一种基于液体的三极化可重构阵列天线

1.本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于液体的三极化可重构阵列天线。


背景技术：

2.随着电子技术的迅猛发展，电子系统呈现出超宽带、大容量、多功能的发展趋势，导致电子系统中天线的数量剧增，这对于提高电子系统电磁兼容性、减轻重量、降低成本是一个很大的挑战,也成了制约无线通信快速发展和应用的一大瓶颈。可重构天线作为一种新型的天线,由于对于解决无线通信的这一瓶颈问题具有一定的效果而备受国内外关注。极化可重构天线可以根据实时环境的变化选择合适的极化方式，这样就能有效的减少极化失配带来的功率损失，增强信号的抗干扰能力，提高系统的传输效率。
3.目前为了实现可重构特性一般使用pin二极管或液态金属作为开关控制天线的电流方向。液态金属相比pin二极管有着以下几点优势：导电性良好、延展性、流动性。国内外也有学者对于极化可重构天线进行了一系列的研究。例如，chen qingqing等人在论文《a polarization-reconfigurable high-gain microstrip antenna》中提出了一种极化可重构的微带天线，采用pin二极管控制圆形贴片的电流，成功地实现了可切换的三种极化形式，但其pin二极管存在损耗问题以及控制复杂的问题；xu chang等人在论文《a polarization-reconfigurable wideband high-gain antenna using liquid metal tuning》中提出了一种基于液态金属的极化可重构天线，该天线的极化方式切换通过改变液态金属的位置来实现，但是此天线有13个开关所以依旧存在着控制复杂的问题。


技术实现要素：

4.为解决现有技术的步骤，本发明提供一种基于液体的三极化可重构阵列天线。该天线使用一个双向开关和一个微流泵控制阵列排布的辐射单元的半环形缺口内的塑胶管道内的液体的状态，通过液体的状态改变天线的表面电流，从而产生三种不同的极化方式。该天线具有结构简单、体积小、控制简单的优点，方便生产与应用。
5.本发明采用如下技术方案：一种基于液体的三极化可重构阵列天线，其特征在于，该天线包括介质基板、辐射单元、接地面、塑胶管道、微流泵、直流电源、双向开关，所述介质基板的正面印刷有辐射单元，所述介质基板的背面被接地面全覆盖；
6.所述辐射单元包括一号辐射单元和二号辐射单元，一号辐射单元与二号辐射单元的尺寸相同，其外部轮廓所在的区域为正方形；二号辐射单元为一号辐射单元在平面上右转90
°
而得；
7.在一号辐射单元的左、右两侧边缘处或者上、下两侧边缘处各设置有一个半环形缺口，对应半环形缺口所在圆的圆心为一号辐射单元的左、右两侧边缘线或者上、下两侧边缘线上的点；当半环形缺口设置于一号辐射单元的左、右两侧边缘处，左、右两侧的半环形缺口的开口端相背设置，一号辐射单元的左侧边缘处的半环形缺口的下端与一号辐射单元
的左侧的下端之间的距离与一号辐射单元的右侧边缘处的半环形缺口的上端与一号辐射单元的右侧的上端之间的距离相等；当半环形缺口设置于一号辐射单元的上、下两侧边缘处，上、下两侧的半环形缺口的开口端相背设置，一号辐射单元的上侧边缘处的半环形缺口的左端与一号辐射单元的上侧的左端之间的距离与一号辐射单元的下侧边缘处的半环形缺口的右端与一号辐射单元的下侧的右端之间的距离相等；
8.辐射单元为由一号辐射单元和二号辐射单元以交替排布的方式形成的阵列结构，同一行中相邻的两个阵列单元不相同但间距均相同，同一列中相邻的两个阵列单元也不相同但间距均相同；
9.所述塑胶管道包括半环形管道与垂直设置在半环形管道顶面两端的一号接口和二号接口，所述塑胶管道的半环形管道的尺寸与辐射单元上的半环形缺口相匹配，一号辐射单元和二号辐射单元上的每一个半环形缺口处均通过粘合的方式固定有一个塑胶管道，且每一个塑胶管道的一号接口与对应辐射单元的其安装位置的边缘处的同一侧的末端距离相等；即，当一个塑胶管道的一号接口位于一号辐射单元的左侧的半环形缺口的下部时，则另一个塑胶管道的一号接口位于一号辐射单元的右侧的半环形缺口的上部，该塑胶管道的一号接口与一号辐射单元的左侧的下部的末端和另一个塑胶管道的一号接口与一号辐射单元的右侧的上部的末端之间的距离相等；所有塑胶管道的半环形管道的一号接口分别通过导液管和多通转换接头与微流泵的输入端口连通，所有塑胶管道的半环形管道的二号接口分别通过导液管和多通接头与微流泵的输出端口连通，所有半环形管道分别通过导液管、多通转换接头与微流泵之间构成封闭回路；在该封闭回路的管路内填充有液体，填充的液体的体积与该封闭回路的管路的内空间体积相等；该液体为液态金属或二甲基硅油；微流泵与双向开关电相连，双向开关与直流电源电连接，双向开关通过其开关方向控制直流电源与微流泵的连接方式，进而控制微流泵中的电机的转动方向；
10.该天线馈电方式为同轴馈电，通过sma接头赋予激励，每一个一号辐射单元、二号辐射单元的中部均分别通过一个sma接头获得激励电源。
11.与现有技术相比，本发明天线的有益效果是：该天线使用一个双向开关和一个微流泵控制阵列排布的辐射单元的半环形缺口内的塑胶管道内的液体的状态，通过液体的状态改变天线的表面电流，产生两种简并模tm01和tm10，通过一个双向开关和一个微流泵便可灵活切换左旋圆极化、右旋圆极化、线极化三种极化方式；该天线结构简单，体积小，成本低，控制效率高，方便生产与应用。
附图说明
12.图1是本发明一种基于液体的三极化可重构阵列天线一种实施例的介质基板的正面结构示意图。
13.图2是本发明一种基于液体的三极化可重构阵列天线一种实施例的介质基板的背面结构示意图。
14.图3是本发明一种基于液体的三极化可重构阵列天线一种实施例的塑胶管道的结构示意图。
15.图4是本发明一种基于液体的三极化可重构阵列天线一种实施例的微流泵、双向开关、直流电源之间的连接示意图。
16.图5是本发明实施例1中的基于液体的三极化可重构阵列天线的回波损耗(
│s11
│
)曲线图(lhcp表示液体正向流动状态下的天线，rhcp表示液体反向流动状态下的天线)。
17.图6是本发明实施例1中的基于液体的三极化可重构阵列天线的轴比特性(ar)曲线图(lhcp表示液体正向流动状态下的天线，rhcp表示液体反向流动状态下的天线)。
18.图7是本发明实施例1中的基于液体的三极化可重构阵列天线在3.4ghz时辐射左旋圆极化波的方向图(即液体正向流动状态下的天线的辐射方向图)。
19.图8是本发明实施例1中的基于液体的三极化可重构阵列天线在3.4ghz时辐射右旋圆极化波的方向图((即液体反向流动状态下的天线的辐射方向图))。
20.图1中，1—介质基板，2—辐射单元，3—半环形缺口，4—接地面，5—塑胶管道，6—微流泵，7—双向开关，8—直流电源。
具体实施方式
21.下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明。
22.本发明一种基于液体的三极化可重构阵列天线(简称天线)，该天线包括介质基板、辐射单元、接地面、塑胶管道、微流泵、直流电源、双向开关，所述介质基板的正面印刷有辐射单元，所述介质基板的背面被接地面全覆盖；
23.所述辐射单元包括一号辐射单元和二号辐射单元，一号辐射单元与二号辐射单元的尺寸相同，其外部轮廓所在的区域为正方形。二号辐射单元为一号辐射单元在平面上右转90
°
而得。
24.在一号辐射单元的左、右两侧边缘处或者上、下两侧边缘处各设置有一个半环形缺口，对应半环形缺口所在圆的圆心为一号辐射单元的左、右两侧边缘线或者上、下两侧边缘线上的点。当半环形缺口设置于一号辐射单元的左、右两侧边缘处，左、右两侧的半环形缺口的开口端相背设置，一号辐射单元的左侧边缘处的半环形缺口的下端与一号辐射单元的左侧的下端之间的距离与一号辐射单元的右侧边缘处的半环形缺口的上端与一号辐射单元的右侧的上端之间的距离相等。当半环形缺口设置于一号辐射单元的上、下两侧边缘处，上、下两侧的半环形缺口的开口端相背设置，一号辐射单元的上侧边缘处的半环形缺口的左端与一号辐射单元的上侧的左端之间的距离与一号辐射单元的下侧边缘处的半环形缺口的右端与一号辐射单元的下侧的右端之间的距离相等。
25.辐射单元为由一号辐射单元和二号辐射单元以交替排布的方式形成的阵列结构，同一行中相邻的两个阵列单元不相同但间距均相同，同一列中相邻的两个阵列单元也不相同但间距均相同。
26.所述塑胶管道包括半环形管道与垂直设置在半环形管道顶面两端的一号接口和二号接口，所述塑胶管道的半环形管道的尺寸与辐射单元上的半环形缺口相匹配，一号辐射单元和二号辐射单元上的每一个半环形缺口处均通过粘合的方式固定有一个塑胶管道，且每一个塑胶管道的一号接口与对应辐射单元的其安装位置的边缘处的同一侧的末端距离相等。即，当一个塑胶管道的一号接口位于一号辐射单元的左侧的半环形缺口的下部时，则另一个塑胶管道的一号接口位于一号辐射单元的右侧的半环形缺口的上部，该塑胶管道的一号接口与一号辐射单元的左侧的下部的末端和另一个塑胶管道的一号接口与一号辐射单元的右侧的上部的末端之间的距离相等；半环形管道的径向截面为圆形。所有塑胶管
道的半环形管道的一号接口分别通过导液管和多通转换接头与微流泵的输入端口连通，所有塑胶管道的半环形管道的二号接口分别通过导液管和多通接头与微流泵的输出端口连通，所有半环形管道分别通过导液管、多通转换接头与微流泵之间构成封闭回路；在该封闭回路的管路内填充有液体，填充的液体的体积与该封闭回路的管路的内空间体积相等。该液体为液态金属或二甲基硅油。微流泵与双向开关电相连，双向开关与直流电源电连接，双向开关通过其开关方向控制直流电源与微流泵的连接方式，进而控制微流泵中的电机的转动方向。
27.辐射单元具体可以通过腐蚀的方式得到。该天线馈电方式为同轴馈电，通过sma接头赋予激励，每一个一号辐射单元、二号辐射单元的中部均分别通过一个sma接头获得激励电源。
28.本发明基于液体的三极化可重构阵列天线，当微流泵不工作时，封闭回路的管路内填充的液体处于静止状态，此时，天线处于线极化状态，即电场矢量沿着一条线做往复运动，称之为线极化；当微流泵的电机正向转动时，封闭回路的管路内填充的液体处于正向流动状态，即所有的塑胶管道内的液体由一号接口流向二号接口，此时，天线处于左旋圆极化状态，即一个椭圆的或圆的极化波，它的电场向量在任一正交于传播方向的固定平面内，沿着传播方向观察时，随着时间沿左手方向旋转。当微流泵6的电机反向转动时，封闭回路的管路内填充的液体处于反向流动状态，即所有的塑胶管道内的液体由二号接口流向一号接口，此时，天线处于右旋圆极化状态，即一个椭圆的或圆的极化波，它的电场向量在任一正交于传播方向的固定平面内，沿着传播方向观察时，随着时间沿右手方向旋转。
29.实施例1
30.本实施例提供一种基于液体的三极化可重构阵列天线(参见图1-4)，该天线包括介质基板1、辐射单元2、接地面4、塑胶管道5、微流泵6、直流电源8、双向开关7，所述介质基板1的正面印刷有辐射单元2，所述介质基板1的背面被接地面4全覆盖；
31.所述辐射单元2包括一号辐射单元和二号辐射单元，一号辐射单元与二号辐射单元的尺寸相同，其外部轮廓所在的区域为正方形。二号辐射单元为一号辐射单元在平面上右转90
°
而得。
32.在一号辐射单元的左、右两侧边缘处或者上、下两侧边缘处各设置有一个半环形缺口3，对应半环形缺口3所在圆的圆心为一号辐射单元的左、右两侧边缘线或者上、下两侧边缘线上的点。当半环形缺口3设置于一号辐射单元的左、右两侧边缘处，左、右两侧的半环形缺口3的开口端相背设置，一号辐射单元的左侧边缘处的半环形缺口3的下端与一号辐射单元的左侧的下端之间的距离与一号辐射单元的右侧边缘处的半环形缺口3的上端与一号辐射单元的右侧的上端之间的距离相等。当半环形缺口3设置于一号辐射单元的上、下两侧边缘处，上、下两侧的半环形缺口3的开口端相背设置，一号辐射单元的上侧边缘处的半环形缺口3的左端与一号辐射单元的上侧的左端之间的距离与一号辐射单元的下侧边缘处的半环形缺口3的右端与一号辐射单元的下侧的右端之间的距离相等。
33.辐射单元2为由一号辐射单元和二号辐射单元以交替的方式排布形成的2
×
4的阵列结构，同一行中相邻的两个阵列单元不相同但间距相同，同一列中相邻的两个阵列单元也不相同但间距相同。
34.所述塑胶管道5包括半环形管道与垂直设置在半环形管道顶面两端的一号接口和
二号接口，所述塑胶管道5的半环形管道的尺寸与辐射单元2上的半环形缺口3相匹配，一号辐射单元和二号辐射单元上的每一个半环形缺口3处均通过粘合的方式固定有一个塑胶管道5，且每一个塑胶管道5的一号接口与对应辐射单元的其安装位置的边缘处的同一侧的末端距离相等。半环形管道的径向截面为圆形。所有塑胶管道5的半环形管道的一号接口分别通过导液管和多通转换接头与微流泵6的输入端口连通，所有塑胶管道5的半环形管道的二号接口分别通过导液管和多通接头与微流泵6的输出端口连通，所有半环形管道分别通过导液管、多通转换接头与微流泵6之间构成封闭回路，在该封闭回路的管路内填充有液体，填充的液体的体积与该封闭回路的管路的内空间体积相等。该液体为液态金属或二甲基硅油。微流泵6与双向开关7电相连，双向开关7与直流电源8电连接，双向开关7通过其开关方向控制直流电源8与微流泵6的连接方式，进而控制微流泵6中的电机的转动方向。
35.所述双向开关7的型号为e-ten1322，微流泵6的型号为jsb2431001。
36.介质基板1的形状为矩形，其材料是聚四氟乙烯(f4b)，其介电常数是2.65，介质基板1的尺寸是188mm
×
96mm
×
4mm。
37.所述一号辐射单元的外部轮廓所在的区域的尺寸为24mm
×
24mm的正方形；半环形缺口3的外径为10mm，内径为8mm；当半环形缺口3设置于一号辐射单元的左、右两侧边缘处，一号辐射单元的左侧边缘处的半环形缺口3的下端与一号辐射单元的左侧的下端之间的距离为2mm。
38.将本实施例中的天线进行性能分析，图5和图6分别为本实施例中的天线的回波损耗和轴比曲线，从图中看出该天线在3.25-3.6ghz频段内回波损耗小于-10db且轴比小于3db，这使得天线能够工作在3.25-3.6ghz并且在此频段内具有圆极化特性。
39.图7和图8分别是本实施例中的天线工作在3.4ghz时不同极化方式对应的该天线的方向图，图中e、h指电场、磁场，从图中可以看出本实施例中的天线辐射方向图稳定并且增益达到了10.7db，证明该天线均表现出较好地方向性，满足工程要求。
40.上述实例为本发明较佳的实施方式，另外在本实施例的基础上，改变尺寸、数量或者设置方式，都应包含在本技术的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于液体的三极化可重构阵列天线，其特征在于，该天线包括介质基板、辐射单元、接地面、塑胶管道、微流泵、直流电源、双向开关，所述介质基板的正面印刷有辐射单元，所述介质基板的背面被接地面全覆盖；所述辐射单元包括一号辐射单元和二号辐射单元，一号辐射单元与二号辐射单元的尺寸相同，其外部轮廓所在的区域为正方形；二号辐射单元为一号辐射单元在平面上右转90
°
而得；在一号辐射单元的左、右两侧边缘处或者上、下两侧边缘处各设置有一个半环形缺口，对应半环形缺口所在圆的圆心为一号辐射单元的左、右两侧边缘线或者上、下两侧边缘线上的点；当半环形缺口设置于一号辐射单元的左、右两侧边缘处，左、右两侧的半环形缺口的开口端相背设置，一号辐射单元的左侧边缘处的半环形缺口的下端与一号辐射单元的左侧的下端之间的距离与一号辐射单元的右侧边缘处的半环形缺口的上端与一号辐射单元的右侧的上端之间的距离相等；当半环形缺口设置于一号辐射单元的上、下两侧边缘处，上、下两侧的半环形缺口的开口端相背设置，一号辐射单元的上侧边缘处的半环形缺口的左端与一号辐射单元的上侧的左端之间的距离与一号辐射单元的下侧边缘处的半环形缺口的右端与一号辐射单元的下侧的右端之间的距离相等；辐射单元为由一号辐射单元和二号辐射单元以交替排布的方式形成的阵列结构，同一行中相邻的两个阵列单元不相同但间距均相同，同一列中相邻的两个阵列单元也不相同但间距均相同；所述塑胶管道包括半环形管道与垂直设置在半环形管道顶面两端的一号接口和二号接口，所述塑胶管道的半环形管道的尺寸与辐射单元上的半环形缺口相匹配，一号辐射单元和二号辐射单元上的每一个半环形缺口处均通过粘合的方式固定有一个塑胶管道，且每一个塑胶管道的一号接口与对应辐射单元的其安装位置的边缘处的同一侧的末端距离相等；即，当一个塑胶管道的一号接口位于一号辐射单元的左侧的半环形缺口的下部时，则另一个塑胶管道的一号接口位于一号辐射单元的右侧的半环形缺口的上部，该塑胶管道的一号接口与一号辐射单元的左侧的下部的末端和另一个塑胶管道的一号接口与一号辐射单元的右侧的上部的末端之间的距离相等；所有塑胶管道的半环形管道的一号接口分别通过导液管和多通转换接头与微流泵的输入端口连通，所有塑胶管道的半环形管道的二号接口分别通过导液管和多通接头与微流泵的输出端口连通，所有半环形管道分别通过导液管、多通转换接头与微流泵之间构成封闭回路；在该封闭回路的管路内填充有液体，填充的液体的体积与该封闭回路的管路的内空间体积相等；该液体为液态金属或二甲基硅油；微流泵与双向开关电相连，双向开关与直流电源电连接，双向开关通过其开关方向控制直流电源与微流泵的连接方式，进而控制微流泵中的电机的转动方向。2.根据权利要求1所述的一种基于液体的三极化可重构阵列天线，其特征在于，半环形管道的径向截面为圆形。3.根据权利要求1所述的一种基于液体的三极化可重构阵列天线，其特征在于，辐射单元为由一号辐射单元和二号辐射单元以交替的方式排布形成的2
×
4的阵列结构。4.根据权利要求1所述的一种基于液体的三极化可重构阵列天线，其特征在于，所述双向开关的型号为e-ten1322，微流泵的型号为jsb2431001。
5.根据权利要求1所述的一种基于液体的三极化可重构阵列天线，其特征在于，介质基板的材料是聚四氟乙烯，其介电常数是2.65。6.根据权利要求1所述的一种基于液体的三极化可重构阵列天线，其特征在于，介质基板的尺寸是188mm
×
96mm
×
4mm。7.根据权利要求1所述的一种基于液体的三极化可重构阵列天线，其特征在于，所述一号辐射单元的外部轮廓所在的区域的尺寸为24mm
×
24mm的正方形。8.根据权利要求1所述的一种基于液体的三极化可重构阵列天线，其特征在于，半环形缺口的外径为10mm，内径为8mm；当半环形缺口设置于一号辐射单元的左、右两侧边缘处，一号辐射单元的左侧边缘处的半环形缺口的下端与一号辐射单元的左侧的下端之间的距离为2mm。9.根据权利要求1所述的一种基于液体的三极化可重构阵列天线，其特征在于，该天线馈电方式为同轴馈电，通过sma接头赋予激励，每一个一号辐射单元、二号辐射单元的中部均分别通过一个sma接头获得激励电源。

技术总结
本发明公开一种基于液体的三极化可重构阵列天线，其特征在于，该天线包括介质基板、辐射单元、接地面、塑胶管道、微流泵、直流电源、双向开关，所述介质基板的正面印刷有辐射单元，所述介质基板的背面被接地面全覆盖。该天线使用一个双向开关和一个微流泵控制阵列排布的辐射单元的半环形缺口内的塑胶管道内的液体的状态，通过液体的状态改变天线的表面电流，产生两种简并模TM01和TM10，通过一个双向开关和一个微流泵便可灵活切换左旋圆极化、右旋圆极化、线极化三种极化方式；该天线结构简单，体积小，成本低，控制效率高，方便生产与应用。方便生产与应用。方便生产与应用。


技术研发人员：郑宏兴 邢浩然 王蒙军
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/7/12