本发明公开了一种工作模式可重构纯水短背射天线，包括：主反射器、副反射器、纯水内边环、外边环、同轴探针、阻抗匹配用金属锥、轴向匹配用水柱、法向匹配用水柱；主反射器、内边环、外边环为设有夹层的透明树脂圆片与圆环，整体形如同轴嵌套在一起，共用一个底面的两个直径不同的圆波导；副反射器为一设有夹层的透明树脂圆片，置于圆波导开口上方，中心与主反射器正对；同轴探针设置于透明树脂储水容器底部，主反射器中心，用于进行同轴馈电；金属锥设置在同轴探针上；轴向匹配用水柱与法向匹配用水柱为互相垂直的透明树脂水管，设置在金属锥上；本发明具有工作模式可重构、方向图可重构、频率可重构、高透明性能，且设计简单、易于加工。
1.一种工作模式可重构纯水短背射天线，其特征在于，包括：主反射器（1）、外边环（2）、内边环（3）、副反射器（4）、同轴探针（5）、阻抗匹配用金属锥（6）、轴向匹配用水柱（7）、法向匹配用水柱（8）；所述主反射器（1）、外边环（2）、内边环（3）构成同轴嵌套圆开口波导，所述主反射器（1）为圆开口波导的底面，所述主反射器（1）、外边环（2）、内边环（3）均由透明树脂制成，且内侧设有夹层用于注水，所述副反射器（4）为由透明树脂制成的圆片，设置于同轴嵌套圆开口波导开口上方，且内侧设有夹层用于注水；所述同轴探针（5）设置于主反射器（1）底部中心，用于进行同轴馈电；所述金属锥（6）设置在同轴探针（5）上，用于阻抗匹配；所述轴向匹配用水柱（7）沿圆开口波导轴向设置在金属锥（6）上，法向匹配用水柱（8）沿圆开口波导径向设置在金属锥（6）上，且轴向匹配用水柱（7）与法向匹配用水柱（8）尾部相连，连接处位于金属锥（6）上，用于阻抗匹配与调整天线工作模式。
2.根据权利要求1所述的工作模式可重构纯水短背射天线，其特征在于，所述主反射器（1）、外边环（2）、内边环（3）、副反射器（4）内侧夹层厚度相同。
3.根据权利要求1所述的工作模式可重构纯水短背射天线，其特征在于，通过分别为轴向匹配用水柱（7）与法向匹配用水柱（8）内注水，以及调整外边环（2）、内边环（3）中水位高度，改变天线工作模式。
4.根据权利要求1所述的工作模式可重构纯水短背射天线，其特征在于，所有夹层水壁厚度t = 2 mm；所有透明树脂壁厚t0 = 2 mm。
5.根据权利要求1所述的工作模式可重构纯水短背射天线，其特征在于，所述主反射器（1）直径为Dm= 150 mm；外边环（2）高为W = 50 mm；内边环（3）高为S2 = 20 mm，内直径为d1 = 60 mm。
6.根据权利要求1所述的工作模式可重构纯水短背射天线，其特征在于，副反射器（4）直径为Ds= 50 mm，到主反射器（1）距离为S1 = 50 mm。
7.根据权利要求1所述的工作模式可重构纯水短背射天线，其特征在于，同轴探针（5）内直径dp= 1.2 mm，外直径dt = 4 mm。
8.根据权利要求1所述的工作模式可重构纯水短背射天线，其特征在于，所述金属锥（6）底面直径dx= 1.2 mm; 中面直径dc = 9 mm；顶面直径d2= 5 mm；底面距中面高h1 = 6 mm；中面距顶面高h2 = 4 mm。
9.根据权利要求1所述的工作模式可重构纯水短背射天线，其特征在于，轴向匹配用水柱（7）的直径d3 = 5 mm；长度h3 根据可重构要求可调；法向匹配用水柱（8）的直径d4 = 5 mm；长度l = 15 mm。
工作模式可重构的纯水短背射天线
技术领域
[0001] 本发明属于微波天线领域，具体为一种工作模式可重构的纯水短背射天线。
背景技术
[0002] 近年来，使用液体材料设计天线的思想因其易于可重构的特性而得到广泛关注，其中纯水又因具有常见易得、无色透明等特点而得到了尤其多的应用。水天线的设计与应
用已成为天线工程研究的热点。水天线往往具备便宜、结构简单、易于加工、高透明度、可重
构等特点。
[0003] 近期涌现出很多水天线设计，其中香港城市大学陆贵文教授团队在《A water dense dielectric patch antenna》《A Wideband and optically transparent water
patch antenna with broadside radiation pattern》等论文中提出用薄水层构成天线。
其中纯水部分更多起到阻隔能量而非辐射的效果。最终构成了纯水贴片天线，获得了极高
的透明度与辐射效率，但其增益较低，且不具备可重构特性。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种工作模式可重构的纯水短背射天线。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种工作模式可重构纯水短背射天线，包括：主反射器、外边环、纯水内边环、副反射器、同轴探针、阻抗匹配用金属锥、轴向匹配用水柱、
法向匹配用水柱；所述主反射器、外边环、纯水内边环构成同轴嵌套圆开口波导，所述主反
射器为圆开口波导的底面，所述主反射器、外边环、纯水内边环均由透明树脂制成，且内侧
设有夹层用于注水，所述副反射器为由透明树脂制成的圆片，设置于轴嵌套圆开口波导开
口上方，且内侧设有夹层用于注水；所述同轴探针设置于主反射器底部中心，用于进行同轴
馈电；所述金属锥设置在同轴探针上，用于阻抗匹配；所述轴向匹配用水柱沿圆开口波导轴
向设置在金属锥上，法向匹配用水柱沿圆开口波导法向设置在金属锥上，且轴向匹配用水
柱与法向匹配用水柱尾部相连，连接处位于金属锥上，用于阻抗匹配与调整天线工作模式。
[0006] 优选地，所述主反射器、外边环、纯水内边环、副反射器内侧夹层厚度相同。
[0007] 优选地，通过分别为匹配用水柱与法向匹配用水柱内注水，以及调整外边环、纯水内边环中水位高度，改变天线工作模式。
[0008] 优选地，所有夹层水壁厚度t＝2mm；所有透明树脂壁厚t0＝2mm。
[0009] 优选地，所述主反射器直径为Dm＝150mm；外边环高为W＝50mm；内边环高为S2＝20mm，内直径为d1＝60mm。
[0010] 优选地，副反射器直径为Ds＝50mm，到主反射器距离为S1＝50mm。
[0011] 优选地，同轴探针内直径dp＝1.2mm，外直径dt＝4mm。
[0012] 优选地，所述金属锥底面直径dp＝1.2mm；中面直径dc＝9mm；顶面直径d2＝5mm；底面距中面高h1＝6mm；中面距顶面高h2＝4mm。
[0013] 优选地，轴向匹配用水柱的直径d2＝5mm；长度h3根据可重构要求可调；法向匹配用水柱的直径d2＝5mm；长度l＝15mm。
[0014] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：
[0015] 1、方向图可重构：利用纯水高介电常数的特性，取代传统金属壁对能量进行阻隔，同时利用水的流动性，弥补了传统短背射天线结构固定的缺点，解决了短背射天线的可重
构问题；
[0016] 2、高透明度：利用纯水高透明度的特性，配合透明树脂作为储水容器，使得整个天线具有极高的透明度。
[0017] 3、结构简单：采用同轴探针直接插入进行馈电，馈电结构简单；天线整体呈对称结构，易于加工。
[0018] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
[0019] 图1是本发明工作模式可重构纯水短背射天线的三维结构示意图
[0020] 图2是本发明短背射天线的俯视图。
[0021] 图3是本发明短背射天线的侧视图。
[0022] 图4是本发明短背射天线处于第一种工作状态的笔状波束模式，即在内环与外环夹层内注水，并为法向水柱注水时的示意图。
[0023] 图5是本发明短背射天线处于第一种工作状态的锥状波束模式，即在内环与外环夹层内注水，并为轴向水柱注水时的示意图。
[0024] 图6是本发明短背射天线处于第二种工作状态，即将内环与外环夹层内水抽干，并位轴向水柱注水时的示意图。
[0025] 图7是天线于图4所示第一种工作状态笔状波束模式时的电场分布图。
[0026] 图8是天线于图5所示第一种工作状态锥状波束模式时的电场分布图。
[0027] 图9是天线于图6所示第二种工作状态时的电场分布图。
[0028] 图10是本发明第一种工作状态仿真和测量的S参数。
[0029] 图11是本发明第一种工作状态仿真和测量的增益曲线。
[0030] 图12是本发明第一种工作状态笔状波束模式时仿真和测量的方向图。
[0031] 图13是本发明第一种工作状态锥状波束模式时仿真和测量的方向图。
[0032] 图14是本发明第二种工作状态仿真和测量的S参数。
[0033] 图15是本发明第二种工作状态仿真和测量的增益曲线。
[0034] 图16是本发明第二种工作状态的仿真和测量的方向图。
具体实施方式
[0035] 如图1～6所示，一种工作模式可重构纯水短背射天线，包括：主反射器、副反射器、内边环、外边环、同轴探针、阻抗匹配用金属锥、轴向匹配用水柱、法向匹配用水柱；所述各
纯水部件均以给透明树脂储水容器内注水，从而为水塑性而成；所述主反射器、纯水内边
环、外边环为设有夹层的透明树脂圆片与圆环，整体形如同轴嵌套在一起，共用一个底面的
两个直径不同的圆波导；副反射器为一设有夹层的透明树脂圆片，置于圆波导开口上方，实
际应用中可引入特氟龙支柱进行支撑，中心与主反射器对应；所述同轴探针设置于透明树
脂储水容器底部，主反射器中心，用于进行同轴馈电；所述金属锥设置在同轴探针上，用于
阻抗匹配；所述轴向匹配用水柱与法向匹配用水柱为一对互相垂直的透明树脂水管，设置
在金属锥上。
[0036] 在某些实施例中，所述同轴探针2是标准的SMA接头，其中心位于主反射器的正中，并将探针穿过主反射器伸入内边环所围内部馈电。
[0037] 进一步的实施例中，主反射器、副反射器、内边环、外边环的透明树脂储水容器内侧夹层厚度全部相同。
[0038] 进一步的实施例中，通过分别为轴向水柱与法向水柱注水，改变馈电模式，从而切换天线工作状态，改变辐射方向图，使其在笔状与锥状波束间切换；控制外边环、内边环夹
层以及轴向水柱内水位高度，改变天线工作频率。
[0039] 进一步的实施例中，所述夹层厚度t＝2mm；所述透明树脂储水容器透明树脂壁厚t0＝2mm。
[0040] 进一步的实施例中，主反射器直径Dm＝150mm，副反射器直径Ds＝50mm，距离主反射器S1＝50mm
[0041] 进一步的实施例中，外边环高W＝50mm；直径与主反射器直径等同；内边环高S2＝20mm，直径d1＝60mm。
[0042] 进一步的实施例中，同轴探针内直径dp＝1.2mm，外直径dt＝4mm。
[0043] 进一步的实施例中，所述金属锥底面直径与同轴探针内直径等同；中面直径dc＝9mm；顶面直径d2＝5mm；底面至中面高h1＝6mm；中面至顶面高h2＝4mm。
[0044] 本发明通过同轴探针5伸进水壁所围空间内进行馈电，调整水层厚度使其发挥类似反射板的效果，形成对电磁波的束缚，将水壁代替传统短背射天线中金属反射器与边环
的作用。利用水柱构成可调馈电结构，从而激励起不同的电场模式。
[0045] 如图7与图8所示，分别为法向与轴向匹配用水柱注水，即工作状态1笔状与锥状波束模式的电场分布图。可见在笔状波束模式下，天线内激励起了HE11模，从而形成笔状波束；
锥状波束模式下，天线内激励起了中心对称的TM01模，从而形成了锥状波束。
[0046] 为了验证天线性能，将本发明进行加工测试。图10是本发明第一种工作状态下仿真和测量的S参数。笔状波束模式下，在中心频率3.85GHz处‑10dB阻抗带宽为70.1％，锥状
波束模式下，中心频率4.15GHz处‑10dB阻抗带宽为74.7％。由于加工误差，仿真和测试结果
有些轻微的偏差。图11是本发明第一种工作状态两种模式仿真和测试的增益随频率变化曲
线。笔状波束模式下最大增益为11.8dBi，锥状波束状态2下最大增益为7.8dBi。图12、13是
本发明在第一种工作状态下4GHz时仿真和测量的方向图。笔状波束模式下天线增益为笔状
波束，锥状波束模式下天线方向图为锥状波束。测试结果和仿真结果基本一致。由此可以看
出，本发明在第一种工作状态下具有良好的方向图可重构性能。
[0047] 图14是本发明第二种工作状态下分别为轴向匹配水柱注入不同高度h3的水位时仿真和测量的S参数，当h3分别为7mm，10mm与14mm时，其中心工作频率分别在4.5GHz，
4.0GHz与3.6GHz。图15为本发明第二种工作状态下h3＝10mm时的增益与辐射效率随频率变
化曲线，其最大增益为2.7GHz，频率始终在75％以上。图16为本发明第二种工作状态下h3＝
10mm时4GHz处仿真和测量的方向图，该工作状态下天线增益与传统单极子天线类似。由此
可以看出，本发明在第二种工作状态下具有良好的频率可重构性能。
[0048] 本发明具有可重构、高透明性能。
[0049] 本发明利用水层阻隔能量并加强引导，提高方向性；通过引入不同方向匹配水柱激励起不同模式电场，实现方向图可重构；通过改变匹配水柱长度，实现频率可重构。
