CN107749519B - 基于液态金属的线极化倾角连续可调圆形寄生贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于液态金属的线极化极化倾角连续可调圆形寄生贴片天线，包括金属地板(1)、介质基板(2)、辐射贴片(3)、绝缘体支撑结构(4)、液态金属微流道(5)、引向器(6)、同轴电缆SMA接头(7)、液态金属入口(8)以及液态金属微流道(5)中绝缘液体和导电液体金属条(9)；其中，馈电探针可采用标准SMA接头或SMA接头连接的半刚同轴电缆，天线采用中心馈电的方法；辐射贴片(3)由圆形主辐射贴片(3a)和环形寄生贴片(3b)组成，通过优化其结构尺寸，可以激励较好的辐射模式，进而获得良好的匹配性能和辐射方向图；液态金属流道(5)由主辐射贴片(3a)和寄生贴片(3b)之间的环形缝隙以及绝缘体支撑结构(4)构成；线极化极化倾角由液态金属流道(5)中固定长度液态金属条的中心位置决定。

Description

基于液态金属的线极化倾角连续可调圆形寄生贴片天线

技术领域

本发明涉及可重构天线技术领域，具体涉及一种基于液态金属的线极化极化倾角连续可调圆形寄生贴片天线。

背景技术

随着无线通信技术的高速发展，通信系统呈现出多频段、多极化等多功能特点，系统容量要求越来越大，使得所需天线的数量随之增多，这对系统的特性和成本是极为不利的，因此对天线设计提出很高的要求。可重构天线的实现是解决此类问题的有效方法。极化可重构天线可以在不增加天线数目的前提下实现极化状态的改变，这样能有效的消除通信系统多径衰落的影响，提高通信系统的性能，也达到了节省能量的目的。另外，对于天线的体积小、质量轻、成本低的要求使得贴片天线成为了研究的焦点。目前对极化可重构贴片天线的设计研究有很多，其中有通过添加或控制微扰元的方法实现极化状态的可重构，包括贴片的切角或者地面上相应位置的开槽等；还有采用多端口馈电方法。此类型天线大部分是基于PIN二极管来控制，通过改变表面电流的分布或者改变馈电结构，从而实现极化的切换。这种方法看似有自己的优势，比如调节速度快、成本低等，但是线性特性不能得到保证，电子器件数目比较多，同时对于比较多的极化状态的调节还需要更为复杂的偏置电路。另外，用PIN二极管控制实现的极化可重构贴片天线只能实现极化状态之间的切换，不能连续调节。因此需要一种更有效的方式实现极化可重构。

2015年，Satish K. Sharma等人研究了极化可重构的圆形贴片天线，天线采用两个馈电端口以及圆形贴片和同心圆环之间采用了四个变容二极管，二极管通过一个馈电网络控制。进而实现化状态的切换。将两个二极管分成一组，当一个端口进行馈电时，不同组的两个二极管分别能提供水平和垂直极化；通过同时使用四个变容二极管且两个馈电端口具有+-90度相移时，实现左/右旋圆极化。此天线虽然能实现极化可重构设计，但是只能在几种极化状态下切换，不能实现极化的连续调节。而且需要复杂的控制电路以及较多的电子器件和双馈电端口。当需要实现的极化状态较多的时候，馈电网络会更加复杂。

因此，设计一种极化连续可调且不需要偏置电路的天线具有重要的现实意义。

发明内容

本发明提出了一种基于液态金属的线极化极化倾角连续可调圆形寄生贴片天线，该天线不需要外加偏置电路，且极化连续可调，体积小，质量轻，低成本，实现简单。

本发明采用的技术方案为：一种基于液态金属的线极化极化倾角连续可调圆形寄生贴片天线，包括一个金属地板、一个介质基板、一个辐射贴片、一个绝缘体支撑结构、一个液态金属微流道、一个引向器、同轴电缆SMA接头以及液态金属微流道中的绝缘液体和导电液态金属条；辐射贴片包括圆形主辐射贴片和环形寄生贴片，之间有1mm宽的环形缝隙，绝缘体支撑结构通过胶水与下方的辐射贴片粘接，绝缘体支撑结构刻有环形流道，与圆形主辐射贴片和环形寄生贴片之间的环形缝隙构成液态金属的微流道；液态金属通过液态金属入口流入微流道中，由于极化的对称性，只需要对固定的液态金属条在微流道的半圆周内调节，就能使极化倾角在360°范围内连续变化；同轴电缆的内导体穿过介质基板与主辐射贴片相连，外导体与金属地板相接，采用中心馈电；绝缘体支撑结构中间部分有一个圆形空隙，便于同轴线内导体与主辐射贴片的焊接；绝缘体支撑结构的上方是一个金属引向器。

其中，所述的辐射贴片中，圆形主辐射贴片为圆形，直径为工作频率对应自由空间波长的1/8~1/7；寄生贴片为圆环，内直径为对应自由空间波长的1/6~1/5，外直径为对应自由空间波长的1/3~1/2。

其中，所述的介质基板中，采用典型PCB板材料，形状为圆形，直径是对应自由空间波长的1/2~1。

其中，所述的金属地板为圆形，材质为铜，直径与介质基板相同，直径均为是对应自由空间波长的1/2~1。

其中，所述的绝缘体支撑结构中，刻有的环形流道，液态金属微流道由介质基板上面的圆形主辐射贴片和环形寄生贴片之间的环形缝隙和绝缘体支撑结构中的环形流道构成。液态金属微流道的截面形状可以为矩形、半圆形、半椭圆形等。液态金属微流道的截面面积为0.2mm²~4mm²之间。绝缘体支撑结构直径对应自由空间波长的1/4~1/3。

其中，所述的液态金属流道中填充固定长度的液态金属条，长度约为流道周长的1/6，同时在液态金属条两侧填充液态绝缘材料，线极化极化倾角由固定长度液态金属条的中心位置决定。

其中，所述的引向器，材质为铜，直径为21.4，厚度为1mm。

其中，所述的绝缘体支撑结构可以是亚克力、有机玻璃、玻璃、聚四氟乙烯等绝缘材料。

其中，所述的微流道中，液态绝缘材料可以为液态聚四氟乙烯等液态绝缘性能良好的材料。

本发明的原理在于：

本发明是一种基于液态金属的线极化极化倾角连续可调圆形寄生贴片天线，通过调节微流道中的液态金属条位置，使辐射贴片3中圆形主辐射贴片3a和环形寄生贴片3b的短路位置发生改变，由于辐射贴片3的结构发生变化，表面电流的方向也会随之改变，因此改变了线极化的极化方向。天线结构包括金属地板1，介质基板2，辐射贴片3，绝缘体支撑结构4，液态金属微流道5，引向器6，同轴电缆SMA接头7 以及液态金属微流道5中的绝缘液体和导电液态金属条。辐射贴片采用圆形主辐射贴片和同心圆环寄生贴片，之间的缝隙采用1mm，当缝宽减小时，将影响天线的谐振频率向低频移动。为了改善天线方向图指向，选取合理的辐射贴片尺寸，使寄生贴片外直径为对应为自由空间波长的1/3~1/2，主辐射贴片直径对应工作频率对应自由空间波长的1/8~1/7，使天线激励起了很好的模式。同时，当贴片的尺寸变大时，表面电流路径变长，谐振频率将向低频移动。为了获得更好阻抗匹配性能，在天线的上方引入引向器，尺寸增加时，谐振频率向低频偏移，当尺寸与寄生贴片相差1mm左右时，匹配性能有最优值，此外，引向器距离辐射贴片的高度也会影响频偏，当高度增加时，其谐振频率将向高频偏移。液态金属条的尺寸为流道周长的1/6左右，这样便于调节得到更多极化倾角。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）、本发明为了满足通信系统多极化功能的要求，引入了液态金属，通过连续调节液态金属，实现了线极化天线极化倾角的连续可调，这与现有极化可重构天线只能实现极化状态切换相比有明显的优势。

（2）、本发明通过引入液态金属，不需要很多的电子器件的数目和复杂的馈电网络就能实现极化可重构的性能。现有的极化可重构技术大都需要通过二极管和复杂的偏置电路实现极化可重构。

附图说明

图1为本发明一种基于液态金属的线极化极化倾角连续可调贴片天线结构侧视示意图；

图2 为本天线结构中辐射贴片和介质板结构示意图；

图3为本天线结构中绝缘体支撑材料结构示意图；

其中图中的附图标记含义为：1为金属地板，2为介质基板，3为辐射贴片，3a为圆形主辐射贴片，3b为环形寄生贴片， 4为绝缘体支撑结构，5为液态金属微流道，6为引向器，7为同轴电缆SMA接头，8为液态金属入口，9为液态金属条。

具体实施方式

本发明的构思如下：本发明根据贴片天线较好的辐射方向图和匹配性能，通过对辐射贴片尺寸进行合理设计后，使得天线激励起良好的模式，为此得到性能良好的辐射方向图。然后调节了主辐射贴片和寄生贴片之间的缝隙、引向器的高度和大小等参数，明确了这些参数对谐振频率的影响，通过对整体参数的优化设计，使其在保证方向图性能的前提下，具有良好的匹配性能，同时设计使谐振频率偏移到所期待的工作频段内。

根据上述发明的构思，本发明采用如下技术方案：

一种基于液态金属的线极化极化倾角连续可调圆形寄生贴片天线，所述的天线包括金属地板1、介质基板2、辐射贴片3、绝缘体支撑结构4、液态金属微流道5、引向器6、同轴电缆SMA接头7、液态金属入口8以及液态金属微流道5中的绝缘液体和导电液态金属条9；辐射贴片3包括圆形主辐射贴片3a和环形寄生贴片3b，之间有1mm宽的环形缝隙，绝缘体支撑结构4通过胶水与下方的辐射贴片3粘接，绝缘体支撑结构4刻有环形流道，与圆形主辐射贴片3a和环形寄生贴片3b之间的环形缝隙构成液态金属的微流道；液态金属通过液态金属入口流入微流道中，由于极化的对称性，只需要对固定的液态金属条在微流道的半圆周内调节，就能使极化倾角在360°范围内连续变化，线极化的极化方向平行于辐射贴片3中心和导电液态金属条9中心的连线；同轴电缆的内导体穿过介质板2与圆形主辐射贴片3a相连，外导体与金属地板1相接，采用中心馈电；绝缘体支撑结构4中间部分有一个圆形空隙，便于同轴线内导体与圆形主辐射贴片3a的焊接；绝缘体支撑结构4的上方是一个金属引向器。

所述的辐射贴片3中，圆形主辐射贴片3a形状为圆形，直径为工作频率对应自由空间波长的1/8~1/7；环形寄生贴片3b为圆环，内直径为对应自由空间波长的1/6~1/5，外直径为对应自由空间波长的1/3~1/2。

所述的介质基板2中，采用典型PCB板材料，形状为圆形，直径是对应自由空间波长的1/2~1。

所述的金属地板1为圆形，材质为铜，直径与介质基板2相同，直径均为是对应自由空间波长的1/2~1。

所述的绝缘体支撑结构4中，刻有的环形流道，液态金属微流道5由介质基板2上面的圆形主辐射贴片3a和环形寄生贴片3b之间的环形缝隙和绝缘体支撑结构4中的环形流道构成，液态金属微流道5的截面形状可以为矩形、半圆形或半椭圆形，液态金属微流道5的截面面积为0.2mm²~4mm²之间，绝缘体支撑结构直径对应自由空间波长的1/4~1/3。

液态金属微流道5中填充固定长度的液态金属条，长度约为流道周长的1/6，同时在液态金属条两侧填充液态绝缘材料，线极化极化倾角由固定长度液态金属条的中心位置决定。

所述的引向器6，材质为铜，直径为21.4，厚度为1mm。

绝缘体支撑结构4可以是亚克力、有机玻璃、玻璃、聚四氟乙烯绝缘材料。

在微流道中的液态绝缘材料可以为液态聚四氟乙烯液态绝缘性能良好的材料。

具体实施例：

首先明确天线的工作频率，谐振频率主要由寄生贴片外径尺寸决定，为自由空间波长的1/3~1/2，对应所选频率5.2GHz，贴片外径选择23mm，天线圆形主辐射贴片直径设计为工作频率对应自由空间波长的1/8~1/7，通过优化最终选择8mm。贴片厚度为0.018mm。

绝缘体支撑结构为亚克力，直径为16mm，高3mm，刻有宽和高均为1mm的环形流道，与介质基板上面的圆形主辐射贴片和寄生贴片之间的环形缝隙构成液态金属微流道。

液态金属条长度约为环形微流道周长的1/6，两侧填充液态绝缘材料液态聚四氟乙烯。

绝缘体支撑结构的上方是一个金属引向器，材质为铜，直径对应自由空间波长的1/3~1/2为21.4，厚度为1mm。引向器主要改善了天线的辐射方向图性能和匹配性能，通过优化引向器和辐射贴片的尺寸，能激励起较好的辐射模式，使天线很好的工作在我们所需要的频率。

介质基板采用RO4350B，直径是40mm，大约为一个波长比较合理，厚度选择60mil。

本发明涉及的一种基于液态金属的线极化极化倾角连续可调贴片天线，该天线通过调节微流道中的液态金属条的中心位置，实现了线极化极化倾角连续调节，这样极大的避免了能量损耗。而且不需要引入PIN二极管等电子器件和复杂的馈电网络。其可作为阵列单元，实现任意形式的极化状态。

Claims (4)

1.一种基于液态金属的线极化极化倾角连续可调圆形寄生贴片天线，其特征在于：所述的天线包括金属地板(1)、介质基板(2)、辐射贴片(3)、绝缘体支撑结构(4)、液态金属微流道(5)、引向器(6)、同轴电缆SMA接头(7)、液态金属入口(8)以及液态金属微流道(5)中的绝缘液体和导电液态金属条(9)；辐射贴片(3)包括圆形主辐射贴片(3a)和环形寄生贴片(3b)，之间有1mm宽的环形缝隙，绝缘体支撑结构(4)通过胶水与下方的辐射贴片(3)粘接，绝缘体支撑结构(4)刻有环形流道，与圆形主辐射贴片(3a)和环形寄生贴片(3b)之间的环形缝隙构成液态金属的微流道；液态金属通过液态金属入口流入微流道中，由于极化的对称性，只需要对固定的液态金属条在微流道的半圆周内调节，就能使极化倾角在360°范围内连续变化，线极化的极化方向平行于辐射贴片(3)中心和导电液态金属条（9）中心的连线；同轴电缆的内导体穿过介质基板(2)与圆形主辐射贴片(3a)相连，外导体与金属地板(1)相接，采用中心馈电；绝缘体支撑结构(4)中间部分有一个圆形空隙，便于同轴线内导体与圆形主辐射贴片(3a)的焊接；绝缘体支撑结构(4)的上方是一个金属引向器；

所述的辐射贴片(3)中，圆形主辐射贴片(3a)为圆形，直径为工作频率对应自由空间波长的1/8~1/7；环形寄生贴片(3b)为圆环，内直径为对应自由空间波长的1/6~1/5，外直径为对应自由空间波长的1/3~1/2；

所述的介质基板(2)中，采用PCB板材料，形状为圆形，直径是对应自由空间波长的1/2~1；

所述的金属地板(1)为圆形，材质为铜，直径与介质基板(2)相同，直径均为是对应自由空间波长的1/2~1；

所述的绝缘体支撑结构(4)中，刻有的环形流道，液态金属微流道(5)由介质基板(2)上面的圆形主辐射贴片(3a)和环形寄生贴片(3b)之间的环形缝隙和绝缘体支撑结构(4)中的环形流道构成，液态金属微流道(5)的截面形状为矩形、半圆形或半椭圆形，液态金属微流道(5)的截面面积为0.2mm²~4mm²之间，绝缘体支撑结构直径对应自由空间波长的1/4~1/3；

液态金属微流道(5)中填充固定长度的液态金属条，长度为流道周长的1/6，同时在液态金属条两侧填充液态绝缘材料，线极化极化倾角由固定长度液态金属条的中心位置决定。

2.根据权利要求1所述的基于液态金属的线极化极化倾角连续可调圆形寄生贴片天线，其特征在于，所述的引向器(6)，材质为铜，直径为21.4，厚度为1mm。

3.根据权利要求1所述的基于液态金属的线极化极化倾角连续可调圆形寄生贴片天线，其特征在于：绝缘体支撑结构(4)是亚克力、有机玻璃、玻璃、聚四氟乙烯绝缘材料中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的基于液态金属的线极化极化倾角连续可调圆形寄生贴片天线，其特征在于：在微流道中的液态绝缘材料为液态聚四氟乙烯液态绝缘性能良好的材料。

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