一种频率可重构和波瓣宽度可调的液体角形反射器天线

摘要

本发明公开了一种频率可重构和波瓣宽度可调的液体角形反射器天线，主要解决现有技术不能对天线谐振频率可重构和不能对天线水平波瓣宽度调整的问题。其包括金属底板、固定在金属底板上表面的两条无源振子臂，及位于两条无源振子臂所形成夹角内的有源振子；每条无源振子臂由多个共线的无源振子组成；无源振子包括中空管和绝缘装置，且部分中空管盛装有导电液，通过调整两条无源振子臂上盛有导电液振子的数目，实现对天线水平波瓣宽度的调节；有源振子包括集液中空管、绝缘装置、导电液体和馈电装置；通过调节有源振子中导电液体的高度，实现对天线谐振频率的可重构。本发明与现有技术相比，拓宽了天线的功能，可用于无线通信系统中接收和发射信号。

权利要求

1.一种频率可重构和波瓣宽度可调的液体角形反射器天线，包括金属底板(1)、两条无源振子臂和有源振子(2)，每条无源振子臂由多个共线的无源振子(3)组成，有源振子的底端设有馈电装置(4)，这些振子固定在金属底板(1)上表面，其特征在于：所述两条无源振子臂，分别固定在金属底板(1)的两条边上，且关于其所形成夹角的角平分线镜像对称，相邻无源振子之间的距离相等；每条无源振子臂中的无源振子(3)部分盛装导电液，且按照相邻或者间隔设置盛有导电液的无源振子至少三个，两条无源振子臂上盛有导电液的无源振子对称放置，通过调整两条无源振子臂上盛有导电液无源振子的数目，实现对天线水平波瓣宽度的调节；

所述有源振子(2)，位于两条无源振子臂所形成小于平角的夹角的角分线上，其内盛装有导电液，通过调节有源振子中导电液体的高度，实现对天线谐振频率的可重构；

每个无源振子(3)均包括中空管(31)、第一绝缘装置(32)，该中空管(31)与金属底板(1)垂直，该第一绝缘装置(32)密封于中空管(31)的底部；部分中空管(31)内盛装有导电液体；

有源振子(2)包括集液中空管(21)、第二绝缘装置(22)，该集液中空管(21)与金属底板(1)垂直，该第二绝缘装置(22)密封于集液中空管(21)底部，且与馈电装置镶嵌；导电液体盛装在集液中空管(21)中；

集液中空管(21)中设定与天线谐振频率对应导电液的高度，实现对天线谐振频率的可重构，无源振子(3)中的第一绝缘装置(32)和有源振子(2)中的第二绝缘装置(22)，其高度均可调节，通过调节这两个绝缘装置的高度，以改变天线阻抗，实现天线与馈线阻抗的匹配。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，馈电装置(4)包括馈电底板(41)、连接器(42)，馈电探针(43)，该馈电底板(41)固定在第二绝缘装置(22)上表面，连接器(42)位于金属底板(1)下表面，馈电探针(43)与金属底板(1)绝缘，其一端与馈电底板(41)连接，另一端穿过金属底板(1)与连接器(42)连接；馈电探针(43)与馈电底板(41)的连接点位于该馈电底板(41)的中心。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，通过调节有源振子中导电液体的高度，实现对天线谐振频率的可重构，是根据集液中空管(21)的半径、导电液的相对介电常数和导电率，在集液中空管(21)中设定与天线谐振频率对应导电液的高度。

说明书

一种频率可重构和波瓣宽度可调的液体角形反射器天线

技术领域

[0001] 本发明属于微波通信器件技术领域，特别涉及一种液体角形反射器天线，可用于无线通信系统中接收和发射信号。

背景技术

[0002] 角形反射器天线是在辐射单元的后方放置平面或栅状反射器构成的天线系统，其工作原理为：在辐射单元的一个方向上放置反射器，反射器会将辐射单元辐射到这个方向
的电磁波反射回去，从而使天线能进行定向辐射；由于这种天线系统利用了反射器的结构，
提高了天线的增益，具有较大的场强前后比，因而在电视接收、通讯和雷达等方面获得了广
泛的应用。随着科技发展和社会进步，人们对于角形反射器天线有了频率可重构、方向图可
重构和波瓣宽度可调节等新的需求，但是由于传统的角形反射器天线其本身采用固体金属
结构的限制,使其同时无法满足其上述一个或者多个需求。

[0003] 为了实现方向图可重构特性，研发人员作了很多不同方式的尝试，例如授权公告号为CN110190377B，名称为‘一种方向图可重构液体天线’的专利，公开了一种方向图可重
构的液体角形反射器天线，该天线包括液体单极子、液体反射面、接地板以及馈电结构，其
利用了角形反射器的原理，通过选择液体反射面特定位置注入导电液体形成不同的液体反
射面实现了方向图可重构的效果。上述发明利用导电液体的液体性，流动性使天线可以实
现方向图可重构的效果，但其不足一是无法实现频率可重构，二是其波瓣宽度不能调节。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出一种频率可重构和波瓣宽度可调的液体角形反射器天线，旨在实现对天线谐振频率的可重构和对天线水平波瓣宽度
的调整。

[0005] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案是这样实现：

[0006] 一种频率可重构和波瓣宽度可调的液体角形反射器天线，包括金属底板、两条无源振子臂和有源振子，每条无源振子臂由多个共线的无源振子组成，有源振子的底端设有
馈电装置，这些振子固定在金属底板上表面，且振子中盛装有导电液，其特征在于：

[0007] 所述两条无源振子臂，分别固定在金属底板的两条边上，且关于其所形成夹角的角平分线镜像对称，相邻无源振子之间的距离相等；每条无源振子臂中的无源振子部分盛
装导电液，且按照相邻或者间隔设置盛有导电液的无源振子至少三个，两条无源振子臂上
盛有导电液的无源振子对称放置，通过调整两条无源振子臂上盛有导电液无源振子的数
目，实现对天线水平波瓣宽度的调节；

[0008] 所述有源振子，位于两条无源振子臂所形成小于平角的夹角的角分线上，通过调节有源振子中导电液体的高度，实现对天线谐振频率的可重构。

[0009] 进一步，所述每个无源振子均包括中空管、第一绝缘装置，该中空管与金属地板垂直，第一绝缘装置密封于中空管底部。

[0010] 进一步，所述有源振子包括集液中空管、第二绝缘装置，该集液中空管与金属地板垂直，第二绝缘装置密封于集液中空管底部，且与馈电装置镶嵌。

[0011] 进一步，所述无源振子中的绝缘装置和有源振子中的绝缘装置，其高度均可调节，通过调节这两个绝缘装置的高度，以改变天线阻抗，实现天线与馈线阻抗的匹配。

[0012] 进一步，所述馈电装置包括馈电底板、连接器，馈电探针，该馈电底板固定在第二绝缘装置上表面，连接器位于金属底板下表面，馈电探针与金属底板绝缘，其一端与馈电底
板连接，另一端穿过金属底板与连接器连接。馈电探针与馈电底板的连接点位于该馈电底
板的中心。

[0013] 进一步，所述通过调节有源振子中导电液体的高度，实现对天线谐振频率的可重构，是根据集液中空管的半径、导电液的相对介电常数和导电率，在集液中空管中设定与天
线谐振频率对应导电液的高度。

[0014] 本发明与现有技术相比，具有如下优点：

[0015] 1.本发明利用天线振子的物理长度影响天线的谐振频率的原理，有源振子集液中空管所盛装的导电液体高度，实现了对天线频率可重构的特性，与现有技术相比，有效拓宽
了天线的功能。

[0016] 2.本发明利用角形反射器天线的无源振子会影响天线的方向图的原理，通过控制两条无源振子臂中部分集液中空管所盛装的导电液体有无，以控制无源振子数量对天线方
向图的影响，从而实现天线波瓣宽度可调的效果，与现有技术相比，进一步拓宽了天线的功
能。

[0017] 3.本发明由于在有源振子和无源振子中设置了绝缘装置，可在有源振子中使馈电底板与金属底板形成一个类似加载介质的电容，在无源振子中使导电液体与金属底板形成
一个类似加载介质的电容，通过调节无源振子绝缘装置和有源振子绝缘装置的高度，实现
对这两个电容阻抗的调节，达到改变天线阻抗，使天线与馈线阻抗匹配的目的，而无需再设
计匹配网络，简化了天线结构的复杂度。

附图说明

[0018] 图1是本发明的整体结构示意图；

[0019] 图2是本发明中的馈电装置结构示意图；

[0020] 图3是本发明中有源振子集液中空管不同导电液体高度对应的S11曲线图；

[0021] 图4是本发明中无源振子不同数量在190兆赫兹对应的H面增益对比图；

[0022] 图5是本发明中第一绝缘装置和第二绝缘装置不同高度对应的S11曲线图。

具体实施方式

[0023] 以下结合附图和具体实例，对本发明作进一步详细说明。

[0024] 参照图1，本实例包括金属底板1、有源振子2和两条无源振子臂，每条无源振子臂由N个无源振子3组成，本实例设N≥3，这些无源振子3分别固定在金属底板1的两条边上，且
关于两条无源振子臂所形成夹角的角分线镜像对称，相邻无源振子3之间的距离相等；有源
振子2位于两条无源振子臂所形成夹角的角分线上。

[0025] 所述每个无源振子3，包括中空管31和第一绝缘装置32，该液中空管31与金属底板1垂直，第一绝缘装置32密封于中空管31的底部，部分中空管31内盛装有导电液体，在每条
无源振子臂上按照相邻或者间隔选择至少三个中空管31盛放导电液，这些盛有导电液的无
源振子在两条无源振子臂上对称放置，通过调节两条无源振子臂上这些盛有导电液的无源
振子数量，实现对天线水平波瓣宽度的均匀调节。

[0026] 所述有源振子2，包括集液中空管21、第二绝缘装置22以及导电液体，该集液中空管21与金属底板1垂直，第二绝缘装置22密封于集液中空管21底部，且与馈电装置4镶嵌，导
电液体盛装在集液中空管21中。根据集液中空管21的半径、导电液的相对介电常数和导电
率，在集液中空管21中设定与天线谐振频率对应的导电液高度，实现对天线谐振频率的可
重构。

[0027] 上述无源振子3中的绝缘装置32和有源振子2中的绝缘装置22，其高度均可调节，通过调节这两个绝缘装置的高度，可改变天线阻抗，实现天线与馈线阻抗的匹配。

[0028] 上述无源振子3和有源振子2中的导电液体采用液态金属或海水或氯化钠溶液，本实例采用但不限于相对介电常数为81的海水，其电导率为4西门子/米。

[0029] 所述馈电装置4包括馈电底板41、连接器42和馈电探针43，该馈电底板41固定在第二绝缘装置22上表面，连接器42位于金属底板1下表面，馈电探针43与金属底板1绝缘，其一
端与馈电底板41连接，另一端穿过金属底板1与连接器42连接。馈电探针43与馈电底板41的
连接点位于该馈电底板41的中心。

[0030] 所述金属底板1，作用是充当天线的地面，本实例的金属底板1采用正方形板材，由铁材料制成，其边长为2000mm，厚度为2mm，该金属底板1上打有一个圆孔，孔的中心在金属
底板的对角线上，距离金属底板1两条边的长度为600mm，孔的直径为8mm，该孔的作用是让
馈电探针43从中穿过，方便与连接器42连接，并防止馈电探针43与金属底板1短路。

[0031] 所述中空管31等距固定在金属底板1两边，其排布关于两条无源振子臂所形成夹角的角分线对称，以使天线波瓣关于两条无源振子臂所形成夹角的角分线对称，便于均匀
地调节波瓣宽度；该中空管31采用但不限于相对介电常数约为4的PVC材料制成，形状为圆
形，其内直径为50mm，高度为1100mm，厚度为2mm，所盛装导电液体高度为600mm，本实例设中
空管31的数量共有九个，并选择一个安放在两条无源振子臂的相交点，该相交点的中空管
位于距离金属底板1上圆孔最近的角上，其中心到金属底板1两个边的距离为77mm，剩下的
八个中空管31按照在两条无源振子臂上成对称分布的规则排列，这两条无源振子臂的夹角
为90度，相邻的中空管31中心之间的距离均为350mm。设置在中空管31中的第一绝缘装置
32，用于防止中空管中装有的导电液体与金属底板1发生短路。本实例的第一绝缘装置32采
用但不限于相对介电常数约为2.1的特氟龙材料制作，形状为圆柱体，高度为10mm，直径为
50mm；每个第一绝缘装置固定在中空管31的底部，其下表面与金属底板1的上表面接触。

[0032] 所述集液中空管21固定在两条无源振子臂所形成的夹角的角分线上，以使天线波瓣关于两条无源振子臂所形成的夹角的角分线对称；该集液中空管21采用但不限于相对介
电常数约为4的PVC材料制成，形状为圆形，其内直径为50mm，高度为1100mm，厚度为2mm，所
盛装导电液体高度为300mm；该集液中空管21垂直固定在金属底板1上，其中心与金属底板1
上的孔中心重合。该集液中空管21中的第二绝缘装置22，用于防止集液中空管21中导电液
体与金属底板1发生短路。本实例采用但不限于相对介电常数约为2.1的特氟龙材料制作，
形状为圆柱体，高度为10mm，直径为50mm；在该第二绝缘装置22的中心处打有圆孔，孔的直
径与馈电探针43的直径相等，大小为4mm，该圆孔的作用为让馈电探针43从中穿过，方便连
接馈电底板41。该第二绝缘装置22固定在集液中空管21的底部，其上的圆孔中心与金属底
板1上的孔中心重合，且该第二绝缘装置22的下表面与金属底板1的上表面接触；

[0033] 参照图2，所述馈电装置4的作用是给有源振子的集液中空管21导电液体馈电。该装置中的馈电底板41的作用是直接与集液中空管21中的导电液体接触进行馈电，其采用但
不限于铜制作，形状为圆形，其厚度D为2mm，直径R1为50mm；该装置中的连接器采用N型连接
器；该装置中的馈电探针43的作用是将从连接器42馈入的馈电信号传递给馈电底板41，其
采用但不限于铜制作，形状为圆柱形，其长度H1为12mm，直径R2为4mm。

[0034] 本发明的工作原理是：所述连接器42通过馈电探针43将馈电信号传输至馈电底板41，使有源振子的集液中空管21内的导电液体带电，该有源振子变为辐射体；该集液中空管
21内的带电导电液体辐射出的能量，被耦合到无源振子的中空管31内的导电液体上，使导
电液体带电，无源振子变为辐射体；然后通过调节集液中空管21所盛装导电液体的高度，来
控制有源振子的物理高度，从而影响天线的谐振频率，实现对天线谐振频率的可重构；通过
控制两条无源振子臂部分中空管31中的导电液体有无，来控制无源振子3的数量，从而影响
天线的方向图，实现对天线水平波瓣宽度的调节。

[0035] 以下给出对本发明天线水平波瓣宽度调节和对天线谐振频率可重构的几种仿真实例，以进一步说明本发明的优点。

[0036] 仿真实例1，对天线谐振频率的可重构：

[0037] 本实例利用商业软件HFSS进行仿真，设第一绝缘装置32和第二绝缘装置22高度均为30mm，两无源振子臂的9个中空管中均盛装导电液体，分别对集液中空管21中导电液体高
度为250mm，280mm，310mm，340mm这四种情况下天线的谐振频率进行仿真，其结果如图3所
示，其中，纵坐标表示天线的回波损耗S11，横坐标表示频率，单位为MHz。

[0038] 从图3可以看出，当有源振子的集液中空管21中导电液体高度为250mm时，对应的天线谐振频率为208MHz；当导电液体高度为280mm时，对应的天线谐振频率为195MHz；当导
电液体高度为310mm，对应的天线谐振频率为184MHz；当导电液体高度为340mm，对应的天线
谐振频率为175MHz。该结果表明，集液中空管21中不同导电液体高度对应着天线不同的谐
振频率，可通过调整源有振子2的导电液体高度实现天线频率可重构。

[0039] 仿真实例2，对水平波瓣宽度的调节。

[0040] 本实例利用商业软件HFSS进行仿真，设天线谐振频率为190兆赫兹，第一绝缘装置32和第二绝缘装置22高度为30mm，分别设置三个盛装导电液体的无源振子，5个盛装导电液
体的无源振子，7个盛装导电液体的无源振子和9个盛装导电液体的无源振子，在这四种情
况下仿真天线的H面增益，其中三个盛装导电液体的无源振子设在两无源振子臂的交点和
其相邻位置；五个盛装导电液体的无源振子设在两无源振子臂的交点和其相邻的4个位置；
其余两种情况依次类推，仿真结果如图4所示，其中，纵坐标表示天线的H面增益大小，单位
为dBi。

[0041] 图4中，曲线A表示设置三个盛装导电液体的无源振子时天线的H面增益结果，此时天线增益3dB波瓣宽度约为201度；曲线B表示设置五个盛装导电液体的无源振子时天线的H
面增益结果，此时天线增益3dB波瓣宽度约为94度；曲线C表示设置七个盛装导电液体的无
源振子时天线的H面增益结果，此时天线增益3dB波瓣宽度约为61度；曲线D表示设置九个盛
装导电液体的无源振子时天线的H面增益结果，此时天线增益3dB波瓣宽度约为52度；从这
四种结果可知，通过调整两个无源振子臂上装有导电液的无源振子2的数目可实现波瓣宽
度的调节。

[0042] 仿真实例3，天线阻抗匹配的验证。

[0043] 本实例利用商业软件HFSS进行仿真，设第一绝缘装置32和第二绝缘装置22高度在本实例仿真过程中始终相等，两无源振子臂的9个中空管中均盛装导电液体，分别设置第一
绝缘装置32和第二绝缘装置22的高度为15mm，20mm，25mm，30mm，在这四种情况下仿真天线
的谐振频率，其结果如图5所示，其中，纵坐标表示天线的回波损耗S11，横坐标表示频率，单
位为MHz。

[0044] 从图5中可以看出，天线阻抗带宽约为164MHz至219MHz，随着第一绝缘装置32和第二绝缘装置22高度不断变大，天线的回波损耗逐渐变小。该结果表明，通过调节第一绝缘装
置32和第二绝缘装置22的高度实现了天线的阻抗匹配。

[0045] 以上描述仅是本发明的优选实施方式，但并不仅仅受上述实施例的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创新构思的前提下所做出的若干变形和改进，
均属于本发明的保护范围。