本發(fā)明涉及無(wú)線通信系統(tǒng)中射頻前端的天線設(shè)計(jì)，具體為一種基于金屬加載技術(shù)的高輻射效率寬頻帶的海水天線，可以應(yīng)用于一些特定的寬頻帶應(yīng)用中。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，無(wú)線通信系統(tǒng)清一色地使用固態(tài)天線，隨著無(wú)線通信設(shè)備向著小型化、多功能、多頻帶方向發(fā)展，天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。液體天線的出現(xiàn)開辟了一片新天地，也為無(wú)線通信天線所遇到的難以逾越的瓶頸提供了潛在的解決方案。

海水天線作為一種液體天線越來(lái)越受到重視。海水比一般介質(zhì)、金屬更容易加工成任意形狀；調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)和材料電磁特性方便，工作頻率可重構(gòu)，帶寬可重構(gòu)；高介電常數(shù)也使得其具有設(shè)計(jì)成緊湊型結(jié)構(gòu)的潛質(zhì)；并且由于其低RCS特性使其相比一般的金屬天線，成本低，性能好。這些優(yōu)點(diǎn)也使得海水天線得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，包括航空航海領(lǐng)域，生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，以及各種無(wú)線通信系統(tǒng)。目前而言對(duì)海水天線的技術(shù)研究主要集中在高效率以及寬阻抗帶寬。但是很難有一款天線能夠同時(shí)兼顧高效率和寬頻帶特性兩者的優(yōu)點(diǎn)。

經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，2014年9月沈忠祥等人在《Antennas and Wireless Propagation Letters》期刊上發(fā)表了《High-Efficiency Sea-Water Monopole Antenna for Maritime Wireless Communications》。天線工作于航海天線頻段，通過(guò)海水以及金屬貼片饋電的方式設(shè)計(jì)了一款高效率的海水天線，但是天線本身帶寬很窄，只有不到30％。同時(shí)在2011年的《艦船電子工程》期刊上楊卓設(shè)計(jì)了一款可重構(gòu)、低反射面的海水天線，但是其天線效率也不到60％。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種高輻射效率寬頻帶的海水天線，在保持寬頻帶特性的前提下，使天線具有高效率。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種金屬加載的高輻射效率寬頻帶海水天線，包括：腔體、饋電結(jié)構(gòu)、接地板；

絕緣的腔體為海水容器；

腔體、饋電結(jié)構(gòu)、接地板依次連接。

優(yōu)選地，饋電結(jié)構(gòu)包括金屬貼片、上絕緣基板、下絕緣基板、SMA接頭；

金屬貼片位于腔體內(nèi)，且貼在腔體的腔底面；

上絕緣基板的頂面連接在腔體的外底壁，上絕緣基板的底面連接下絕緣基板的頂面，下絕緣基板的底面連接接地板；

SMA接頭位于接地板的下方；

SMA接頭的內(nèi)導(dǎo)體依次穿過(guò)接地板、下絕緣基板、上絕緣基板延伸連接至金屬貼片；SMA接頭的外導(dǎo)體連接接地板；

上絕緣基板、下絕緣基板之間厚度不一致和/或半徑不一致。

優(yōu)選地，還包括金屬柱；

金屬柱設(shè)置在腔體內(nèi)；

圓柱形的腔體的下半部具有四個(gè)圓柱面凸起，每個(gè)圓柱面凸起內(nèi)設(shè)置有一個(gè)圓柱形金屬柱。

本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，其效果是積極和明顯的。具體有益效果如下：

1、本發(fā)明通過(guò)海水的加入，其高介電常數(shù)既減少了海水天線的尺寸同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了海水天線的低RCS的特性，其高電導(dǎo)率也提高了天線的輻射效率。

2、本發(fā)明的海水天線通過(guò)海水的高度的改變可以實(shí)現(xiàn)頻率的可重構(gòu)，海水天線半徑以及基板厚度的改變實(shí)現(xiàn)了天線的帶寬的可重構(gòu)。

3、本發(fā)明通過(guò)金屬柱輻射結(jié)構(gòu)的引入實(shí)現(xiàn)了海水天線的高輻射效率的特性，

4、本發(fā)明通過(guò)方形貼片結(jié)合探針的饋電結(jié)構(gòu)，在提高了天線輻射效率的同時(shí)還保持了所述的海水天線的寬阻抗特性不變，從而實(shí)現(xiàn)了高效率寬頻帶寬海水天線的設(shè)計(jì)。

5、本發(fā)明的海水天線可覆蓋較寬頻段，通過(guò)不同尺寸的設(shè)計(jì)使得利用該天線滿足標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線通信、寬頻帶接入通信、航海通信以及數(shù)字電視接收成為可能。

附圖說(shuō)明

通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1是本發(fā)明所述的一種金屬加載的高效率寬頻帶寬海水天線的整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2是本發(fā)明所述的一種金屬加載的高效率寬頻帶寬海水天線的截面結(jié)構(gòu)示意圖

圖3是本發(fā)明所述的一種金屬加載的高效率寬頻帶寬海水天線的輻射效率結(jié)果

圖4是本發(fā)明所述的一種金屬加載的高效率寬頻帶寬海水天線的端口反射系數(shù)的變化結(jié)果。

圖5是本發(fā)明所述的一種金屬加載的高效率寬頻帶寬海水天線的端口反射系數(shù)隨海水的高度的變化結(jié)果。

圖6是本發(fā)明所述的一種金屬加載的高效率寬頻帶寬海水天線分別在500MH,600MHz,700MHz時(shí)的H面方向圖結(jié)果。

圖7是本發(fā)明所述的一種金屬加載的高效率寬頻帶寬海水天線增益隨頻率變化結(jié)果。

圖中：1為腔體，2為金屬柱，3為饋電結(jié)構(gòu)，4為接地板，5為海水，6為金屬貼片，7為上絕緣基板，8為SMA接頭內(nèi)導(dǎo)體，9為下絕緣基板，10為SMA接頭。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明提供了一種金屬加載的高輻射效率寬頻帶海水天線，用于寬頻帶應(yīng)用天線。包括：從上到下依次層疊的圓柱形海水容器、圓柱形金屬饋電結(jié)構(gòu)、方形金屬貼片結(jié)合SMA接頭內(nèi)導(dǎo)體的饋電結(jié)構(gòu)以及圓形接地板。圓柱形海水容器與絕緣基底相連接，方形金屬貼片的饋電結(jié)構(gòu)通過(guò)SMA接頭內(nèi)導(dǎo)體與絕緣基底以及圓形接地板連接在一起。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低，尺寸小，可覆蓋較寬頻段，頻率可重構(gòu)方便，能實(shí)現(xiàn)較高的輻射效率，不僅可以應(yīng)用在無(wú)線通信，數(shù)字電視等領(lǐng)域，其獨(dú)有的低RCS特性，也使其在航空航海等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

如圖1～圖2所示，一種金屬加載的高效率寬頻帶海水天線，包括圓柱形腔體1、圓柱形金屬柱2、饋電結(jié)構(gòu)3以及圓形接地板4，圓形接地板4的材料為金屬，如銅、鋁材等均可。

圓柱形金屬柱2設(shè)置在圓柱形腔體1內(nèi)；圓柱形腔體1優(yōu)選地采用塑料制成。四個(gè)圓柱形金屬柱2構(gòu)成金屬柱輻射結(jié)構(gòu)。

圓柱形腔體1、饋電結(jié)構(gòu)3以及圓形接地板4依次連接。

圓柱形腔體1作為海水容器，其下半部帶有四個(gè)圓柱面凸起，每個(gè)圓柱面凸起內(nèi)設(shè)置有一個(gè)圓柱形金屬柱2。

饋電結(jié)構(gòu)3是方形金屬貼片結(jié)合SMA接頭的內(nèi)導(dǎo)體。

饋電結(jié)構(gòu)3包括方形金屬貼片6、上絕緣基板7、SMA內(nèi)導(dǎo)體8、下絕緣基板9、SMA接頭10。金屬貼片6與金屬柱2之間可以分離或者相接觸。上絕緣基板7、下絕緣基板9的材料可選用Teflon的聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene，PTFE)。

圓柱形腔體1底壁與上絕緣基板7通過(guò)膠水連接；方形金屬貼片6位于圓柱形腔體1內(nèi)，且貼在圓柱形腔體1的腔底面；方形金屬貼片6連接SMA接頭內(nèi)導(dǎo)體8；圓形接地板4通過(guò)SMA接頭10法蘭螺釘固定到下絕緣基板9。

上絕緣基板7連接下絕緣基板9，兩者的厚度半徑均可有多種規(guī)格選擇，兩者優(yōu)選為一體成型結(jié)構(gòu)的絕緣基底。

四個(gè)圓柱形金屬柱2的形狀尺寸相同，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱放置于圓柱形腔體1所預(yù)留的空腔處。金屬輻射結(jié)構(gòu)可以對(duì)尺寸形狀做出改變而有多種選擇。

進(jìn)一步的，上絕緣基板7、下絕緣基板9的中心打孔形成通孔，SMA接頭內(nèi)導(dǎo)體8經(jīng)由通孔與方形金屬貼片6相連接接觸，金屬貼片6可以使方形、圓形、矩形等，且其尺寸可以有多種選擇。金屬貼片6中心打孔與SMA接頭內(nèi)導(dǎo)體8相連。

進(jìn)一步的，在SMA接頭10和下絕緣基板9中間，放置圓形接地板4夾在兩者中間，圓形接地板4中間通孔以便SMA接頭內(nèi)導(dǎo)體8從中間貫穿而過(guò)連接方形金屬貼片6。

進(jìn)一步的，饋電結(jié)構(gòu)3與圓形接地板4相連接成一體，結(jié)合金屬輻射結(jié)構(gòu)以及圓柱形海水容器共同構(gòu)成一種金屬加載的高效率寬頻帶海水天線。

SMA接頭的內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體分別與金屬貼片6與圓形接地板4相連接。

饋電結(jié)構(gòu)3主要為三個(gè)部分：上、下絕緣基板構(gòu)成的絕緣基底、SMA接頭以及方形金屬貼片，方形金屬貼片的中心與絕緣基板圓心重合，實(shí)現(xiàn)天線輻射效率的提升同時(shí)保證天線的寬阻抗帶寬特性；

腔體1作為圓柱形海水容器，采用3D打印技術(shù)制作而成，圓柱形海水容器的高度尺寸選擇在其工作所需的頻段。

優(yōu)選例中，所述金屬加載的高效率寬頻帶海水天線實(shí)例設(shè)計(jì)在頻段440MHz-880MHz頻段，其三維尺寸為150mm×60mm×60mm。

本發(fā)明的基本工作原理在于：通過(guò)饋電結(jié)構(gòu)3激發(fā)圓柱形腔體1中的海水5三者共同構(gòu)成一種介質(zhì)諧振器天線，海水為介質(zhì)。海水的高度和半徑尺寸決定于介質(zhì)諧振器的工作頻率，同時(shí)由于海水作為一種導(dǎo)電介質(zhì)，因此所設(shè)計(jì)的天線其實(shí)也是一種單極子天線，也有自身的諧振頻率，其中心頻率有海水的高度決定。以上兩種混合的工作模式相結(jié)合共同構(gòu)成所設(shè)計(jì)天線的寬頻帶特性。進(jìn)一步的，通過(guò)金屬方形金屬貼片的引入，促進(jìn)激發(fā)介質(zhì)諧振器的TM輻射模，提高了天線的輻射效率。而上下兩層絕緣基板的主要作用是進(jìn)一步擴(kuò)寬天線的帶寬特性；進(jìn)一步的，四個(gè)金屬柱作為增強(qiáng)輻射體，用于提高天線的輻射效率。

如圖3所示是本實(shí)施例的仿真得到的輻射效率圖，從圖中可以看出，金屬柱的加入，明顯提高了海水天線的輻射效率，最終效率可達(dá)到90％。

如圖4所示是本實(shí)施例的仿真得到的端口反射系數(shù)圖，從圖中可以看出，在440MHz-880MHz頻段內(nèi)端口反射系數(shù)小于-10dB。

如圖5所示是本實(shí)施例的仿真得到的端口反射系數(shù)隨海水高度變化圖，可以看出在400MHz-1.1GHz范圍內(nèi)，天線可以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的海水高度的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)。

如圖6所示是本實(shí)施例的仿真得到的在500MHz,600MHz,700MHz處的H面(H-plane(xoy plane，xoy平面))方向圖?？梢钥闯鏊婕疤炀€在所涉及頻段范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的全向輻射方向圖。

如圖7所示是本實(shí)施例的仿真得到的增益圖，從圖中可以看出，在工作頻段內(nèi)，天線增益從1.1dBi-2.4dBi。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請(qǐng)的實(shí)施例和實(shí)施例中的特征可以任意相互組合。