十字型印刷金属贴片的相应臂端部。

所述水溶液为高介电常数的蒸馏水。

所述绝缘容器为聚氯乙烯塑料盒。

所述金属支撑体为铜质圆柱体。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、与已有的水介质贴片天线比较，本实用新型可以通过绝缘容器顶部的阀孔控制水溶液的高度，从而实现天线的频率可重构。

2、与已有的水介质贴片天线比较，本实用新型的十字型印刷金属贴片和其上的四个金属支撑体构成了天线的馈电结构，极大增加了天线的带宽，同时该四个金属支撑体共同支撑着绝缘容器，使绝缘容器和介质基板之间留有空气间隙，削弱电磁场在水中的能量，减小水带来的介质损耗，从而提高了天线的辐射效率。

附图说明

图1为可重构的水介质贴片天线的整体图。

图2为可重构的水介质贴片天线的分解图。

图3为可重构的水介质贴片天线的S参数仿真结果图。

图4为可重构的水介质贴片天线不同空气间隙高度的辐射效率仿真结果图。

图5为可重构的水介质贴片天线的频率重构仿真结果图。

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，本实施例所提供的频率可重构的水介质贴片天线，包括盛装有水溶液1(优选高介电常数的蒸馏水)的绝缘容器2(优选聚氯乙烯塑料盒)、介质基板3、馈电探针5、金属支撑体7(优选铜质圆柱体)，其中，所述介质基板3的底面为印刷金属地6，其顶面中心位置设有十字型印刷金属贴片4，所述馈电探针5穿过介质基板3与十字型印刷金属贴片4相连，所述金属支撑体7分布在十字型印刷金属贴片4的四个臂上，并靠近臂的端部，与该十字型印刷金属贴片4组成馈电结构，所述绝缘容器2设在介质基板3的上方，并由分布在十字型印刷金属贴片4四个臂上的金属支撑体7共同进行支撑，使得其与介质基板3之间预留有所需的空气间隙。此外，所述绝缘容器2的顶部留有阀孔(图中未画出)，用于调节水溶液的高度。

如图3所示，十字型印刷金属贴片和金属支撑体构成的馈电结构可有效增加天线的带宽。

如图4所示，金属支撑体的支撑引入空气间隙，提高天线的辐射效率。空气的介电常数远小于水的介电常数，电磁场主要集中在介电常数较小的材料中，所以在一定范围内，空气间隙高度越高，电磁场能量越能集中在空气间隙中，使水的介质损耗减小，从而提高天线的辐射效率。

如图5所示，天线的谐振频率可以通过调节水溶液的高度实现频率可重构。在一定范围内，随着水溶液高度的减小，天线的谐振频率增大。

综上所述吗，本实用新型天线实现了频率可重构的特点，同时有着宽带宽、高辐射效率的优势。利用水介电常数大的特性，在馈电与水的分界处形成了类似于电壁的界面，十字型馈电结构大大提高天线阻抗带宽。同时利用天线流动性强的特性，通过注入不同高度的水，在不改变天线结构的前提下，实现天线谐振频率的。为了解决水的高损耗的问题，引入空气间隙提高天线辐射效率。通过以上分析可以知道，本实用新型天线具有频率可重构，宽带和高辐射效率的性能，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)

1.一种频率可重构的水介质贴片天线，其特征在于：包括盛装有水溶液的绝缘容器、介质基板、馈电探针、金属支撑体，其中，所述介质基板的底面为印刷金属地，其顶面设置有十字型印刷金属贴片，所述馈电探针穿过介质基板与十字型印刷金属贴片相连，所述金属支撑体分布在十字型印刷金属贴片的四个臂上，与该十字型印刷金属贴片组成馈电结构，所述绝缘容器设在介质基板的上方，并由分布在十字型印刷金属贴片四个臂上的金属支撑体共同进行支撑，使得其与介质基板之间预留有所需的空气间隙。

2.根据权利要求1所述的一种频率可重构的水介质贴片天线，其特征在于：所述绝缘容器的顶部留有阀孔，用于调节水溶液的高度。

3.根据权利要求1所述的一种频率可重构的水介质贴片天线，其特征在于：所述十字型印刷金属贴片位于介质基板顶面的中心位置。

4.根据权利要求1所述的一种频率可重构的水介质贴片天线，其特征在于：所述金属支撑体靠近十字型印刷金属贴片的相应臂端部。

5.根据权利要求1或2所述的一种频率可重构的水介质贴片天线，其特征在于：所述水溶液为高介电常数的蒸馏水。

6.根据权利要求1所述的一种频率可重构的水介质贴片天线，其特征在于：所述绝缘容器为聚氯乙烯塑料盒。

7.根据权利要求1或4所述的一种频率可重构的水介质贴片天线，其特征在于：所述金属支撑体为铜质圆柱体。