【摘 要】
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随着无线通信系统趋向小型化、宽频带、高效率的方向发展,天线也需要着眼于小尺寸、宽带宽、多功能等方面的研究。传统固体天线疲于兼顾多种性能以满足系统要求,液体天线的提出为天线的发展探索出了一条新的道路。其中水天线以其高透明性、低雷达散射截面、强流动性等特质而被广泛研究。高介电常数的纯水作为谐振器天线的介质可有效减小天线的尺寸,但是也会带来带宽窄的问题。本文依据已有的水天线理论,对纯水介质谐振器天线、纯
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随着无线通信系统趋向小型化、宽频带、高效率的方向发展,天线也需要着眼于小尺寸、宽带宽、多功能等方面的研究。传统固体天线疲于兼顾多种性能以满足系统要求,液体天线的提出为天线的发展探索出了一条新的道路。其中水天线以其高透明性、低雷达散射截面、强流动性等特质而被广泛研究。高介电常数的纯水作为谐振器天线的介质可有效减小天线的尺寸,但是也会带来带宽窄的问题。本文依据已有的水天线理论,对纯水介质谐振器天线、纯水介质贴片天线及混合结构水天线的宽带化做了详细的研究,在此基础上,利用纯水的流动性分别实现了天线的频率和圆极化可重构,实现了天线的功能多样性。具体工作如下:1、提出了一种宽带可重构混合水介质谐振器天线。天线主体由一个树脂玻璃制成的圆柱形容器和一个圆柱形同轴馈电探针组成。圆柱形容器由四个树脂玻璃制成的小圆柱连接在地板上,引入一层空气介质。向圆柱形容器中充入纯水,在馈电探针的作用下,圆柱形纯水介质谐振器的HE11δ模式被激励产生谐振。同时,高介电常数的纯水与低介电常数的空气的交界面相当于一层电壁,其工作方式与金属贴片天线类似,所以下层的空气介质谐振器也产生谐振。同轴探针不仅仅作为馈电部分,还作为单极子参与天线的辐射。纯水介质谐振器、空气介质谐振器、单极子三者共同作用,S11<-10 d B时,混合天线的阻抗带宽达到42.8%（3.3 GHz-5.1 GHz）。空气层的引入,不仅仅扩展了带宽,利用电磁场能量倾向于集中在相对介电常数较小的介质中的性质,使天线损耗降低,辐射效率提高到70%,天线增益达到3.0 d Bi-6.0 d Bi。圆柱形纯水介质谐振器是天线的主要辐射结构,通过顶部注水孔微调圆柱形纯水介质的高度,可在3.1 GHz-4.9 GHz和3.4GHz-5.2 GHz频段内实现可重构。在有效频段内天线的辐射方向图保持稳定,加工和实测结果吻合较好。2、提出了一种圆极化可重构宽带水介质贴片天线。天线由一个方形树脂玻璃容器和一个L型同轴馈电探针制成。容器内部有五个腔体,通过向不同的腔体内注入或抽出纯水,对称地改变整个纯水介质贴片的形状,可以实现天线的圆极化可重构。因为天线结构对称,所以左旋圆极化辐射状态和右旋圆极化辐射状态的有效带宽几乎保持不变。天线的轴比带宽与阻抗带宽一样宽,有效减少了阻抗带宽的浪费。这是因为在L型同轴馈电探针的作用下,纯水介质作为谐振器的介质参与圆极化辐射,在3.6 GHz产生谐振;相对介电常数很大的纯水和空气接触面相当于一个电壁,使空气层也成为一个介质谐振器,在3.3 GHz产生谐振。两种谐振器共同作用使得天线可以在较宽的频段内产生圆极化辐射。测试结果表明,在两种圆极化状态下,S11<-10 d B时,3-d B轴比带宽大于24.4%（3.09 GHz-3.95 GHz）,辐射效率集中在58%-71%,最大增益达到3.5d Bi,天线在有效带宽内保持稳定的圆极化辐射状态。与其它圆极化可重构液体天线比较,所提出的天线在保障更宽的有效带宽的同时,具有更低的剖面或更高的辐射效率。3、提出了一种宽带圆极化混合水介质贴片天线。天线主体是一个由树脂玻璃制成的纯水介质谐振器容器,由四个树脂玻璃制成的矩形支架与金属地板相连,中间引入一层空气,容器下层贴合一个嵌在FR4基板上的金属贴片,整个结构由一个L型同轴金属探针馈电。天线可形成较宽的轴比带宽和阻抗带宽。这是因为上层纯水贴片不仅仅作为介质谐振器的介质形成圆极化辐射;还与下层空气的交界面形成一层类电壁结构,引起下层空气介质产生腔模谐振,形成圆极化辐射;且作为金属贴片天线的介质加载,使得金属贴片的谐振频点向低频移动,从而在相邻频段形成了圆极化辐射。三者共同作用形成较宽的轴比带宽。L型馈电探针和FR4基板的结合,使得耦合馈电效果较好,从而形成了较宽的阻抗带宽。测试结果显示,S11<-10 d B时,宽带圆极化混合水介质贴片天线的有效带宽（3-d B轴比）达到50.8%（2.2 GHz-3.7 GHz）,辐射效率为50%-65%,增益为1.0 dBi-4.8 dBi,在有效频段内,可形成稳定的圆极化辐射波。与其它宽带圆极化液体天线相比,所提出的天线阻抗带宽利用率更高,且具有更宽的轴比带宽。
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