摘 要

导电液体来辐射信号的天线，与传统的固态天线相比，它们具有更大的可塑性和可重构性，雷达截面低，并且可以有效地提高电磁耦合特性。

无线通信现在发展迅速，制作天线的要求也越来越严格。一方面需要使天线工作在多个频段，具有多种工作模式，并且具有良好的传输性能。另一方面，还需要减小天线的重量、减小天线的尺寸同时降低成本。液体天线用液体代替固体天线辐射元件所用的固体材料，以形成使用液体作为辐射元件的天线，这在无线通信中具有很大的潜在应用价值。作为最常见的液体之一，水的特点是高介电常数，低成本，透明度和无毒性。水天线也是液体天线中最常见的天线类型。而且，液体天线可以很容易地转换成各种形状，同时又不易引起材料疲劳，具有很大的潜在价值和发展前景。

液体天线目前是一种新型天线，而可重构水天线具有重构天线参数的特点，并可切换多种操作模式。它的实质就是利用天线结构的可重构来改变天线的电流分布。本论文的主要目的是设计一种单极子水天线。天线频率可以通过控制水柱高度来实现可重构。

关键词：液体天线；水天线；可重构；单极子天线

Abstract

The liquid antenna is an antenna formed by replacing a metallic material in a normal solid antenna radiating element with a conductive liquid. Compared with traditional solid-state antennas, they have more plasticity and reconfigurability, low radar cross-section, and can effectively improve the electromagnetic coupling characteristics.
With the rapid development of wireless communications, the requirements for antennas have become higher and higher. On the one hand, it is necessary to enable the antenna to operate in multiple frequency bands, have multiple operating modes, and have good transmission performance. On the other hand, it is also necessary to reduce the weight of the antenna, reduce the size of the antenna, and reduce the cost. The liquid antenna replaces the solid material used by the solid antenna radiating element with a liquid to form an antenna that uses a liquid as a radiating element, which has a great potential application value in wireless communications. Water, as one of the most common liquids, has the characteristics of high dielectric constant, low cost, transparency, and non-toxicity. The water antenna is the most common type of antenna in liquid antennas. Moreover, the liquid antenna can be easily transformed into various shapes, and at the same time, it is not easy to cause material fatigue, which has great potential value and development prospects.
As a new type of antenna, the reconfigurable water antenna can be used to reconstruct the parameters of the antenna and have different switchable operating modes. The essence of this is that the current distribution of the antenna is changed by changing the structure of the antenna. The main purpose of this thesis is to design a monopole water antenna. The antenna that can be reconfigured by controlling the height of the water column to achieve the antenna frequency should be reconfigurable in frequency.

Key Words：Liquid antenna; Water antenna; Reconfigurable; Monopole antenna

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的目的和意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1海水导体天线 2

1.2.2水介质谐振器天线和其他类型的天线 3

1.2.3水加载天线 4

1.2.4液态金属天线 4

1.3 CST仿真软件的相关介绍 4

第2章 水天线设计理论基础 6

2.1水的电特性参数 6

2.2天线基本电参数 6

2.2.1天线方向性函数和方向图 6

2.2.2天线效率和增益 7

2.2.3天线的输入阻抗 7

2.3单极子天线的工作原理 8

2.4设计天线的基本参数 9

第3章 单极子水天线的仿真与优化 11

3.1天线性能 11

3.2天线主要参数分析 12

3.2.1水柱高度和水柱半径D/2对天线性能的影响 12

3.2.2地板尺寸对天线性能的影响 13

3.2.3介质基底各参数对天线性能的影响 14

3.2.4海水相对介电常数及电导率对天线性能的影响 15

3.3本章小结 16

第4章 结论 18

参考文献 20

致 谢 21

绪论

课题研究的目的和意义

在无线通信系统中，将发射器的导波能量转变为无线电波，或将无线电波转变为导波能量，用于接收和辐射无线电波的设备称为天线^[1]。天线是一种在各种领域都十分常用的设备，是无线通信系统的一个重要组成部分。随着无线通信的快速发展，对设计天线的要求也越来越高。现在设计出的天线不仅需要在多个频段上工作，具有多种工作模式，并且还要有良好的传输性能。另一方面还需要减轻天线重量，缩小天线尺寸降低成本等等。正是因为这些需求，可重构天线的概念才被提出并快速发展起来。

无线电设备，例如雷达、导航、无线电通讯设备和电视等都是通过无线电波的形式来传递信息，并且都需要无线电波的辐射和接收。在无线电设备中，天线提供发送器或接收器，以及传播的无线电波的介质之间的所需的耦合^[2]。在通信系统中天线能辐射无线电波和接收无线电波。不过发射器不会直接通过馈线将无线电波传输给天线，接收天线也不会直接通过馈线将无线电波直接传输到接收器上，因为它必须经历能量转换过程。分析信号传输过程时会以无线通信设备为例，并解释天线的能量转换效应。

尽管天线的类型不尽相同，但天线的本质都是设计具有特定电流分布的辐射器。天线所需的各种参数取决于散热片或散热片周围外壳的电流分布。作为一种新型天线，可重构天线可用于重构天线参数，并具有不同的可切换操作模式。它的实质就是利用天线的结构的可重构来改变天线的电流分布。设计可重构天线时需要非常高效的电磁分析方法，而不是简单的叠加常规天线。

如使用液体作为辐射元件的天线，具有比传统的固态天线更强的可塑性和可重构性，拥有更低的雷达横截面，同时能有效提高电磁耦合特性。液体天线替换用于固体天线辐射元件于液体，以形成使用液体作为辐射元件，在无线通信的应用上具有很大的潜力。水是最常见的液体中的一种，具有高介电常数，成本低，透明度高，并且无毒性，并且水天线也是液体天线中最常见的天线的类型。

1.2国内外研究现状

1.2.1海水导体天线

在液体天线的材料选择中，大多数是采用离子液体来作为辐射单元，但也有部分是采用液态金属或者液态材料。早在1970年，Ting和King就发现能用电解质填充管产生谐振。还有研究表明在微波频段下一些导电液体和生物液体可以作为天线辐射单元工作，可以利用导电液体例如水银、盐水等或者某些植物体液来设计新型天线、无源器件和传输线。著名的Yogesh Kosta团队就成功利用水银辐射贴片制作出了圆形贴片液体微带天线。

当选用辐射单元为液体离子为材料的液体天线时，“离子液体天线”这个名词最早是在2000年被提出来，但是基于当时的研究背景并没有对其性能进行深入准确的研究。而第一个对该项研究进行了准确设计的是来自于Heriot-watt大学的Ewananovil paraschakis等人，他们在选择天线辐射单元的材料过程中使用了盐水，将盐水灌入铺在铝制地板上的天线中的PVC管中，并在这时使用一个探针连接的SMA作为整个装置的馈电口^[3]。这个装置被称之为海水导体天线，其中通过盐水浓度、海水深度以及PVC的管径长度等参数的改变能对整个天线的工作频率进行重构。

在之后的2006年，Fayad和Record等人基于前人的设计成果上对液体天线的结构进行了改进。他们在PVC管内装入适量的水，并将之等效为一个介质谐振腔，同时进行仿真与实验，通过观察在PVC管中灌入的水的纯度以及不同盐水浓度的回波损耗证明了液体天线具有比较理想的电磁辐射特性。

再往后在2012年研究者D.W.Tam提出了一种使用辐射体基于水泵喷射出来的水柱的动态海水单极子天线，这种天线中的工作频率可以利用水柱的长度来测量，并通过水柱的直径来确定天线的工作带宽。

2015年Lei Xing,Yi Huang等人提出了一种用于DVB-H应用的混合矩形水上天线^[4]，文章中，设计了一种宽带混合矩形水上天线来覆盖手持数字视频广播（DVB-H）频段。混合结构结合了介质谐振器天线（DRA）和单极天线，有效地将可用带宽加倍，而不会影响其他特性。采用适当的设计，DRA的共振和来自馈电探头的共振相结合，产生宽带响应。同年，来自美国北卡罗来纳州立大学的研究人员发明了一种能够通过电压来控制液态金属形状的技术。在小型便携传感器终端中，当用途不同或者通信运营商不同时，天线工作频率也会自己发生改变，未来这项技术可能将实现可以在不同频率条件下工作的天线。

1.2.2水介质谐振器天线和其他类型的天线

介质谐振器在微波电路中一般被用作能量存储设备。1983年，Long等人将其作为天线使用，这种天线在微带天线领域中有着更小尺寸、低损耗和更大工作带宽的优点。而且介质谐振器天线制作工艺简单，易于通过同轴探针、微带线耦合孔径、槽线、带状线等不同耦合机制馈入。同时与微带天线相比，由于DRA元件直接放置在接地平面上，从而不会出现表面波损耗。但是，由于高介电常数以及高Q因子，它的工作阻抗带宽有限。在开发初期，他们尝试了许多形状简单的DRA，如半球形DRA、圆柱形DRA和矩形DRA等。后来，随着天线理论和数学工具知识的不断进步，使用其他形状DRA（如截顶四面体形，分裂锥形等）可以实现带宽的增强。虽然均质DRA带宽已经提高到上限，但是通过组合两个不同的DRA元件可以得到更宽的带宽，如将高介电常数、低轮廓电介质盘加载到常规均质DRA并将内芯插入下层叠部分。另外，多段DRAs被开发用于通过在低介电常数的DRA下插入一个或多个不同介电常数基片的薄片段来增强其与微带线的耦合。其中宽带多层圆柱形DRA（MCDRA）是通过简单地放置三个直径相同的不同电介质盘而设计和制造的。

在2007年研究者H.Fayad和P.Record等人提出了一种可以对方向图进行控制的介质谐振器天线，其主要的方法原理是利用介质的不连续分布来进行实现。天线的最里面采用的同轴探针馈电的半球形谐振器为整个装置的主要谐振器，在其外面使用了一层不均匀分布的介质构成的半球形天线罩进行覆盖，当旋转天线罩至不同的角度时，天线的方向图也进行与其对应的角度变化。

在之后的2008年又有学者A.Traille等人提出了一种最新的液体天线，并将其的运用方面拓展到了生物医疗方向。通过对比发现液体天线相对于传统的金属天线在可穿戴设备方向的运用上具有更大的优势，通过选择与生物组织电特性相近的液体为原材料制作天线，可以弥补金属天线所带来的信号衰减等方向的问题，并因其更好的生物融合性可以有效减小各种免疫反应。

1.2.3水加载天线

基于水的高介电常数的特性，2015年研究者Y.Huang等人提出了一种基于水载的紧凑型可重构频率的DVB-H天线的设计方案。通过使用水作为天线的介质加载，利用折叠的微带单极子天线来组成天线，可以有效降低天线的谐振频率，进而减小了天线的尺寸。这种构成的天线的体积相对于以往缩小了将近一半，同时水介质的加载通过对电磁波的相位传播速度的改变进而起到对电磁波的调控。

2016年研究者Zhongxiang Shen等人基于阿基米德螺旋槽和可频变的水介质谐振器组成设计了一种可重构频率的圆极化水天线。利用阿基米德螺旋槽可以有效实现天线的圆极化特性，且将阿基米德螺旋槽天线与水介质谐振器天线通过馈电的形式良好地结合在了一起。

1.2.4液态金属天线

早在2009年研究者们D.Michaeld和J.H.So等人基于原材料选为EGaIn液态合金提出了新型的液体天线辐射单元。他们将EGain液态合金灌入通过聚二甲基硅氧烷（PDMS）在塑料板上刻蚀出的一个微流体槽中，并基于此设计了新型的液态金属天线。这种天线具有较好的材料特性，这是传统的天线所不具备的。

2012年研究者们J.H.GERARD和J.H.So等人通过对上述天线进行了一些改进提出了可变性微带天线的设计。与上述天线不同的是，包裹槽内的EGaIn液态合金的材料变为了弹性介质，使该天线具有了可形变且具有更好柔韧性的特性。

1.3 CST仿真软件的相关介绍

CST公司是一家成立于1992年，总部位于德国的目前市场上较为专业的电磁仿真软件公司。该软件软件采用有限积分法，是一个可以覆盖所有电磁频段，并可以提供完整的频域和时域算法的一种工作室套装软件，主要应用包含场路协同、电磁温度协同、高低频协同仿真以及包含各类天线/RCS、EMC/EMI等

其中CST MICROWAVE STUDIO是CST软件套装中最核心也是最常用的产品，同时也是本论文主要使用的一个子工作室软件。其最主要的应用是通用高频无源器件仿真，同时也可以对于强电磁脉冲EMP、EMC/EMI、雷击Lightning、静电放电ESD、信印制版工作室™和CST电缆工作室™空间三维频域幅相电流分布方向进行完成系统级的电磁兼容仿真，

CST MICROWAVE STUDIO集成的时域和频域全波算法主要有7个方向：时域有限积分、频域有限积分、矩量法、模式降阶、频域有限元、多层快速多极子以及本征模。支持PBA六面体网格、四面体网格和表面三角网格;支持各类二维和三维格式甚至HFSS格式的导入；支持TL和MOR SPICE提取；内嵌EMC国际标准，以及通过FCC认可的SAR计算。CST作为一种具有界面友好，简单易学且仿真结果与实际产品的较为吻合的电磁软件深受各大高校学者们的欢迎。

我们主要使用的“CST微波工作室”，是一款无源微波器件及天线仿真软件，可以仿真耦合器、滤波器、环流器、隔离器、谐振腔、平面结构、连接器、电磁兼容、IC封装及各类天线和天线阵列，同时能够给出S参量、天线方向图等结果。

水天线设计理论基础

2.1水的电特性参数

水作为一种最普通的液体液体，作为液体天线的辐射单元除了具有其他液体共有的优势外，同时因其还兼备具有高介电常数、易获取、成本低、无毒害、光学透明等特点近年来受到了越来越多学者们的关注。在水天线的研究过程中，准确地定义水的电特性参数是至关重要的，无论是水还是任何一种液体中，其复介电常数ε都是一个可以定于有关频率、温度以及液体的浓度的函数。在室温条件，测试频率问1KHz时水的相对介电常数为78.5，同时查阅资料可知，温度在0℃和40℃（一般环境）之间时，水的相对介电常数在87.7和73.1之间浮动，同时即使在自然界中更加极端的温度下水的相对介电常数依然波动很小。可见由水的介电常数的稳定性使得水很适合用为液体天线的基本辐射单元。

2.2天线基本电参数

2.2.1天线方向性函数和方向图

除去一些特殊的情况，绝大部分通过天线进行辐射的电磁波都不是均匀的球面波，它们在各自的辐射场强上具有着独特的方向性，因此在描述距离天线为r的球面上的各点的场强函数来确定辐射强度在空间区域内的分布情况时一般采用方向性函数。定义自变量为角坐标（，）的函数，表示为f（，），通常利用方向函数的归一化表示以便于将天线的方向图统一比较

（2.1）

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