一种基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别是液态天线领域，具体是一种基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线。

背景技术

随着无线通信系统的发展，可重构天线因其多方面的灵活性而受到了大量关注，如基于PIN二极管或变容二极管的电调谐天线、采用液态金属设计的可重构天线等。然而，这些天线往往因为可调器件引起的高损耗、不稳定的辐射效率，或者液态金属昂贵的价格，使得应用场景受限。自来水作为一种常见的高介电常数材料，具有成本低、方便获取等优点，并且已被广泛应用于可重构天线领域。利用其良好的流动性，天线能够轻易地实现状态切换。其中，具备方向图可重构特性的水天线已被陆续提出和报道。例如：Liang J-J

[1]Liang J-J,Huang G-L,Qian K-W,Zhang S-L and Yuan T,An Azimuth-PatternReconfigurable Antenna Based on Water Grating Reflector,IEEE Access,2018,6:34804-34811.

[2]Hu Z,Shen Z and Wu W,Reconfigurable Leaky-Wave Antenna Based onPeriodicWater Grating,IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2014,13:134-137.

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线，通过选择不同的容器注水，实现端射方向图在两个辐射方向的切换。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线，包括金属地板、同轴探针和半环形容器组，所述半环形容器组包括N个半环形容器，N为大于等于5的奇数，每个半环形容器的两侧与金属地板连接，所述N个半环形容器依次排列，中间的半环形容器的一侧设置有通孔；所述同轴探针穿过金属地板和中间的半环形容器上的通孔，伸入其内部空间；每个半环形容器上方设置有注水口和用于封闭注水口的塞子；所述基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线包括两种工作状态，每种工作状态所述半环形容器组中间的半环形容器以及其两侧分别至少一个半环形容器被注入自来水，半环形容器组中其他半环形容器为空置状态。所述自来水作为介质波导工作于其高次模TM

具体地，所述半环形容器组包括5个半环形容器，依次为第一半环形容器、第二半环形容器、中间的半环形容器、第四半环形容器和第五半环形容器，对应内部空间分别为第一半环形容器内部空间、第一半环形容器内部空间、中间的半环形容器内部空间、第四半环形容器内部空间和第五半环形容器内部空间，对应的用于封闭注水口的塞子分别为第一塞子、第二塞子、第三塞子、第四塞子和第五塞子；

所述5个半环形容器的一侧封闭，直接嵌入金属地板，另外一侧开口，分别通过第一封闭塞子、第二封闭塞子、第三封闭塞子、第四封闭塞子和第五封闭塞子封闭；第一封闭塞子、第二封闭塞子、第三封闭塞子、第四封闭塞子和第五封闭塞子嵌入金属地板；所述中间的半环形容器封闭的一侧设置有通孔；

所述第一半环形容器内部空间、中间的半环形容器内部空间和第四半环形容器内部空间分别被注入自来水，分别通过第一塞子、第三塞子和第四塞子封闭，第二半环形容器和第五半环形容器为空置状态时，所述基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线工作于第一工作状态；

所述第二半环形容器内部空间、中间的半环形容器内部空间和第五半环形容器内部空间分别被注入自来水，分别通过第二塞子、第三塞子和第五塞子封闭，第一半环形容器和第四半环形容器为空置状态时，所述基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线工作于第二工作状态。

所述基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线工作于不同状态时，分别将水注入对应的容器，实现方向图的切换；

所述同轴探针穿过金属地板和中间的半环形容器上预留的孔，伸入其内部空间一定长度后与水连接；所述馈电方式采用同轴探针中心馈电，相较于端射表面波水天线，本申请中天线的漏波辐射更易激励。

具体地，所述的金属地板的材质为铝，厚度为2mm，长度和宽度均为250mm；5个半环形容器封闭的一侧直接嵌入金属地板1mm，第一封闭塞子、第二封闭塞子、第三封闭塞子、第四封闭塞子和第五封闭塞子嵌入金属地板1mm。

具体地，所述的同轴探针阻值为50Ω，由金属内芯、外皮以及两层之间填充的特氟龙构成，内外径分别为1.25mm和4.2mm，伸出金属地板伸入中间的半环形容器内部空间的部分剥除了外皮和特氟龙，伸出的长度为9mm；所述中间的半环形容器封闭的一侧通孔的半径为0.625mm。

具体地，所述5个半环形容器均采用方环形状，材质均为光敏树脂，相对介电常数为2.75。第一半环形容器和第五半环形容器的尺寸一致，长度为64mm，伸出金属地板的高度为14mm，内外径分别为12mm和16mm；第二半环形容器和第四半环形容器的尺寸一致，长度为69.6mm，伸出地板的高度为29mm，内外径分别为6.4mm和10.4mm；中间的半环形容器的长度为66mm，伸出地板的高度为20mm，内外径分别为10mm和14mm。所述半环形容器采用方环形状，相较于传统的单极子可重构水天线，实现了更低的剖面。

具体地，所述的第一半环形容器内部空间、第一半环形容器内部空间、中间的半环形容器内部空间、第四半环形容器内部空间和第五半环形容器内部空间包括被填充和空置两种状态：被填充时，其成分为自来水，相对介电常数为78，损耗角正切值为0.04；空置时，其成分为空气，相对介电常数为1。

具体地，所述一塞子、第二塞子、第三塞子、第四塞子和第五塞子大小一致，下端圆柱高度为3mm，半径为2mm；上端圆帽高度为2mm，半径为4mm。

具体地，所述第一封闭塞子和第五封闭塞子尺寸一致，外沿高度为5mm，内外径分别为16mm和20mm，内层高度为3mm；第二封闭塞子和第四封闭塞子尺寸一致，外沿高度为5mm，内外径分别为10.4mm和14.4mm，内层高度为3mm；第三封闭塞子的高度为5mm，内外径分别为14mm和18mm，内层高度为3mm。

具体地，所述5个半环形容器、第一塞子、第二塞子、第三塞子、第四塞子、第五塞子、第一封闭塞子、第二封闭塞子、第三封闭塞子、第四封闭塞子和第五封闭塞子均采用3D打印光固化工艺制作。

具体地，所述的第一半环形容器与中间的半环形容器、第五半环形容器与中间的半环形容器之间的距离均为35mm；所述的第二半环形容器与中间的半环形容器、第四半环形容器与中间的半环形容器之间的距离均为17mm。

有益效果：

本发明基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线可以通过调控容器的填充状态实现辐射方向图的切换，同时该天线采用非谐振以及八木结构，具有良好的阻抗特性和端射特性。与已有的方向图可重构水天线相比，该天线结构简单、剖面低、且易于激励。半环形容器采用3D打印SLA工艺实现，加工方便快捷。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为该基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线立体结构示意图。

图2为该基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线结构侧视图。

图3为该基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线工作于第一工作状态时的结构与辐射方向图。

图4为该基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线工作于第二工作状态时的结构与辐射方向图。

图5为该基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线工作于第一工作状态时实物的俯视图。

图6为该基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线工作于第一工作状态时实物的侧视图。

图7为该基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线工作于第一工作状态时实测与仿真的反射系数。

图8为该基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线工作于第一工作状态时实测与仿真的辐射增益。

其中，各附图标记分别代表：

1金属地板；2同轴探针；3半环形水容器组；31、32、33、34、35为5个不同的半环形容器；41、42、43、44、45为5个半环形容器的内部空间；51、52、53、54、55为5个不同的容器注水口的封闭塞子；61、62、63、64、65为5个不同的半环形水容器底部封闭塞子。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。

本申请提供的一种基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线可以应用于远距离海面定向通信，水天线透明，易获取，易移动，具有良好的隐蔽性；同时状态可切换，具备很强的实用性。

如图1和图2所示，该基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线，包括金属地板1、固定在金属地板上的同轴探针2和半环形容器组3，所述半环形容器组3包括N个半环形容器，N为大于等于5的奇数，每个半环形容器的两侧与金属地板1连接，所述N个半环形容器依次排列，中间的半环形容器33的一侧设置有通孔；所述同轴探针2穿过金属地板1和中间的半环形容器33上的通孔，伸入其内部空间43；每个半环形容器上方设置有注水口和用于封闭注水口的塞子；所述基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线包括两种工作状态，每种工作状态所述半环形容器组3中间的半环形容器33以及其两侧分别至少一个半环形容器被注入自来水，半环形容器组3中其他半环形容器为空置状态。

本实施例中，所述半环形容器组3包括5个半环形容器，依次为第一半环形容器31、第二半环形容器32、中间的半环形容器33、第四半环形容器34和第五半环形容器35，对应内部空间分别为第一半环形容器内部空间41、第一半环形容器内部空间42、中间的半环形容器内部空间43、第四半环形容器内部空间44和第五半环形容器内部空间45，对应的用于封闭注水口的塞子分别为第一塞子51、第二塞子52、第三塞子53、第四塞子54和第五塞子55；

所述5个半环形容器的一侧封闭，直接嵌入金属地板1，另外一侧开口，分别通过第一封闭塞子61、第二封闭塞子62、第三封闭塞子63、第四封闭塞子64和第五封闭塞子65封闭；第一封闭塞子61、第二封闭塞子62、第三封闭塞子63、第四封闭塞子64和第五封闭塞子65嵌入金属地板1；所述中间的半环形容器33封闭的一侧设置有通孔；

所述第一半环形容器内部空间41、中间的半环形容器内部空间43和第四半环形容器内部空间44分别被注入自来水，分别通过第一塞子51、第三塞子53和第四塞子54封闭，第二半环形容器32和第五半环形容器35为空置状态时，所述基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线工作于第一工作状态；

所述第二半环形容器内部空间42、中间的半环形容器内部空间43和第五半环形容器内部空间45分别被注入自来水，分别通过第二塞子52、第三塞子53和第五塞子55封闭，第一半环形容器31和第四半环形容器34为空置状态时，所述基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线工作于第二工作状态。

本实施例中，金属地板1的材质为铝，厚度为2mm，长度和宽度均为250mm；5个半环形容器封闭的一侧直接嵌入金属地板11mm，第一封闭塞子61、第二封闭塞子62、第三封闭塞子63、第四封闭塞子64和第五封闭塞子65嵌入金属地板11mm。

同轴探针2阻值为50Ω，由金属内芯、外皮以及两层之间填充的特氟龙构成，内外径分别为1.25mm和4.2mm，伸出金属地板1伸入中间的半环形容器内部空间43的部分剥除了外皮和特氟龙，伸出的长度为9mm。所述中间的半环形容器33封闭的一侧通孔的半径为0.625mm。

所述的第一半环形容器内部空间41、第一半环形容器内部空间42、中间的半环形容器内部空间43、第四半环形容器内部空间44和第五半环形容器内部空间45包括被填充和空置两种状态：被填充时，其成分为自来水，相对介电常数为78，损耗角正切值为0.04；空置时，其成分为空气，相对介电常数为1。

所述5个半环形容器均采用方环形状，材质均为光敏树脂，其相对介电常数为2.75；第一半环形容器31和第五半环形容器35的尺寸一致，长度为64mm，伸出金属地板1的高度为14mm，内外径分别为12mm和16mm；第二半环形容器32和第四半环形容器34的尺寸一致，长度为69.6mm，伸出地板的高度为29mm，内外径分别为6.4mm和10.4mm；中间的半环形容器33的长度为66mm，伸出地板的高度为20mm，内外径分别为10mm和14mm。

所述一塞子51、第二塞子52、第三塞子53、第四塞子54和第五塞子55大小一致，下端圆柱高度为3mm，半径为2mm；上端圆帽高度为2mm，半径为4mm。

所述第一封闭塞子61和第五封闭塞子65尺寸一致，外沿高度为5mm，内外径分别为16mm和20mm，内层高度为3mm；第二封闭塞子62和第四封闭塞子64尺寸一致，外沿高度为5mm，内外径分别为10.4mm和14.4mm，内层高度为3mm；第三封闭塞子63的高度为5mm，内外径分别为14mm和18mm，内层高度为3mm。

所述5个半环形容器、第一塞子51、第二塞子52、第三塞子53、第四塞子54、第五塞子55、第一封闭塞子61、第二封闭塞子62、第三封闭塞子63、第四封闭塞子64和第五封闭塞子65均采用3D打印光固化(SLA，Stereo Lithography Apparatus，光敏树脂选择性固化)工艺制作。

所述的第一半环形容器31与中间的半环形容器33、第五半环形容器35与中间的半环形容器33之间的距离均为35mm；所述的第二半环形容器32与中间的半环形容器33、第四半环形容器34与中间的半环形容器33之间的距离均为17mm。

该基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线工作原理为：该天线工作于第一工作状态时，所述半环形容器内部空间41、中间的半环形容器内部空间43和第四半环形容器内部空间44分别被注入自来水，然后通过第一塞子51、第三塞子53和第四塞子54封闭，第二半环形容器32和第五半环形容器35为空置状态；工作于第二工作状态时，所述半环形容器内部空间42、中间的半环形容器内部空间43和第五半环形容器内部空间45分别被注入自来水，然后通过第二塞子52、第三塞子53和第五塞子55封闭，第一半环形容器31和第四半环形容器34为空置状态。基于以上方式实现天线两个状态方向图的切换。

图1与图2为该基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线的立体结构示意图与侧视图，可以看出，该结构与传统的八木天线类似，区别在于该水天线可以将水注入对应的容器，实现方向图的切换。

图3和图4分别为该基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线工作于第一工作状态和第二工作状态时的结构与辐射方向图。可以看出，该天线实现了方向图的切换，且有着良好的端射特性。

图5、图6分别为该基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线工作于第一工作状态时实物的俯视图与侧视图，其中透明容器采用3D打印SLA工艺制作，加工精度较高，与仿真模型契合。

图7为该基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线工作于第一工作状态时实测与仿真的反射系数对照图。从图中可以发现，实测结果与仿真结果吻合良好，该天线有较宽的阻抗带宽。

图8为该基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线工作于第一工作状态时实测与仿真的辐射增益。可以看出，实测结果与仿真结果吻合较好。该天线在工作带宽内，可以实现较高的辐射增益。

综上所述，该基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线通过调控半环形容器组3的填充状态实现辐射方向图的切换，同时该天线采用非谐振以及八木结构，具有良好的阻抗特性和端射特性。与已有的方向图可重构水天线相比，该天线结构简单、剖面低、且易于激励。半环形容器采用3D打印SLA工艺实现，加工方便快捷。

本发明提供了一种基于3D打印容器的方向图可重构水八木半环天线的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。