新型水天线的理论研究与设计

发布时间：2020-11-15 08:31

　　 相较传统天线,以液体为辐射材料的天线具备众多优势。尤其是相对于固体天线,液体天线的结构易于改变,从而天线的可重构能力有很大提高。一般的液体天线多为液态金属天线,部分天线材料成本较高,且对人体有害。为解决这些问题,20世纪初期,研究人员提出水天线的概念,即使用水及其盐溶液作为液体天线的主要材料。水天线不仅解决了液态金属天线的缺点,还具有透明,高介电常数等优势,因此具有较大的工程价值。本文主要利用海水设计了多种宽带可重构单极子天线,之后使用蒸馏水设计了三类宽带混合DRA(DRA,Dielectric Resonator Antenna)。本文首先分析了圆柱形金属单极子天线的宽带原理,基于此原理设计了圆柱形海水单极子天线,分析了参数如水柱高度,半径等对天线阻抗带宽,效率等性能的影响,优化参数后得到了一种宽带圆柱形海水单极子天线,此天线在其工作频带内的效率基本大于50%,同时相对带宽达到95.5%。为了减少这种天线的重量,提出一种圆环形海水单极子天线。基于均匀截面单极子天线的等效半径原理,设计了一种矩形海水单极子天线,分析了影响天线性能的主要参数,天线在优化后具有较大的带宽。为了使这种天线具有方向图以及频带重构特性,设计了一种加载T形水柱的矩形海水单极子天线,分析了此种天线的重构原理,优化参数后,天线有较好的频带以及方向图重构能力。随后,为减少矩形海水单极子天线所用地板的尺寸,提出了一种增加过渡结构的低剖面矩形海水单极子天线,分析了过渡结构对天线阻抗匹配的改善作用,参数优化后,天线相对带宽可达到64.6%,同时其剖面高度只有工作上限频率对应波长的0.04。基于锥形单极子天线的宽频特性,提出一种顶部加载海水圆柱的锥形海水单极子天线,分析了加载海水圆柱高度等参数对天线带宽的影响。优化参数后,天线有较大带宽。为了增大这种天线在高频时的水平增益,在其周围加载了一个同心的环形海水柱。结果表明,加载环形海水柱不仅实现了天线在高频处的方向图重构,还降低了天线的反射系数。天线在加载环形水柱前后,其工作频带的绝对带宽均大于212MHz,倍频程大于4.2。基于混合DRA的工作原理,首先提出一种加载金属筒的圆环形蒸馏水混合DRA,通过金属筒调节馈电探针和圆环形蒸馏水介质谐振器(DR,Dielectric Resonator)之间的耦合作用,实现了较宽的工作频带。为了进一步增大带宽,设计了一种新型蒸馏水混合DRA,该天线通过将锥形和半球形蒸馏水DR组合使用,实现了更好的阻抗匹配,工作带宽有一定提高。最后为了降低水的介质损耗,提出一种改进馈电结构的圆环形蒸馏水混合DRA。通过在同轴馈线内导体和天线探针之间增加一个锥形过渡结构,实现了较好的阻抗匹配,天线带宽相较之前提出的两类混合DRA有较大提高,其相对带宽可达83.8%,同时由于天线工作频率较低,水的介质损耗大幅下降。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN820
【部分图文】：

线的热损耗低，并且由于水是光透明的，因此以水以是透明的。同时水容易获取，低成本，无毒无植入设备等[18]。主要是纯水保持液态的温度范围比较小以及纯水同时由于蒸馏水相对介电常数比较高，使得一般频带较窄。部分缺点目前已有一些应对措施，比如水的冰点，提高水维持液态的温度范围。对于蒸馏以使用一些特殊的天线结构来增大带宽。总的来点后，其具有较高的工程价值。国内外研究现状及分析究现状azem Fayad，Paul Record 等人首次制备出具有一定单极子天线[19]。其简化结构如图 1-1。

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文014 年，Zhongxiang Shen 等人提出一种用于海上 VHF 波段通信单极子天线[20]。几何结构如图 1-2，容器采用厚度很薄的透明，馈电结构仍然为同轴馈电，为了增强同轴馈电的效果，在同一个导电盘。介质基板材料为 Teflon。通过改变海水柱高度 带得到重构。当水深在 300mm 至 1000mm 变化，天线的谐振频5MHz~180.2MHz 之间变化，相对带宽对应在 26.1%~49.2%之间频带可重构能力较强。

a) 天线剖面图 b) 天线实物图图 1-2 天线结构图，Changzhou Hua，Zhenxin Hu 等人提出一种新型频带天线[21]。如图 1-3 所示，不同于之前的静态海水天线水泵可以将水从容器中喷出，这将形成一个较高的水圆柱形，容器口较小，从而增加了水柱喷射的最大高水柱的高度及宽度来实现天线频带重构。
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本文编号：2884559