CN209709161U - 一种基于ebg结构的重力场调控的可重构全向天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线，包括馈电网络，共形在馈电网络四边介质板上的玻璃腔，封装在玻璃腔中的液态金属汞，置于天线下方的基于EBG结构的反射板；所述玻璃腔由倾斜玻璃腔和水平玻璃腔构成，通过翻转，在重力场作用下，液态金属汞在倾斜玻璃腔和水平玻璃腔内流动，以形成处于不同状态下的谐振单元；当天线未翻转时，处于状态一，天线辐射全向水平极化波，工作带宽为21.2%，最大增益2.1 dBic；当天线翻转后，处于状态二，天线辐射全向圆极化波，阻抗带宽为37.7%，3 dB轴比带宽为28.5%(2.35~3.13 GHz)，最大增益2.2 dBic。

Description

一种基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线

技术领域

本实用新型涉及一种可重构全向天线，特别是一种基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线，属于涉及EBG结构和重力场调控的实用技术和可重构微波器件技术领域。

背景技术

天线作为电磁波的发射和接收装置，在无线通信系统中起着重要的作用。随着现代无线通讯科技水平的不断发展，人们对性能指标越来越严格，单纯的线极化天线己经难以满足飞速发展的现代通信系统需求。全向圆极化天线因其优良的性能，受到人们的关注，广泛应用于卫星通信系统、无线遥感系统、WLAN(无线局域网)、 WPAN(无线个人区域网)、GPS(全球定位系统)等一系列系统。全向天线能保持车载设备或者移动终端与周围不同方位角的目标进行实时通信，圆极化天线可以有效抑制多径衰落和极化失配带来的损耗，以保证信号传输的稳定性，研究全向圆极化天线技术至关重要。

传统意义上的天线难以得到可调谐的多个极化方式，而液态金属能够很好地解决这一问题，通过配合重力场调控，使得液态金属的位置改变，形成不同的谐振结构，从而使得天线极化和频率的可重构。重力场调控不同于集总元件调控和温度调控等调控方式，它具有低耗、高时效性、机理简单等优点。此类天线具有可调谐的多个极化方式，可以满足多种极化辐射方式要求，因此可调谐天线具有减少天线的数量，提高空间的利用率的优势。

电磁带隙(Electromagnetic Band gap,EBG)结构是一种特殊人工电磁材料，由于其独特的带隙特性而广泛的被用于天线和微波领域。其具有的表面波带隙可以应用于减小天线互耦，提高天线和微波器件的性能等，而其同相反射相位带隙可用于设计低剖面天线、天线隐身等方面。由于其广泛的应用，对新型EBG结构的研究具有一定的理论价值和工程意义。近年来，电磁带隙结构由于其表面波抑制特性和反射相位特性在微波和天线领域中得到了越来越广泛的应用。很多学者已经研究了利用电磁带隙结构实现低剖面天线，提高天线增益，减小天线互耦，减缩天线RCS等。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线，通过翻转该天线，在重力场作用下，液态金属汞的位置会发生改变，形成不同的谐振单元，从而实现该天线工作频带的改变以及极化方式的转变(由全向水平极化转化为全向圆极化)，以达到极化和频率可重构的目的。将基于EBG结构的反射板置于天线下方，降低了天线的后瓣和副瓣，增大了该全向天线的增益。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线，包括馈电网络，共形在馈电网络四边介质板上的玻璃腔，封装在玻璃腔中的液态金属汞，置于天线下方的基于EBG结构的反射板；所述玻璃腔由倾斜玻璃腔和水平玻璃腔构成，通过翻转，在重力场作用下，液态金属汞在倾斜玻璃腔和水平玻璃腔内流动，以形成处于不同状态下的谐振单元；当天线未翻转时，处于状态一，天线辐射全向水平极化波，工作带宽为21.2％，最大增益2.1dBic；当天线翻转后，处于状态二，天线辐射全向圆极化波，阻抗带宽为37.7％，3dB轴比带宽为28.5％(2.35～3.13GHz)，最大增益2.2dBic。

本实用新型采用液态金属汞代替传统金属铜工作，并且可以通过翻转天线这一重力场调控方式，形成不同的金属汞谐振单元，实现对不同极化方式和工作频带的动态调控的目的。本实用新型引入EBG结构作为天线的反射板，通过设计一种合适的电磁带隙结构，使得全向天线的工作频带落在电磁带隙结构的带隙中，从而同相反射天线背向辐射的电磁波，进而减小天线后瓣和副瓣，实现天线增益的提高和性能的改善。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述馈电网络包括顶层的金属贴片，底层的金属底板及二者之间的介质基板，所述底层的金属底板与金属贴片相连接，为玻璃腔中的金属汞馈电激励。

进一步的，所述金属贴片均为铜，厚度均为0.018mm，且铜金属片贴在玻璃腔内壁。

进一步的，所述玻璃腔分为倾斜玻璃腔和水平玻璃腔，倾斜玻璃腔呈倒L形，与垂直方向夹角为55°，厚度为0.24mm；水平玻璃腔由两个体积相同的长方体水平放置而成，所述长方体的尺寸为20.64mm×10.04mm×0.172mm，且倾斜玻璃腔和水平玻璃腔容积相等，均为54.4mm³。

进一步的，所述倾斜玻璃腔和水平玻璃腔通过玻璃管相互导通连接，天线翻转后，液态金属汞充满对应的整个玻璃腔；在装有汞时，倾斜玻璃腔辐射全向圆极化电磁波，水平玻璃腔可以辐射全向水平极化电磁波。

进一步的，所述玻璃腔的玻璃厚度均为0.02mm，相对介电常数5.5，损耗角正切0。

进一步的，所述液态金属汞的位置可以通过翻转天线改变，进而形成不同的谐振单元，实现极化方式和工作频带的动态调控。当天线未翻转时，处于状态一，由于重力作用，液态金属汞流入水平玻璃腔内，倾斜玻璃腔为空，天线辐射全向水平极化波，工作在高频带；当天线翻转后，处于状态二，在重力作用下，液态金属汞流入倾斜玻璃腔内，水平玻璃腔为空，天线辐射全向圆极化波，工作在低频带。

进一步的，所述于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线的下方设置有反射板结构，所述反射板结构包括顶层的基于EBG结构的金属贴片，底层的金属底板，二者之间的介质基板以及连接金属贴片和底板的金属过孔，所述金属贴片开有L形的缝隙，边长为8mm，相邻金属贴片间隔为1.5mm，周期排列形成11×11的EBG 结构；所述金属过孔贯穿介质基板，连接金属贴片和底板，半径为0.3mm，高为4.5 mm；所述介质板材料为FR4，介电常数4.4，损耗角正切0.02，边长104.5mm，厚度4.5mm。所述金属均为铜，厚度均为0.018mm。

进一步的，所述倾斜玻璃腔共形在馈电网络四边的介质基板上，介质基板材料为Rogers RO4232(tm)，介电常数3.2，损耗角正切0.0018，介质基板长70mm，宽 50mm，厚度0.06mm。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本实用新型基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线，创新性的将重力场调控与液态金属谐振相结合，通过翻转天线，由于重力场作用，改变液态金属汞的位置，形成不同的谐振单元，从而实现天线的频率和极化可重构。

(2)本实用新型通过重力场调控，调控机理简单低耗，大大提高了调控的时效性和便携性。

(3)本实用新型引入基于EBG结构的反射板，置于天线下方，降低了天线的后瓣和副瓣，增大了该全向天线的增益。

(4)本实用新型具有频率和极化可重构，增益较高，实用性强，可重力场调控，功能性强等特点。

附图说明

图1为基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线的馈电网络的结构示意图。

图2为基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线的单个玻璃腔的立体图。

图3为基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线未翻转时的立体图。

图4为基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线翻转后的立体图。

图5为基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线的反射板的单个顶层金属贴片单元的结构图。

图6为基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线的反射板的俯视图。

图7为基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线未翻转时的|S11|仿真曲线。

图8为基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线翻转后的|S11|仿真曲线。

图9为基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线翻转后的轴比仿真曲线。

图10为基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线未翻转时的X-Y平面 (theta＝100°)仿真方向图。

图11为基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线未翻转时的X-Z平面 (phi＝0°)仿真方向图。

图12为基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线翻转后的X-Y平面 (theta＝95°)仿真方向图。

图13为基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线翻转后的X-Z平面 (phi＝0°)仿真方向图。

图14为基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线未翻转时的增益仿真曲线。

图15为基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线翻转后的增益仿真曲线。

图16为基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线的EBG结构反射板的表面波带隙曲线。

附图标记解释：1—馈电网络顶层的金属贴片，2—馈电网络的介质基板，3—馈电网络底层的金属底板，4—倾斜玻璃腔，5—水平玻璃腔的左半部分，6—水平玻璃腔的右半部分，7—玻璃管，8—铜金属片，9—反射板顶层的金属贴片，10—反射板的介质基板，11—反射板的底层金属底板，12—反射板的单个顶层金属贴片单元， 13—反射板的金属过孔。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明

本实用新型基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线，该全向天线可以通过翻转的方式，使得玻璃腔内的液态金属汞，在倾斜玻璃腔和水平玻璃腔中流动，从而产生了两种工作状态：未翻转时(状态一)，由于重力作用，液态金属汞流入水平玻璃腔的5和6部分，馈电网络和铜金属片相连接，并对5和6进行馈电；翻转后(状态二)，由于重力作用，液态金属汞流入玻璃腔的4部分，馈电网络对4馈电。上述各相连部分的容积均相等，使得翻转后，液态金属汞恰好可以充满对应的整个玻璃腔。

通过翻转天线的方式，由于液态金属汞的流动特性和重力场的作用，使得天线参与谐振的单元发生改变，从而使得天线极化方式在全向圆极化和全向水平极化间转变，同时工作于两个不同的频带，实现极化和频率的可重构。通过引入EBG结构作为天线的反射板的方式，设计一款EBG结构，使得全向天线的工作频带落在EBG 结构的带隙中，从而反射天线的背向电磁波，进而减小天线后瓣和副瓣，实现天线增益的提高和性能的改善。

本实用新型基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线的产生方法，未翻转时(状态一)是由装有汞的5和6部分引起的，此时4为空玻璃腔；翻转后(状态二)，是由装有汞的4部分引起的，此5和6部分为空玻璃腔。

所述基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线，能够通过翻转的方式改变液态金属汞的位置，实现天线极化方式和频率的可重构。

该全向天线的馈电网络由顶层的金属贴片1，底层的金属底板3，金属贴片和底板之间的介质基板2构成，且底层的金属底板与铜金属片相连，为玻璃腔内的汞馈电激励，如图1所示。

该全向天线馈电网络的介质基板材料为Rogers RT/duroid 5880(tm)，介电常数2.2，损耗角正切0.0009。馈电网络四周共形的介质基板材料为Rogers RO4232(tm)，介电常数3.2，损耗角正切0.0018。基于EBG结构的反射板的介质基板材料为FR4，介电常数4.4，损耗角正切0.02。

该全向天线的相关结构参数如表1所示。

参数	a	b	c	d
					值(mm)	4	23.5	3	5.5
参数	e	f	g	h
					值(mm)	11	0.3	1.5	5
参数	i	j	k	l
					值(mm)	1.2	10	2	2
参数	m	n	o	d1
					值(mm)	2.4	0.08	20	0.172
参数	d2	w1	w2	w3
					值(mm)	0.24	15.04	20.64	8
参数	w4	w5	w6	w7
					值(mm)	0.2	2.8	3	1.5
参数	w8	h1	h2	h3
					值(mm)	104.5	7.54	18.644	10.04
参数	H1	H2	H3	H4
					值(mm)	50	70	64	4.5
参数	r	α1
					值	0.6mm	55°

表1

基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线，该全向天线有两种工作状态，未翻转时(状态一)其结构如图3所示，包括馈电网络1、2、3，装有汞的玻璃腔5 和6，空的玻璃腔4，反射板9、10、11；翻转后(状态二)其结构如图4所示，包括馈电网络1、2、3，装有汞的玻璃腔4，空的玻璃腔5和6，反射板9、10、11。

如图7～8分别是该全向天线在两种状态工作时的|S11|仿真曲线，图9为该全向天线在状态二工作时的轴比仿真曲线。由图7可以看出未翻转时(状态一)，天线辐射全向水平极化波，阻抗带宽为21.2％(2.83～3.5GHz)；由图8～9可以看出翻转后(状态二)，天线辐射全向圆极化波，阻抗带宽为37.7％(2.35～3.44GHz)，3dB轴比带宽为28.5％(2.35～3.13GHz)。从结果可以看出，该全向天线可以实现较好的频率和极化可重构特性以及较高的增益。

如图10～13是该全向天线在上述两种状态工作时的X-Y平面和X-Z平面的方向图，由图10～13可以看出，两种状态下天线的垂直面(X-Z平面)方向图呈“∞”形，水平面(X-Y平面)方向图为全向辐射。工作在状态一时，水平面的主极化比交叉极化大至少20dB，主极化的不圆度小于0.5dB；状态二时，水平面的主极化(右旋圆极化)比交叉极化(左旋圆极化)大至少15dB，主极化的不圆度小于0.5dB，表明该天线的极化方式为全向水平极化和全向圆极化时，均保持良好的全向辐射性能。同时，由方向图可以看出，天线的后瓣较小，这是由于引入EBG结构的反射板引起的，这可以增大天线主要辐射方向上的增益。

如图14、15分别是该全向天线状态一、状态二的增益仿真曲线，由图14、15 可以看出，未翻转时(状态一)，在天线有效频段内(2.83～3.5GHz)，平均增益为 1.85dBic，最大增益2.1dBic；翻转后(状态二)，在天线有效频段内(2.35～3.13GHz)，平均增益为1.44dBic，最大增益2.2dBic。可以看出，引入EBG结构的反射板，可以实现天线增益的增大。

如图16为该全向天线的EBG结构反射板的表面波带隙曲线，从图中可以看出，该EBG结构的带隙为2.18～3.62GHz，带隙宽度覆盖了天线状态一和状态二的两个工作频带，故可以实现天线工作频带内的同相反射，从而增大天线主辐射方向上的增益。

所述两种状态，实现了该全向天线由全向水平极化转化为全向圆极化。显然，我们可以通过翻转这一重力场调控的方式，实现该全向天线的频率和极化可重构，并覆盖两个不同的宽频段。本实用新型具有频带覆盖范围宽，实用性强，可重力场调控，功能性强等特点。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本实用新型不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线，其特征在于：包括馈电网络，共形在馈电网络四边介质板上的玻璃腔，封装在玻璃腔中的液态金属汞，置于天线下方的基于EBG结构的反射板；所述玻璃腔由倾斜玻璃腔和水平玻璃腔构成，通过翻转，在重力场作用下，液态金属汞在倾斜玻璃腔和水平玻璃腔内流动，以形成处于不同状态下的谐振单元；当天线未翻转时，处于状态一，天线辐射全向水平极化波，工作带宽为21.2％，最大增益2.1dBic；当天线翻转后，处于状态二，天线辐射全向圆极化波，阻抗带宽为37.7％，3dB轴比带宽为28.5％(2.35～3.13GHz)，最大增益2.2dBic。

2.根据权利要求1所述的基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线，其特征在于：所述馈电网络包括顶层的金属贴片，底层的金属底板及二者之间的介质基板，所述底层的金属底板与金属贴片相连接，为玻璃腔中的金属汞馈电激励。

3.根据权利要求2所述的基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线，其特征在于：所述金属贴片均为铜，厚度均为0.018mm，且铜金属片贴在玻璃腔内壁。

4.根据权利要求1所述的基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线，其特征在于：所述玻璃腔分为倾斜玻璃腔和水平玻璃腔，倾斜玻璃腔呈倒L形，与垂直方向夹角为55°，厚度为0.24mm；水平玻璃腔由两个体积相同的长方体水平放置而成，所述长方体的尺寸为20.64mm×10.04mm×0.172mm，且倾斜玻璃腔和水平玻璃腔容积相等，均为54.4mm³。

5.根据权利要求4所述的基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线，其特征在于：所述倾斜玻璃腔和水平玻璃腔通过玻璃管相互导通连接，天线翻转后，液态金属汞充满对应的整个玻璃腔；在装有汞时，倾斜玻璃腔辐射全向圆极化电磁波，水平玻璃腔可以辐射全向水平极化电磁波。

6.根据权利要求5所述的基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线，其特征在于：所述玻璃腔的玻璃厚度均为0.02mm，相对介电常数5.5，损耗角正切0。

7.根据权利要求1所述的基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线，其特征在于：所述液态金属汞的位置可以通过翻转天线改变，进而形成不同的谐振单元，实现极化方式和工作频带的动态调控；当天线未翻转时，处于状态一，由于重力作用，液态金属汞流入水平玻璃腔内，倾斜玻璃腔为空，天线辐射全向水平极化波，工作在高频带；当天线翻转后，处于状态二，在重力作用下，液态金属汞流入倾斜玻璃腔内，水平玻璃腔为空，天线辐射全向圆极化波，工作在低频带。

8.根据权利要求1所述的基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线，其特征在于：所述于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线的下方设置有反射板结构，所述反射板结构包括顶层的基于EBG结构的金属贴片，底层的金属底板，二者之间的介质基板以及连接金属贴片和底板的金属过孔，所述金属贴片开有L形的缝隙，边长为8mm，相邻金属贴片间隔为1.5mm，周期排列形成11×11的EBG结构；所述金属过孔贯穿介质基板，连接金属贴片和底板，半径为0.3mm，高为4.5mm；所述介质板材料为FR4，介电常数4.4，损耗角正切0.02，边长104.5mm，厚度4.5mm；所述金属均为铜，厚度均为0.018mm。

9.根据权利要求1所述的基于EBG结构的重力场调控的可重构全向天线，其特征在于：所述倾斜玻璃腔共形在馈电网络四边的介质基板上，介质基板材料为Rogers RO4232(tm)，介电常数3.2，损耗角正切0.0018，介质基板长70mm，宽50mm，厚度0.06mm。