基于介质加载的高效率水天线研究

发布时间：2020-03-28 03:13

【摘要】：信息传递各个环节随着技术的发展与研究的加深而不断地发展进步促进着通信技术的不断发展。天线作为无线通信技术中的一个关键环节,承担着极其重要的角色。而为了满足越来越严苛的通信技术标准,传统的结构设计越来越难以得到突破,这种情况下我们需要将更多研究精力投入到新材料在天线的设计与制造中去。而液体天线的概念就是新材料在天线设计中的一个非常重要的研究方向。水作为日常生活中最常见的材料,在天线设计中具有极其独特与优越的特性,利用其具有的流动性实现天线在诸如频率、方向图、极化方式等方面的可重构特性。利用其较高的介电常数可以将其视为电壁的特性,将其作为传统金属贴片的理性替代。利用其具有的较高的介电常数,将其作为一种高介电常数介质谐振器,能够有效地减小天线的物理尺寸。本论文主要以高介电常数的液体作为传统天线中金属贴片结构或者介质谐振器结构的替代材料设计天线,实现天线的小型化,可重构特性,在此目标基础上进一步研究如何增加液体天线的带宽,减小液体天线的介质损耗实现液体天线的高效率特性,具体工作如下:1、设计了一款宽带高效率液体倒F型天线。利用高介电常数的介质在电磁场中等效为电壁这一物理属性设计贴片天线,天线的辐射部分与短路部分都采用非金属低介电常数的透明亚克力材料包裹纯净水构成,相比较传统的金属贴片天线,液体贴片天线具有更宽的带宽,也克服了液体天线辐射效率低的弊端,同时,构建天线所使用的材料均为廉价易得的常见材料,天线的成本相比较传统的金属天线更为低廉。2、设计了一款应用于数字电视频段的水介质加载频率可重构E型贴片天线。通过在下层金属上开缝改变天线的电流分布实现天线的双模设计,在E型金属贴片上方加载一个方形液态水的介质谐振器,通过改变液体水的高度,一方面可以影响E型金属的两个基础模式,调节天线的匹配,另一方面可以在较高频段产生新的介质谐振模式,实现天线频率的可重构特性,能够实现覆盖数字电视的490-615MHz频段。3、设计了一款宽带高效率液体贴片天线。利用高介电常数的介质在电磁场中等效为电壁这一物理属性设计贴片天线,将高介电常数的水作为贴片,与地板之间形成一个类似金属腔体的环境,通过增加旋转对称结构引入新的新的模式,实现了天线的宽带设计,天线能够实现47%(2.02GHz-3.26GHz)的相对带宽,并且具有较高介质损耗的水介质并未参与天线的辐射,所以有效的减小了能量损耗实现了高辐射效率的设计,天线带宽内的辐射效率为78%-82%。
【图文】：

示意图,天线结构,示意图

导体天线一般被看作绝缘体，但是加入导电离子后就成为导体，这就使得液态在导体与绝缘体之间切换导电性。加入导电离子变为导体后，液体的的特性，，成为天线设计中金属辐射部分的有效替代。将导电的离子液设计中的构想始于 2005 年 Ewananovil Paraschakis 所在团队设计的一他们首先提出了“离子液体天线”这一液体天线概念。天线的结构如图基本模型为一个单极子天线，总体的设计思路是将导电海水作为单极代，在 SMA 探针的顶端加载金属螺母和金属圆盘作为馈电设计，馈一个由低介电常数的非导体 PVC 材料为容器包裹的海水单极子中，加了金属部分在馈电设计中的使用，有效的解决了单纯海水单极子天成的热损耗较多，导致天线辐射效率低的问题。文章同时研究了液体单极子的直径以及高度等因素对天线的带宽和中心频率的影响。

时天,回波损耗,直径,浓度

图 1- 2 直径 25mm 高度 40mm 浓度 35ppt 时天线的回波损耗图 1- 3 直径 25mm 高度 80mm 浓度 35ppt 时天线的回波损耗状态下的天线性能，一个是在不加盐水时，单纯的率为 2GHz，天线的-10dB 工作带宽只有约 500MH 时在加入盐水浓度为 35ppt 之后，天线的中心频率效的改善，能够覆盖 1GHz 左右的-10dB 工作带宽显示的是直径 25mm 高度 80mm 浓度 70ppt 时天线
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN826

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