CN115603035A - 一种高性能的小型离子液体天线 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种高性能的小型离子液体天线，包括：地板、设在地板上的谐振器以及设在谐振器顶部的辐射器；谐振器和辐射器均为筒状结构，且内部连通构成容纳腔室；容纳腔室内设有离子液体，以作为液体天线的辐射源；谐振器为圆筒状结构或中空且倒置的圆台结构；辐射器有多个，多个辐射器沿竖向层叠分布；辐射器为倒置的圆台结构；还包括：反射器；反射器为设在地板上的筒状结构，且反射器环绕在谐振器和辐射器的外侧；还包括：反射膜；反射膜设在反射器的内壁上，以用于反射辐射器辐射的电磁波。本申请能够拓展天线在高频段的带宽、增强辐射性能，且介电性能稳定、液态工作范围大、易于安装和集成。

Description

一种高性能的小型离子液体天线

技术领域

本申请涉及通信天线技术领域，特别是涉及一种高性能的小型离子液体天线。

背景技术

随着科技发展水平的提高，传统的金属天线已渐渐被介质谐振天线取代，现有介质谐振天线的材质主要是水，水天线主要采用纯水、盐水(海水)、自来水等作为材料，具有低成本、可重构、易获取、小型化、绿色环保的优势。

但是随着无线通信的发展，对天线的设备的性能要求越来越高，水天线在实际应用中存在不可避免的问题：

1)水的介电常数在常温下为78左右，其介电性能对频率变化非常敏感，即介电损耗在3G以上，随频率增高会出现飞速增长，从而导致天线在工作在高频段时，其辐射损耗急剧增大，而降低天线的性能；

2)水的的介电常数较高，会导致带宽较窄，无法适应对宽频带和大数据容量传输的需求；

3)水的液态工作范围小，当环境的温度低于0℃或者高于100℃，液体天线的液态材料会变为固体或者气体，会表现与液态完全不一样的介电性能；

4)目前绝大多数水天线都是采用金属和水液体的混合式天线，未达到完全去金属化，不易安装和集成。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种高性能的小型离子液体天线，能够拓展天线在高频段的带宽、增强辐射性能，且介电性能稳定、液态工作范围大、易于安装和集成。

一种高性能的小型离子液体天线，包括：地板、设在所述地板上的谐振器以及设在所述谐振器顶部的辐射器；

所述谐振器和所述辐射器均为筒状结构，且内部连通构成容纳腔室；所述容纳腔室内设有离子液体，以作为液体天线的辐射源。

在一个实施例中，所述谐振器为圆筒状结构或中空且倒置的圆台结构。

在一个实施例中，所述辐射器有多个，多个所述辐射器沿竖向层叠分布。

在一个实施例中，所述辐射器为倒置的圆台结构。

在一个实施例中，还包括：反射器；

所述反射器为设在所述地板上的筒状结构，且所述反射器环绕在所述谐振器和所述辐射器的外侧。

在一个实施例中，还包括：反射膜；

所述反射膜设在所述反射器的内壁上，以用于反射所述辐射器辐射的电磁波。

在一个实施例中，所述反射器为倒置的棱台结构。

在一个实施例中，还包括：导电膜；

所述导电膜固定设在所述地板的底部，以用于反射电磁波。

在一个实施例中，还包括：同轴馈电结构；

所述同轴馈电结构的同轴内导体穿过所述导电膜和所述地板后伸入所述离子液体中，所述同轴馈电结构的同轴外导体与所述地板相连。

在一个实施例中，所述离子液体为三己基十四烷基氯化膦、1-乙基-3-甲基二氰胺、乙酸乙酯、丙酮、乙腈或油。

上述高性能的小型离子液体天线，设置了谐振器与辐射器叠加的结构，可以产生多重介质谐振模式叠加(低阶模式、高阶模式，混合模式等等)，增强天线的辐射特性，并进一步改善天线的阻抗匹配，在同等尺寸的条件下，极大地拓宽了天线的工作频带，在同等工作频带的要求下，极大地缩小了天线的尺寸，使之满足实际应用的要求；而且采用介电性能稳定的有机离子液体作为辐射材料，充分发挥了离子液体在高频段的优良介电性能，随着频率的增加，天线的介质损耗仍然较低，能够进一步的提高天线的增益，使得天线可以稳定工作并保持较高的辐射效率，可以满足液体天线在复杂无线通信系统的要求；该液体天线可以在12.7GHz-17.1GHz实现宽频带、高增益、高透明的效果，且介电性能稳定、液态工作范围大、结构简单、尺寸小，具有辐射效率高、结构灵活、可重构性强、透光率高、成本低、易获取和绿色环保的特点，适合复杂通信环境，工程应用前景广阔，可以广泛应用于新型天线、基站天线、可重构天线和物联网等通信领域。

附图说明

图1为一个实施例中高性能的小型离子液体天线的立体结构示意图之一；

图2为一个实施例中高性能的小型离子液体天线的立体结构示意图之二；

图3为一个实施例中高性能的小型离子液体天线的正视图；

图4为一个实施例中高性能的小型离子液体天线的俯视图；

图5为一个实施例中高性能的小型离子液体天线的S11曲线示意图；

图6为一个实施例中高性能的小型离子液体天线在12.7GHz的E面辐射方向图；

图7为一个实施例中高性能的小型离子液体天线在13.5GHz的E面辐射方向图；

图8为一个实施例中高性能的小型离子液体天线在14.5GHz的E面辐射方向图；

图9为一个实施例中高性能的小型离子液体天线在15GHz的E面辐射方向图；

图10为一个实施例中高性能的小型离子液体天线在16GHz的E面辐射方向图；

图11为一个实施例中高性能的小型离子液体天线在17GHz的E面辐射方向图。

附图编号：

地板1，谐振器2，辐射器3，离子液体4，反射器5，反射膜6，导电膜7，同轴内导体8，同轴外导体9。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多组”的含义是至少两组，例如两组，三组等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，本申请各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

如图1至图4所示，本申请提供的一种高性能的小型离子液体天线，在一个实施例中，包括：地板1、设在地板1上的谐振器2以及设在谐振器2顶部的辐射器3；

谐振器2和辐射器3均为筒状结构，且内部连通构成容纳腔室；容纳腔室内设有离子液体4，以作为液体天线的辐射源。

在本实施例中，地板1作为支撑地板。

本申请不限制地板1的大小、形状和材质，可以根据实际情况进行设置。优选的，地板1为方形的树脂板。

本申请不限制谐振器2和辐射器3的具体形状，可以根据实际情况进行设置，例如：圆柱形结构、棱柱结构、倒置的圆台结构或倒置的棱台结构等。

本申请不限制辐射器3的数量，可以根据实际情况设置，例如：一个、两个甚至更多。

优选地，谐振器2为圆筒状结构，辐射器3有多个且均为倒置的圆台结构，多个辐射器3沿竖向层叠分布。

在本实施例中，离子液体4为三己基十四烷基氯化膦、1-乙基-3-甲基二氰胺、乙酸乙酯、丙酮、乙腈或油。

优选地，离子液体4选用三己基十四烷基氯化膦(即：TPC，trihexyl tetradecylphosphonium chloride)，其液态工作范围为-69.8℃—350℃，常温下相对介电常数约为3.1，电导率约为0.00025S/m，损耗角正切约为0.001，几乎没有导电性，是产生介质谐振的理想材料，液态工作范围大，适应环境能力强，并且随着频率的升高，介质的损耗几乎没有影响，仍然保持较低的值。

在本实施例中，还包括：同轴馈电结构；同轴馈电结构的同轴内导体8穿过地板1后伸入离子液体4中，同轴馈电结构的同轴外导体9与地板1相连。

地板1的中心位置处设有通孔，以便于同轴内导体8穿过该通孔后深入离子液体4。

需要说明，介质谐振的模式本质上是由电磁波在介质内部传播时受到介质内壁的限制和反射从而形成无限多种电磁场的分布，每一种电磁场分布称为模式。根据电磁边界条件，模式的具体求解可以利用贝塞尔函数求得，贝塞尔函数规定第一个零点定为最低的模式(称为基模)，相对来说其他零点定义为高次模。

在本申请中，天线可以产生多重介质谐振模式的叠加，包括低阶模式、高阶模式、混合模式等等。其中，低阶模式是由基模产生的，指的是TEmn或者TMmn模式(这里的m和n数值比较小，例如TE01、TE11、TM01等模式)，高阶模式是由高次模产生的，指的是TEmn或者TMmn模式(这里的m和n数值比较大，例如TE31、TM51等模式)，混合模式指的HEMmnδ模式，是不单纯的TE或者TM模式，也就是在传播方向上既有电场分量又有磁场分量。

在本申请中，多重介质叠加相当于多个介质谐振叠加，每个介质谐振器产生的电磁模式不同，每个模式都对应着不同的谐振频带，通过介质谐振器的结构设置(本申请中是谐振器与辐射器的叠加)，以及调节各个介质谐振器的尺寸，使得不同的介质谐振器产生的谐振频带在一定的频率范围内混合交叠，便可以改善天线的阻抗匹配，实现更宽的频带。

上述高性能的小型离子液体天线，设置了谐振器与辐射器叠加的结构，可以产生多重介质谐振模式叠加(在谐振器和辐射器中激励出低阶模、高阶模、混合模等)，增强天线的辐射特性，并进一步改善天线的阻抗匹配，在同等尺寸的条件下，极大地拓宽了天线的工作频带，在同等工作频带的要求下，极大地缩小了天线的尺寸，使之满足实际应用的要求；而且采用介电性能稳定的有机离子液体作为辐射材料，充分发挥了离子液体在高频段的优良介电性能，随着频率的增加，天线的介质损耗仍然较低，能够进一步的提高天线的增益，使得天线可以稳定工作并保持较高的辐射效率，可以满足液体天线在复杂无线通信系统的要求；该液体天线可以在12.7GHz-17.1GHz实现宽频带、高增益、高透明的效果，且介电性能稳定、液态工作范围大、结构简单、尺寸小，具有辐射效率高、结构灵活、可重构性强、透光率高、成本低、易获取和绿色环保的特点，适合复杂通信环境，工程应用前景广阔，可以广泛应用于新型天线、基站天线、可重构天线和物联网等通信领域。

优选地，还包括：反射器5和反射膜6；反射器5为设在地板1上的筒状结构，且反射器5环绕在谐振器2和辐射器3的外侧；反射膜6设在反射器5的内壁上，以用于反射辐射器辐射的电磁波。

反射器5的设置可以使天线的辐射波束更加大幅度集中，方向性更强，在不增大天线结构尺寸的情况下，可以极大地提高天线的辐射增益和辐射效率；反射膜可以选用透明的TCF(即：transparent conductive film)，可以等效成理想导体，反射电磁波。

本申请不限制反射器5的形状，可以根据实际情况进行设置，只要反射器的横截面具有从下至上渐渐增大的趋势即可。

优选地，反射器5为倒置的棱台结构。棱台结构的反射器具有相对的斜面，使得辐射器辐射的电磁波可以在反射器表面的反射膜上发生反射，并在反射后交汇于天线中心，进一步提高天线辐射的增益。

进一步优选地，反射器5为倒置的四棱台结构，方便加工且反射性能较佳。

本实施例的工作过程是：电磁波经同轴外导体和同轴内导体传递到离子液体中，经离子液体辐射到大气中，并沿辐射器传递到反射器，在反射器表面的反射膜上发生发射后交汇，进一步辐射出去。

在一个实施例中，还包括：导电膜7；导电膜7固定设在地板1的底部，以用于反射电磁波。

在本实施例中，同轴馈电结构的同轴内导体8穿过导电膜7和地板1后伸入离子液体4中。

在本实施例中，导电膜7可以选用透明的TCF，其表面电阻的范围是为5-20Ω/sq，方阻的大小与导电率的大小成反比，影响地板反射电磁波的效果，越小方阻的透明导电膜可近似替代金属起到反射地板的作用，使地板在作为支撑地板的同时还作为反射地板，因此可以在实际情况中，选择表面电阻(即方阻)较小的导电膜。使用透明导电膜代替金属地板，目的是替代理想导电体，在提高增益的同时，进一步提高天线的透明度。

在一个实施例中，液体天线的地板1、谐振器2、辐射器3和反射器5均由3D打印而成，且其材质均选择光敏树脂，介电常数常温下为2.8—3.3左右，真正地实现液体天线的去金属化，提高了天线透明度。

优选地，在一个具体的实施例中，谐振器的直径为100mm，高度为15mm；两个辐射器叠加在谐振器上，辐射器的直径为76.7mm，高度为17.5mm，倾斜角度为60°；反射器的边长为152mm，高度为50mm，厚度为3mm，倾斜角度为23°；谐振器、辐射器和反射器的中心共线；透明导电膜的厚度为12.5-125um。

本实施例中，将介电性能优越且稳定、损耗小、并随频率增加变化不敏感的离子液体应用在液体天线中，可以将液体天线拓展到高频段，实现稳定高效工作；两个圆台形状的辐射器叠加在圆柱体谐振器上方可以进一步增加天线的波束集中程度；在不增加天线结构尺寸的状况下，在谐振器周围加载一个楞台形状的反射器，在反射器的内壁贴有透明导电膜，可以大幅度提高天线的增益，结合离子液体本身的特性，使液体天线性能达到最优；应用离子液体和介质容器产生的多重介质模式可以进一步改善阻抗匹配，实现宽带工作的特性；最后，通过在方形树脂底板的下表面粘贴具有高导电率的透明导电膜可以使之等效为金属理想导体，起到反射电磁波的作用。

本申请使用电磁软件CST对液体天线进行仿真分析和优化，对其结构参数、S参数以及辐射方向图进行了研究。

如图5所示的S参数值随频率的变化曲线。从图中可知，天线的工作频带为12.7GHz-17.1GHz(<-10dB)，其相对带宽为29.3％。

图6至图11给出了本发明在工作频带内不同频点的E面辐射方向图，从方向图中可以看出天线在工作频带内具有较强的辐射特性。具体的：

图6为12.7GHz的E面辐射方向图，增益为12.8dBi；

图7为13.5GHz的E面辐射方向图，增益为10.1dBi；

图8为14.5GHz的E面辐射方向图，增益为13.4dBi；

图9为15GHz的E面辐射方向图，增益为14.6dBi；

图10为16GHz的E面辐射方向图，增益为13.2dBi；

图11为17GHz的E面辐射方向图，增益为11.1dBi。

本申请的液体天线，能够克服现有常规水天线在高频段(>6GHz)辐射效率极低、频带窄、液态工作范围小以及透光率低的缺点，通过加载圆柱形谐振器、圆台形辐射器以及棱台形反射器，并在地板底部以及反射器的内壁上贴有透明导电薄膜，同时利用性能稳定的低损耗离子液体的特性，实现了该液体天线宽频带、高增益、高透明度的工作特性，并且具有结构简单灵活，易于安装，绿色环保等优势，可以广泛应用于新型天线、基站天线、物联网等多个领域中。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种高性能的小型离子液体天线，其特征在于，包括：地板、设在所述地板上的谐振器以及设在所述谐振器顶部的辐射器；

所述谐振器和所述辐射器均为筒状结构，且内部连通构成容纳腔室；所述容纳腔室内设有离子液体，以作为液体天线的辐射源。

2.根据权利要求1所述的小型离子液体天线，其特征在于，所述谐振器为圆筒状结构或中空且倒置的圆台结构。

3.根据权利要求2所述的小型离子液体天线，其特征在于，所述辐射器有多个，多个所述辐射器沿竖向层叠分布。

4.根据权利要求3所述的小型离子液体天线，其特征在于，所述辐射器为倒置的圆台结构。

5.根据权利要求1至4任一项所述的小型离子液体天线，其特征在于，还包括：反射器；

所述反射器为设在所述地板上的筒状结构，且所述反射器环绕在所述谐振器和所述辐射器的外侧。

6.根据权利要求5所述的小型离子液体天线，其特征在于，还包括：反射膜；

所述反射膜设在所述反射器的内壁上，以用于反射所述辐射器辐射的电磁波。

7.根据权利要求6所述的小型离子液体天线，其特征在于，所述反射器为倒置的棱台结构。

8.根据权利要求1至4任一项所述的小型离子液体天线，其特征在于，还包括：导电膜；

所述导电膜固定设在所述地板的底部，以用于反射电磁波。

9.根据权利要求8所述的小型离子液体天线，其特征在于，还包括：同轴馈电结构；

所述同轴馈电结构的同轴内导体穿过所述导电膜和所述地板后伸入所述离子液体中，所述同轴馈电结构的同轴外导体与所述地板相连。

10.根据权利要求1至4任一项所述的小型离子液体天线，其特征在于，所述离子液体为三己基十四烷基氯化膦、1-乙基-3-甲基二氰胺、乙酸乙酯、丙酮、乙腈或油。

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