阅读说明：本技术 一种基于介质谐振器的微流体频率可重构准八木天线 (Micro-fluid frequency reconfigurable quasi-yagi antenna based on dielectric resonator ) 是由 陈建新 黄叶鑫 朱文婷 唐世昌 王雪颖 杨玲玲 于 2020-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及基于介质谐振器的微流体频率可重构准八木天线,包括：介质基板、反射器、驱动单元、差分馈电网络,和至少一对基于天线中心线对称布置的竖向贯穿驱动单元和介质基板的绝缘管,通过向绝缘管内注入液体以调节天线的工作频率,其中,对称绝缘管的注液状态一致,所述注液状态包括两种：注满液体和未注液体。本发明首次提出了一种采用工作在高阶TE<Sub>3<I>δ</I>1</Sub>模式介质谐振器的频率可重构准八木天线。根据TE<Sub>3<I>δ</I>1</Sub>模式的电场分布,选择电场较强处作为贯穿介质谐振器的四个空气孔位置来加载绝缘管,以获得较大的频率调谐范围。通过依次在对称的绝缘管里注入纯净水,可以有效地调节天线的工作频率。(The invention relates to a micro-fluid frequency reconfigurable quasi-yagi antenna based on a dielectric resonator, which comprises: the antenna comprises a dielectric substrate, a reflector, a driving unit, a differential feed network and at least one pair of insulating tubes which are symmetrically arranged based on the central line of the antenna and vertically penetrate through the driving unit and the dielectric substrate, wherein the working frequency of the antenna is adjusted by injecting liquid into the insulating tubes, the liquid injection states of the symmetrical insulating tubes are consistent, and the liquid injection states comprise two types: filled with liquid and not filledA liquid. The invention firstly provides a method for working at high-order TE δ 31 The frequency of the mode dielectric resonator can reconstruct the quasi-yagi antenna. According to TE δ 31 And in the mode electric field distribution, the position with a stronger electric field is selected as the position of four air holes penetrating through the dielectric resonator to load the insulating tube, so that a larger frequency tuning range is obtained. The working frequency of the antenna can be effectively adjusted by injecting purified water into the symmetrical insulating tubes in sequence.)

一种基于介质谐振器的微流体频率可重构准八木天线

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于介质谐振器的微流体频率可重构准八木天线。

背景技术

作为实现信号传输与接收的关键设备，频率可重构天线在高性能的多射频通信平台中发挥着重要作用，并且受到了研究者广泛的关注。到目前为止，已经开发出各种各样频率调谐的方法，包括电调谐和机械调谐。前者主要是由半导体二极管或电开关来实现，这种调谐机制在操作和技术成熟度方面有着高度的稳健性。然而，它们也会带来许多缺点，例如低辐射效率（由于二极管寄生电阻的损耗）和低功率容量（由于二极管和开关的电击穿）。为了解决这个问题，近年来，利用液态金属或者微流体进行的机械调谐是很好的选择。其中，纯净水因其价格低廉、容易获取而倍受青睐。其用法可以分为两类：一种是放在容器中的纯净水直接用作介质谐振器来作为辐射体；另一种是通过依次将纯净水注入贴片下方的管子内来改变天线的有效介电常数。

准八木天线是一种典型的端射天线，具有结构简单、重量轻、方向性强、易于组阵等优点。其驱动器通常采用半波长的电偶极子来设计，这不可避免地会带来欧姆损耗。并且随着工作频率的增加，此问题会变得更加严重。为了解决这个问题，一种表面电流接近于零的介质谐振器更适合在高频应用。在文章“基于介质谐振器的X波段磁偶极子准八木天线”中，涉及一款工作在TE_1δ1基模下的介质谐振器准八木天线。它不仅比传统的准八木电偶极子天线具有更高的增益，而且在X波段具有90%以上的高效率，但是该天线采用固定的工作频率，不可调节。

发明内容

本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种基于介质谐振器的微流体频率可重构准八木天线，其工作频率可调。

为了达到上述目的，本发明提出的基于介质谐振器的微流体频率可重构准八木天线，包括：介质基板、反射器、驱动单元和对所述驱动单元进行直馈的差分馈电网络，所述驱动单元为矩形介质谐振器，其特征在于：具有至少一对基于介质谐振器中心线对称布置的竖向贯穿驱动单元和介质基板的绝缘管，通过向所述绝缘管内注入液体以调节天线的工作频率，其中，对称绝缘管的注液状态一致，所述注液状态包括两种：注满液体和未注液体。

进一步的，本可重构准八木天线具有四根所述的绝缘管，绝缘管沿x轴方向布置于在介质谐振器TE_3δ1模式电场较强处，以获得较大的频率调谐范围。

本发明首次提出了一种采用工作在高阶TE_3δ1模式介质谐振器的频率可重构准八木天线。根据TE_3δ1模式的电场分布，合理选择贯穿介质谐振器的四个空气孔的位置来加载管子。通过依次在管子里注入纯净水，可以有效地调节天线的工作频率。为了证实该方法，设计了一个X波段天线的实例，显示仿真结果与测试结果吻合良好。结果表明，由于在频率调谐范围内采用了高阶TE_3δ1模式，所以该没有附加引向器的天线仍具有较高的增益（大于8.7dBi），同时保持了介质谐振器天线的高辐射效率的特点。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明基于介质谐振器的微流体频率可重构准八木天线立体图。

图2是本发明基于介质谐振器的微流体频率可重构准八木天线结构示意图。

图3-a是一对绝缘管在不同位置下，TE_3δ1模式的频率相对于b的变化趋势图。

图3-b是一对绝缘管在不同位置下，TE_3δ1模式的频率相对于w的变化趋势图。

图4是本发明实施例天线仿真（实线）和测试（虚线）的|S₁₁|曲线图。

图5-a是本发明实施例天线在“0000”状态（绝缘管全空）下仿真（实线）和测试（虚线）的E面方向图。

图5-b是本发明实施例天线在“0000”状态（绝缘管全空）下仿真（实线）和测试（虚线）的H面方向图。

图5-c是本发明实施例天线在“1111”状态（绝缘管全部注水）下仿真（实线）和测试（虚线）的E面方向图。

图5-d是本发明实施例天线在“1111”状态（绝缘管全部注水）下仿真（实线）和测试（虚线）的H面方向图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

参见图1、图2是本发明实施例的基于介质谐振器的微流体频率可重构准八木天线的示意图。本发明实施例天线包括：介质基板1、反射器2、驱动单元6和对驱动单元6进行直馈的差分馈电网络。驱动单元6置于介质基板1的顶层，通过差分馈电网络进行差分馈电。为了实现共面带线馈电，一对等幅反相的射频信号分别沿着两条金属微带线（差分馈电网络，由一对从差分微带线4过渡到共面带线3的馈电带线构成）传输。由于共面带线和TE_3δ1模式的电场分布方向一致，从而可以很好地激励高阶TE_3δ1模式。共面带线3的前端嵌入到驱动单元6的下方，通过调整共面带线3的宽度w ₂、共面带线3的裸露长度l ₂和共面带线3嵌入驱动单元6下方的长度l ₃，能获得较好的阻抗匹配。与此同时，印刷在基板底部的差分微带线4的地用作反射器2以实现端射辐射。

如图所示，本实施例天线具有两对（四个）基于天线中心线对称布置的竖向贯穿驱动单元6和介质基板1的绝缘管5（特氟龙管），通过向绝缘管5内注入纯净水（也可以是其他液体）以调节天线的工作频率，其中，对称绝缘管5的注液状态一致，注液状态包括两种：注满液体和未注液体。

矩形介质谐振器的TE_3δ1 模式的电场与x-z平面相切。采用工作在高阶TE_3δ1 模式下的介质谐振器作为磁偶极子驱动器，可以获得更高的增益。由于纯净水是一种高介电常数材料（ε _rw ≈ 81），所以它可以被用来部分地改变介质谐振器的有效介电常数。同时，有效介电常数与相应模式的电场有直接的关系。因此，将四个绝缘管5沿着x轴方向间隔地放置在电场较强的区域，可以获得较大的频率调谐范围。

为了方便研究绝缘管的位置是如何控制频率调谐范围的，如图3a所示，使用一对管子来进行实验分析。首先，两个绝缘管沿x轴方向的中心线逐渐分开（w = 0），用距离2b来表示。图3a描述了TE_3δ1模式的频率相对于b（绝缘管中心至介质谐振器的竖向中心线的距离）的变化趋势，其中f _w/o和f _w分别表示管内无水和有水时介质谐振器在TE_3δ1模式下的频率，Δf= f _w/o - f _w代表这两种状态之间的频率调谐范围。b从1.2mm开始增大时，Δf随着b增大并且大约在b = 3.3mm的时候Δf达到最大值，然后在b = 8.4mm左右到达下一个峰值。其次，在b = 3.3mm时，两根管子逐渐从介质谐振器的下边缘向上边缘移动，即从w = -3.8mm到w = 3.8mm。图3b描述了TE_3δ1模式的频率相对于w（绝缘管中心至介质谐振器的横向中心线的距离）的变化趋势，w = 0时，Δf有最大值，并且随着w绝对值的增大Δf逐渐减小。可见，Δf的变化趋势和介质谐振器在TE_3δ1模式下电场强弱的分布情况保持一致。

为了验证所提出的构思理念，设计并实现了如图1、图2所示的采用介质谐振器的准八木天线，本实施例中，驱动单元6为矩形介质谐振器，相对介电常数为ε _r = 45，厚度h =1.2 mm，损耗角正切tanδ = 0.00019，介质基板1选用Rogers RO4003型号板材，其相对介电常数为ε _r = 3.55，厚度t = 0.508 mm且损耗角正切tanδ = 0.0027。图1、图2中的尺寸如下：sw=58mm, sl=56.4mm, dl=20mm, dw=7.6mm, b ₁=3.3mm, b ₂=8.4mm, d ₁=2mm, d ₂=1.5mm, g=0.8mm, l ₁=20mm, l ₂=8.8mm, l ₃=2.2mm, w ₁=1.2mm, w ₂=1.5mm，hw=10mm。绝缘管顶面距离介质谐振器顶面距离为3.8mm，绝缘管第面距离介质谐振器顶面距离介质基板1下表面的距离为4.492mm。建议绝缘管露出介质谐振器的高度不低于3mm，露出介质基板1下表面高度不低于3mm。绝缘管注水状态用“1”和“0”来表示，绝缘管注水用“1”来描述，反之用“0” 描述。因此，所提出的频率可重构天线有四种对称状态，即“0000”，“1001”，“0110”，和“1111”。

图4展示了上述四种状态仿真和测试的反射系数|S₁₁|。通过依次将纯净水注入管中，天线的中心频率可从8.99到8.695GHz进行调谐，测试结果如表1所示。

表1

状态	0000	1001	0110	1111
					中心频率<i>f</i><sub>0</sub> (GHz)	8.990	8.850	8.825	8.695
带宽 (MHz)	270	270	270	270
					增益 (dBi)	8.70	8.77	8.75	8.71
辐射效率 (%)	90.25	92.79	93.02	94.26

从测试结果可看出，测量的带宽（|S₁₁| < -10dB）、增益和辐射效率均在频率调谐范围内近似恒定值。值得注意的是，由于将介质谐振器作为驱动器并运用微流体的调谐技术，所提出的天线辐射效率可达90%以上，同时，采用高阶TE_3δ1模式，使该天线具有高增益（大于8.7dBi）。

图5-a至图5-d所示分别对应8.99GHz和8.695GHz两种状态（“0000”和“1111”）下的E面和H面的辐射方向图。图中靠近中心的曲线对应交叉极化，靠近外圈的曲线对应主极化，其中实线为仿真结果，虚线为测试结果。结果表明，所测试的E面和H面的辐射方向图在端射方向上保持稳定，与仿真结果吻合较好。在±30°波束范围内可观察到交叉极化低于-20dB且前后比优于10dB。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。