CN108281771A - 利用重力控制收发波束方向的液体天线 - Google Patents

利用重力控制收发波束方向的液体天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用重力控制收发波束方向的液体天线，属于通讯设备设计及应用领域，包括具有内腔的容器和设在内腔中的流体,容器与天线的馈电结构固定连接，内腔是封闭的，流体具有由重力和内腔的约束形成的空间稳态固定结构，天线的波束定向方向由所述空间稳态固定结构设定。本发明的液体天线不需要水泵等主动调节设备就可以实现波束自动转向功能。用于卫星通讯时，具有可覆盖大多数卫星通信波段（如GPS）的广泛通讯带宽、低剖面，体积小、重量轻，可共形等特点，普遍适用于飞机、车辆、人体局域网、IoT等多种对天线的宜承载性有要求的应用场景。

Description

利用重力控制收发波束方向的液体天线
技术领域
本发明涉及一种具有波束自动转向功能的液体天线、属于通讯设备设计及应用领域。
背景技术
具有波束转向功能的相控阵（列）天线已广泛应用于商业和军事领域。一般的，这种天线由数个天线单元按照特定的模式排列组成，通过给定的差分相移值，这种天线的电子移相电路可以引导辐射主瓣向指定方向偏转。美国专利US20040008140A1公开了一种通过使用电子移相电路来实现相移的方法,其电子移相电路主要是模拟移相器或数字移相器，其中，模拟移相器通过单路模拟控制电压实现在0°到360°范围内相移值的连续变化。数字移相器通常需要多位数字控制电压，通过改变信号通路中的各数据位状态，只能实现移相值的离散变化（如三位数字移相器只能实现45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°、360°，8个不同的移相值）。模拟移相器通常使用可调谐元件（如半导体变容二极管、MEMS变容器或可调谐的电容器等）构造，在一些现有的波束转向天线设计方案中公开了上述电子移相电路的使用方法：如《具有短路孔的十二波束转向低剖面贴片式车载天线》（A. Pal, A.Mehta, D. Mirshekar-Syahkal and H. Nakano, A Twelve-Beam Steering Low-ProfilePatch Antenna With Shorting Vias for Vehicular Applications . IEEETransactions on Antennas and Propagation, 2017,65(8):3905～3912）、《宽频带圆极化波束转向天线阵列》（C. Liu, S. Xiao, Y. X. Guo, Y. Y. Bai and B. Z. Wang,Broadband Circularly Polarized Beam-Steering Antenna Array . IEEETransactions on Antennas and Propagation, 2013,61(3):1475～1479）和美国专利US9590300 B2等。总的来说，半导体变容二极管虽然可以提供快速的切换频率，但随着频率的增加（如大于10 GHz后）,它们的损耗会变大，而MEMS变容器虽然损耗较低，但他们在功率容量指标方面表现不佳。此外，由于上述传统的波束转向相控阵（列）天线采用了相对复杂的电子移相电路，在卫星通信领域应用时，为了最大限度地减少受到的来自地球同步轨道上其他卫星的干扰，这种天线的尺寸要做的非常庞大。因此，和传统的波束转向相控阵（列）天线相比，如果能够提供一种即具有捷变频、波束定向等传统的波束转向相控阵（列）天线操作特性又没有传统的上述缺点的天线，同时也能在设计方案中降低现有电子移相电路的复杂度和成本，将非常有竞争力。
近几年，天线领域新兴的技术研发方向是将液体材料（如液态金属和液体电介质）应用于天线中。《可折叠可延展的倒锥型液态金属平面天线》（S. Cheng, Z. Wu, P.Hallbjörner, K. Hjort, and A. Rydberg, Foldable and stretchable liquid metalplanar inverted cone antenna . IEEE Trans. Antennas Propag.,2009,57(12):3765～3771）公开了一种在结构和性能方面具有优秀可谐调性的液态金属天线，这种天线通过机械或电子方法调整液体结构，使天线性能可以在很大范围得到良好的控制，并具有可重构的工作频率、辐射模式和极化性能。从美国专利US8169372B1、美国专利US7969370B1、美国专利US9024825B2和《可逆向变形可机械调谐的射流天线》（J.-H. So, et al,Reversibly deformable and mechanically tunable fluidic antennas . Adv. Funct.Mater.,2009,19）中也可以找到另外一些可重构液体天线的例子。与传统天线相比，液体材料制成的新型天线主要有以下两方面的优势：a）电磁特性易于重构，而新兴的和未来的工业应用中对可重构的、柔性的天线的需求越来越大；b）宜承载性好，一系列商业应用（如5G移动网络、人体局域网和IoT）和军事应用（如士兵、船舶、飞机和车辆的卫星通讯）中也需要体积小、可共形甚至透明的天线。
除液态金属材料外，也有将液体电介质（如去离子水、电介质溶剂等）设计为天线的辐射单元。例如，水基天线与传统金属基天线相比，可以显著减小天线的电气尺寸，因为水的相对介电常数大约是78，这可以降低谐振天线的有效波长。一些水基天线的例子可以从《海上无线通信用高效海-水单极天线》（C. Hua, Z. Shen, and J. Lu . High-efficiency sea-water monopole antenna for maritime wireless communications .IEEE Trans. Antennas Propag. , 2014,62(12):5968～5973）、《一种具有全向锥束辐射模式的宽频带低成本光学透明水基贴片天线》（J. Sun and K. M. Luk . A Wideband LowCost and Optically Transparent Water Patch Antenna With OmnidirectionalConical Beam Radiation Patterns . IEEE Trans. Antennas Propag. , 2017,65(9):4478～4485）和《手持便携式宽频带混合水基天线》（L. Xing, Y. Huang, Q. Xu, S.Alja'afreh, T. Liu .A broadband hybrid water antenna for hand-portableapplications . IEEE Antennas Wireless Propag. Lett. , 2015）中找到。然而，水基天线也存在着一些缺点，例如在高频频段的效率低下（由于介损正切值较大）、温度依赖性和挥发问题等。
为了克服上述缺点，也有公开文献选择一些电介质溶剂代替水来设计可重构的液体天线（选取的电介质溶剂的介损正切值和冰点比水低），如《基于模式可重构设计的宽频带玻璃液柱介质谐振器天线》（Z. Chen and H. Wong .Wideband Glass and LiquidCylindrical Dielectric Resonator Antenna for Pattern Reconfigurable Design .IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2017,65(5):2157～2164）和《具有圆极化重构特性的液体介质谐振器天线》（Z. Chen and H. Wong . Liquid DielectricResonator Antenna with Circular Polarization Reconfigurability . IEEETransactions on Antennas and Propagation, 2017, DOI:10.1109/TAP.2017.2762005）中描述的天线方案就是利用电介质溶剂设计的液体介质谐振器天线。《基于模式可重构设计的宽频带玻璃液柱介质谐振器天线》中提出了一种可重构的介质谐振器天线 (DRA) 来实现辐射模式的重构，它的介质谐振器（DRA）具有内部区域和外层区域两个区域，内部区域是由K9玻璃（εr=6.85）制作的实心圆柱体，外层区域充满了电介质溶剂——乙酸乙酯（εr=7.1）；内部区域和外层区域都被放进一个由3D打印技术制造的圆柱形容器中形成内部具有液体的介质谐振器，并由一个同轴的馈电探针激励；圆柱形容器连接有泵，当泵将乙酸乙酯抽出时，DRA内部玻璃部分工作在舷侧激发的HEM11模式，而泵将醋酸乙酯泵入后，重组的柱状DRA工作在新的锥形 TM01模式。《具有圆极化重构特性的液体介质谐振器天线》中提出了一种具有圆形极化(CP)重构特性的液体介质谐振器天线，该设计构成液体介质谐振器的液体为乙酸乙酯（εr=6.6），它由3D打印的容器装盛,并由单极馈电探针激励；为了实现圆极化的重构，该容器设计了左、右两个区域，使天线可以在两个不同的状态之间切换，当液体被注入到左区时, 它可以实现左手旋向的圆极化，而如果将液体泵入右区，就可以获得右手旋向的圆极化；圆极化的重构是由泵控制乙酸乙酯的流动得到的。这些可重构的液体天线都是通过泵调节一个或多个区域内液体的量来实现由电介质溶剂构成的液体介质谐振器的重构，包括液体介质谐振器的形状和馈电结构对液体介质谐振器的激励方式的重构，从而使天线实现不同辐射模式间的调整。这些天线工作在5 GHz时，可具有相对较高的总效率。但这种基于电介质溶剂的液体天线仍然存在问题，例如，大多数电介质溶剂是易燃易挥发的，这就需要找到物理化学性能更稳定的液体材料来解决这一问题。
另外，现有的可重构液体天线主要是基于水泵***控制液体流动来调节液体的结构。水泵本身需要一个额外的供电电源，也需要在天线上设置一个安装空间。而很多应用场景除了要求天线能够接收更多的通信频带和具有更大的信道带宽外，还要求天线体积足够小、足够轻，可共形。比如一些天线需要人（如士兵）来携带或需要安装在车辆上。美国专利US20140247194、美国专利US7071879B2和美国专利US7126539B2公开了一些适应车辆运动的车载天线设计方案，这些方案可以实现六自由度运动以及沿轴平移，这说明在人载、车载天线领域确实存在这样的需要。在现有技术中没有任何相关的设计可以无泵无源地实现液体天线的波束转向功能。
中国专利CN206259487U公开了一种液体混合腔式可调控天线，该天线具有空心腔体并连接馈电端，空心腔体内注有液体，馈电端包括同轴接头、微波介质基板以及设于微波介质基板下方的金属地（也叫接地层、接地板），天线设置于微波介质基板上方，同轴接头穿过微波介质基板和金属地并设有与天线内部液体连通的探针；该天线包括外腔体和设置在外腔体内部的内腔体，还设有贯穿外腔体和内腔体下端通孔的调节柱，外腔体和内腔体是同心圆柱结构，探针在内腔体圆心位置；该天线通过调节内腔体和外腔体的液体（包括混合液体）的高度实现调节天线辐射波瓣和阻抗匹配的功能。这种天线需要调节内腔体和外腔体的高度实现天线特性的重构，天线倾斜时液体形状会发生改变，天线特性不能保持。
传统的电子波束转向（波束定向）天线***的工作步骤如下：1）首先，需要一个控制器来接收以下一个或多个相关信息：客体六轴陀螺仪信息、相对接收信号强度信息(RSSI)、行进方向、通信的预期方向和非预期方向；2）当检测到客体六轴陀螺仪信息和RSSI 的变化时（由检测器实现），控制器根据波束整形和转向算法来处理信息，以确定天线阵元的相位激励，然后，控制器将信号输出到相位和振幅控制电路，相应地设置天线阵元的相位激励；3）最后，对天线阵元进行波束转向控制（由移相电路实现），使 RSSI 最大化，从而提高通信质量。很明显，传统的电子束转向天线***的功能需要复杂庞大的控制器、检测器和移相电路通过三个控制步骤实现，同时，由于控制器、检测器和移相电路等方面的要求，该***的成本较高。
发明内容
本发明希望解决的技术问题是提供一种不需要水泵等主动调节设备就可以实现波束自动转向功能的液体天线，这种液体天线安装在移动承载物上，不论承载物如何倾斜，液体天线均能够向固定的方向发射或接受电磁信号，它即具有可以覆盖大多数卫星通信波段（如 GPS）的广泛通讯带宽，又具有低剖面，体积小、重量轻，可共形等特点适应飞机、车辆、人体局域网、IoT等多种对天线有宜承载性要求的应用场景。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种利用重力控制收发波束方向的液体天线，包括内腔中装有参与天线谐振的流体的容器，天线的馈电结构和容器均固定在承载物上，容纳流体的容器是封闭的，容器内腔中的流体至少有一种并且流体的总量是固定的且具有始终保持水平的液面，当承载物倾斜时流体在重力作用下在容器内流动使流体与馈电结构形成新的空间相对位置从而使天线的波束方向趋向于固定方向。
本发明技术方案的进一步改进在于：在容器的一侧设置有与天线的馈电结构连接的接地层。
本发明技术方案的进一步改进在于：容器、流体和接地层构成由天线的馈电结构激励的液体介质谐振器，该液体介质谐振器是天线的辐射单元或接收单元。
本发明技术上述方案的进一步改进在于：还包括固定在天线的承载物上且位于容器内腔侧面的导电板。
本发明技术方案的进一步改进在于：导电板与接地层为同一部件。
本发明技术方案的进一步改进在于：流体的上表面为始终保持水平的液面。
本发明技术方案的进一步改进在于：流体包括密度不同、互相接触但互不相溶的第一液体和第二液体，第一液体与第二液体的分界面构成始终保持水平的液面；第一液体与第二液体具有不同的相对介电常数。
本发明技术上述方案的进一步改进在于：流体包含一种或两种以上互不相容、密度不同并且相对介电常数不同的液体。
本发明技术方案的进一步改进在于：天线的馈电结构包括开于导电板上的缝隙和与缝隙长度方向垂直设置的微带线，微带线与导电板之间隔有绝缘介质，内腔的中心轴位于缝隙与微带线的交叉处且与缝隙和微带线正交。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明的一种利用重力控制收发波束方向（体现在对天线方向图的控制）的液体天线，即不需要复杂的天线阵列和电子相移电路又不需要水泵调节液体结构就可以实现天线波束自动转向功能。更具体地说,本申请公开的液体天线的波束自动转向功能是通过使封闭容器内腔内的流体在重力作用而发生“稳态-新稳态”的运动来实现，无论天线的角度发生怎样的变化，天线均能够向固定的方向发射并接收该方向上的电磁信号。因此,本发明中的提供的液体天线实现了真正的被动式（不需要电力的）波束转向，这和现有的波束转向天线阵列相比在成本、紧凑性和简洁性方面具有明显的优势。
在天线设计时，通过对天线中馈电结构、接地层和封闭的内腔的结构设计，限制流体形状、流体液面与水平面的夹角或者流体中各组成成分依据密度大小决定的上下位置关系等流体的一个或者多个特性，使流体具有空间稳态固定结构，利用这种由重力形成的空间稳态固定结构设定天线波束的定向方向，使天线省去了复杂的用于采集六轴陀螺仪、行进方向等信息的控制器以及用于检测信息变化的检测器。同时通过对天线中馈电结构、接地层和封闭的内腔的结构设计，在容器内存放一种或两种以上的流体，当承载天线的承载物发生倾斜等位置变化时，容器内的流体在重力作用下会在容器内腔内移动位置，容器内的流体相对容器、天线的馈电结构、接地层的位置会形成一种天线的可变结构,容器内的流体在重力作用下还会始终有水平液面，流体水平液面相对容器、天线的馈电结构、接地层的角度还会形成另一种天线的可变结构，利用这些可由重力调节的可变结构可以调节天线的波束方向，使天线省去了复杂的电子移相电路。在此基础上，流体本身作为液体介质谐振器和天线的谐振单元（即振子，是天线的辐射单元或者接收单元）的一部分参与到天线电磁特性的重构中，而不是仅仅作为设定波束定向方向和调节波束方向的结构性调节因素（如仅在流体液面上设置浮动的天线振子实现波束定向），从而进一步的简化了天线的结构。结合上述三点，又由于利用重力实现液体天线的重构不需外部能源或者泵***，使本发明的液体天线在可以实现定向收发信号的同时又可以具有低剖面、体积小、重量轻、可共形等特点。
本发明提出的利用重力控制收发波束方向的液体天线最重要的特点是：当承载本发明的液体天线的承载物发生移动并倾斜时（瞄准轴发生改变时），液体天线发生倾斜，容器中的流体在重力作用下，流体在容器内移动，使流体始终保持有水平的液面，天线的馈电结构与流体的相对位置以及水平液面的相对位置均随之发生变化，本发明利用重力引起液体的运动来实现对波束转向条件感知，不必使用控制器、检测器来采集和处理大量的陀螺仪信息和RSSI等天线参数。当这种液体天线安装在各种承载物上后，容器、馈电结构和/或接地层相对承载物位置固定，当承载物发生倾斜或转动时，馈电结构的指向、接地层的方向、容器的空间位置均发生变化，而此时位于容器内腔中的液体的位置、形状等空间稳态固定结构会在重力作用下相对容器、馈电结构和/或接地层自动发生改变，这些液体作为天线的介质谐振器的一部分，使天线的波束方向不因天线角度发生变化而变化使天线的波束方向发生大的改变，而使波束方向趋向于固定的方向，并通过对容器外轮廓和内腔的设计，使天线波束方向指向垂直或水平的某个固定方向，并实现自动转向，因此，本发明不需要大型天线阵列以及电子相移电路。综上，本发明所述的液体天线在实现了波束自动转向功能的同时还具有尺寸小、 结构简单和成本低廉的优势。
本发明的一种具体结构是将容器和容器的内腔均设计成球形，并在球型容器内填充部分流体，馈电结构和接地层相对容器固定。本发明的这种结构液体天线可以针对水平方向定向收发信号。本发明的一种具体结构是将容器和容器的内腔均设计成圆柱形，在圆柱形容器内腔填充两种不同密度、不同相对介电常数的流体（这两种流体充满容器的内腔），馈电结构和接地层亦相对容器固定，本发明的这种结构液体天线可以针对垂直方向定向收发信号。同时，容器采用方便成型的（如直接3D打印或通过3D打印铸模铸造）塑料或者玻璃等绝缘材质。
附图说明
图1是定向发射和接收水平波束信号的液体天线的结构示意图，图中接地层处于水平位置；
图2是图1所示天线所处位置时的辐射波瓣图；
图3是定向发射和接收水平波束信号的液体天线的结构示意图，图中天线相对图1位置发生了90°旋转，接地层相对水平面处于垂直位置；
图4是天线处于图3所示位置时的辐射波瓣图；
图5 是定向发射和接收水平波束信号的液体天线的S参数（反射系数）的模拟实验数据；
图6是定向发射和接收垂直波束信号的液体天线的结构示意图，图中接地层处于水平位置；
图7是定向发射和接收垂直波束信号的液体天线的馈电结构示意图；
图8是定向发射和接收垂直波束信号的液体天线的结构示意图，图中天线相对图6位置发生了45°旋转，接地层与水平面成45°倾斜位置；
图9是定向发射和接收垂直波束信号的液体天线的结构示意图，图中天线相对图6位置发生了90°旋转，接地层与水平面成垂直位置；
图10是图6所示天线所处位置即接地层处于水平位置（接地层俯仰角为0°）时天线的辐射波瓣图；
图11是图6所示天线的接地层俯仰角倾斜30°时的辐射波瓣图；
图12是图6所示天线的接地层俯仰角倾斜-30°时的辐射波瓣图；
图13是定向发射和接收垂直波束信号的液体天线的S参数（反射系数）的模拟实验数据；
图14是定向发射和接收垂直波束信号的液体天线的应用场景示意图；
其中，20、接地层，30、容器，40、第一液体，50、馈电探针，60、第二液体，70、缝隙，80、微带线。
具体实施方式
本发明公开了一种利用重力控制收发波束方向的液体天线，天线安装在可以移动的承载物上，承载物包括需要安装天线的飞机、人体等，还可以包括天线座、天线支架等。液体天线包括具有内腔的容器30，在容器的内腔中装有至少一种流体，容器的一侧安装有天线的馈电结构。容器的内腔是封闭的，在同一个容器中还可以设置一个以上各自独立的内腔，每个内腔中的流体的总量是固定的。
容器内腔中的流体具有由重力和内腔的约束形成的空间稳态固定结构，该空间稳态固定结构是指流体不随容器空间位置变化（包括旋转或位移）而改变的各种特征性的结构，是流体同时受到重力、浮力、容器支持力等各种力达到平衡后体现的可区别的结构，流体即使在受到因容器倾斜、旋转或移动造成的扰动后，这些特征性的结构仍然能够通过流体在重力作用下的流动重新得到恢复，它主要包括下述结构之一或结合：1）流体的外形（如未充满球型内腔的流体因为重力作用和内腔形状限制，无论容器内腔如何旋转，流体静止后的形状始终保持为球缺体），2）流体上方或者内部的液面，3）流体与内腔中其他部分或者流体自身各组成部分由于密度不同在重力作用下在内腔中形成的上下位置关系。在天线设计时，通过对内腔形状、流体填充量、流体成分等的限制使流体具有由重力和内腔的约束形成的空间稳态固定结构。流体空间稳态固定结构发生改变则天线的波束有效波瓣的方向就发生改变，流体空间稳态固定结构不发生改变则天线的波束有效波瓣方向就不发生改变。
在流体具有空间稳态固定结构的基础上，通过流体空间稳态固定结构设定天线的波束定向方向。本发明中容器、天线的馈电结构随天线的承载物运动发生空间位置变化后，流体在容器内腔中的位置或形状、流体的空间稳态固定结构与容器、天线的馈电结构间的位置关系也会发生改变，这些位置或形状以及位置关系发生改变后，对天线的方向图会形成矫正，使方向图基本保持不变，使天线的波束有效波瓣方向不随天线的承载物倾斜发生改变，天线的波束定向方向始终指向相同的方向。
本发明可以将容器、流体直接作为自由空间和天线的馈电结构之间的谐振器，这种谐振器满足液体介质谐振器的结构要求和运行规律，利用液体介质谐振器的工作原理直接将流体作为天线的主要谐振部件（即作为天线的辐射单元或接收单元），当承载天线的承载物发生移动或偏转时，容器和与容器相连的馈电结构的位置均随着承载物发生偏转，容器内的流体在重力作用下在容器内流动，馈电结构与流体的位置关系发生变化，使得容器、流体、天线的馈电结构之间的结构和工作模式发生重构，使天线的收发信号的波束方向保持不变（如方向图始终处于水平状态）。
本发明还可以在天线中加入与天线的馈电结构固定连接的接地层，即在容器的一侧设置接地层，容器、流体和接地层直接作为自由空间和天线的馈电结构之间的谐振器，这种谐振器满足具有接地层的液体介质谐振器的结构要求和运行规律，利用这种液体介质谐振器的工作原理直接将流体作为天线的主要谐振部件（即作为天线的辐射单元或接收单元），当承载天线的承载物发生倾斜时，容器和与容器相连的馈电结构的位置均随着承载物发生倾斜，容器内的流体在重力作用下在容器内流动，馈电结构与流体的位置关系发生变化，流体与容器、接地层、天线的馈电结构之间的结构和工作模式发生重构，使天线的收发信号的波束方向保持不变（如方向图始终处于垂直状态）。
流体作为天线中的关键谐振部件，可以将内腔中流体的总量限制为固定值，而不通过泵、阀等外部设备调节内腔中流体的总量，进一步简化上述液体介质谐振器天线的结构。优选的，流体总的体积大于内腔容积的50%。
下面简要说明本发明如何利用流体的空间稳态固定结构和液体介质谐振器天线工作原理固定天线的波束定向方向：
设置在容器封闭的内腔中的流体作为天线的主要谐振部件（即作为天线的辐射单元或接收单元），流体在重力作用下在容器内腔中形成空间稳态固定结构，同时容器、天线馈电结构等固定部件与流体之间又形成可变结构；流体形成的空间稳态固定结构用于设定天线波束定向方向（定向天线的主瓣朝向具有指定的预期方向，本发明中在天线结构设计完毕后，这个预期方向就得到了固定，在此称为波束定向方向），天线的可变结构用于调节天线实际的波束方向，这种天线的可变结构在重力作用下发生改变，并使天线的波束方向向波束定向方向趋近。
本发明天线的馈电结构可以是单极探针馈电、微带贴片馈电、微带缝隙馈电等各种馈电结构；本发明可以具有接地层并与馈电结构固定连接参与谐振；流体可以是单一物质也可以是多种物质组成，流体具有在重力作用下可发生流动并恢复到原有空间稳态固定结构的特性。流体在重力作用下在内腔中形成的空间稳态固定结构包括流体由于重力影响形成的在任何静止状态下保持不变的空间结构，如：流体中密度大的物质始终位于容器的下部，密度小的物质始终处于容器的上部，流体的液面始终平行于水平面，或者流体因为重力作用可以和内腔部分或整体共形。天线的可变结构包括流体受到扰动时流体在重力作用重新回到静止状态后流体相对容器、天线馈电结构和/或接地层发生的结构或位置的改变，如：当容器发生倾斜时，流体从位于容器、天线馈电结构等固定部件的上方变为侧方，流体的液面与容器、天线馈电结构等固定部件的夹角从0º变为其他角度。
设置流体的空间稳态固定结构的方法至少包括以下几种（但不限于以下方法）：一是在球型容器的封闭内腔内注部分流体（如注入流体的体积在容器容积的80%），无论容器如何变换位置，由于重力作用，流体的形状始终是半径和高度不变的球缺体，且球缺体的平面部分始终与水平面平行。二是在圆柱形封闭内腔内注满100%的流体，无论密封腔如何变换位置，流体的形状始终是与封闭内腔一致的圆柱形。三是在圆柱形封闭内腔内注入两种或三种流体，两种或三种流体充满圆柱形容器的内腔，流体可以按照体积比为三分之一水银、三分之一水和三分之一大豆油的比例构成，那么无论容器如何变换位置，水银、水和大豆油构成的流体始终保持圆柱形，并且当流体处于稳态时在重力方向上由上到下始终依次为大豆油、水和水银。
天线的可变结构可以通过下述几种方法设置（但不限于以下方法）：第一种方法是在球型容器外侧设置与容器固定连接的金属探针（金属探针是一种馈电结构的一部分）或接地层，球型容器的密闭内腔中注有部分流体（如注入流体的体积在容器容积的60%），当容器随着承载物运动而发生旋转或倾斜时，流体在容器内腔中向下方移动，金属探针或接地层相对流体的位置会发生变化（但流体的形状在容器内腔的约束下始终保持原来的形状）。第二种方法是在圆柱型容器外侧设置与容器的一个圆柱底面固定连接的金属平板（金属板可以是馈电结构的一部分或者是接地层，也可以仅作为天线信号的反射面），在圆柱形密封的内腔中注有水和大豆油（水和大豆油可以各占50%），水和大豆油之间在内腔中形成一个水平液面，随着容器的旋转，水和大豆油之间的液面和金属平板的夹角大小和方向都会发生变化（但流体在容器内腔的限制下，流体形状始终为圆柱形）。第三种方法是在金属平板（金属板可以是馈电结构的一部分或者是接地层）左右两侧各固定一个容积相同的容器，两个封闭内腔通过导管连接使两个容器形成整体的大封闭内腔，在大封闭内腔内注有一半的水和一半的大豆油构成的流体，当左侧内腔低于右侧内腔时，水全部位于金属平板左侧，当左侧内腔高于右侧内腔时，水全部位于金属平板右侧，水和大豆油相对介电常数不同，它们相对金属平板的位置发生改变后，使天线波瓣的分布发生改变（但水和大豆油在大封闭腔内的上下位置关系是始终不变的）。
因此，本发明是将包含至少一种液体电介质的流体作为天线的主要谐振部件，并将流体与馈电结构连接，通过流体的空间稳态固定结构设定天线波束定向方向，利用天线的可变结构调节波束波瓣形状和最大方向（即波束方向），形成液体介质谐振器天线（即液体天线）。
液体天线应当包括由绝缘材料制作的容器30、具有始终保持水平液面的流体，还可以有位于容器30侧面的导电板。导电板可以作为接地层参与谐振，也可以做为天线的反射板加强信号。包裹流体的容器30和流体共同参与谐振，容器30可以选用相对介电常数大于1且介损正切值小于1的绝缘材质，如玻璃或者塑料，如果是塑料那么PVC、亚克力等传统材料或者适合3D打印的一些新材料都可以适用，为了简化谐振相关参数的计算，可以尽量将容器壁做薄，使其对谐振影响减小，但也可以通过对容器壁和外形的特殊设计达到更好的效果，只需要同时考虑容器的材质分布、形状、尺寸以及相对介电常数、介损正切值等介电参数的影响即可。构成液体介质谐振器的流体至少包含一种介损正切值（表示为tgδ）小于1的的液体电介质，包括去离子水（例如，选用相对介电常数εr=78、tgδ=0.1的去离子水）、电介质溶剂或有机离子液体。几种常用的电介质溶剂也可用作构成本发明所述液体天线的液体介质谐振器，例如乙酸乙酯（εr=6）和乙腈（εr=38）具有比去离子水更低的介损正切值（tgδ<0.02） 和更低的冰点（小于-65℃）。如果使用上述电介质溶剂构成液体介质谐振器，液体天线能获得更高的辐射效率和更宽的工作温度范围。除了去离子水和电介质溶剂，有机离子液体也可适用于本发明所述的液体天线。由于许多有机离子液体可能有更低的介损（衡量指标为介损正切值的大小）并在更大的温度范围保持为液态（例如，胆碱 L-脯氨酸的tgδ≤0.001，冰点≤-80 ºC，沸点≥200ºC）。使用有机离子液体构成液体介质谐振器，还可以使液体介质谐振器具有热稳定性、蒸发气压、电导性、电化学窗口、液晶结构、热容量和不易燃性等方面的优势特性。
为了进一步说明本发明如何提供一种具有波束被动转向功能、宽频带覆盖、宜承载、可共形的液体天线，下面提供有详细参数的具体实施例，本发明的新特点、优势以及其他好处也可以结合以下具体实施例得出：
实施例一
如图1所示，本实施例是一种定向发射和接收水平波束信号的液体天线，是一种球型液体天线，包括流体、外形呈球型的薄壁容器30、接地层20（也是导电板）。容器、接地层20、天线的馈电结构、天线的承载物之间固定连接。容器30具有封闭的球型内腔和球型外轮廓，容器30的内腔中部分填充了流体（流体的体积占内腔容积的50%～70%，本实施例优选为65%），流体全部由第一液体40构成（流体还可以包含多种液体，本实施例为简化模型，优选为一种），容器上方有未被流体填充的空间，该空间与流体的分界面构成始终保持水平的液面，流体形成削掉一部球冠的球缺体。本实施例可实现水平方向上的波束定向（自动转向）功能：当接地层20平行于水平面时（如图1所示），本实施例工作在球缺体（quasi-ball）介质谐振器天线（DRA）的TM01模式，其辐射波瓣图如图2所示，是在水平方向上的全向辐射波瓣，但在瞄准方向（天线瞄准方向是天线瞄准轴在空间中的朝向，即方向角θ=0°的方向，本实施例中瞄准方向为通过接地层20几何中心并指向容器30且与接地层20垂直的向量方向，图1、图2中的Z轴方向）无辐射波瓣；当接地层20如图3所示相对于水平面倾斜90°时，瞄准方向与水平面平行，本实施例工作在球缺体介质谐振器天线的HEM11模式，其辐射波瓣图如图4所示，是一个在瞄准方向为最大辐射方向的单向辐射模式；在上述两种边界情况以及其他的情况下，无论接地层20如何随天线的承载物倾斜或旋转，流动的液体介质谐振器将永远留在容器30内腔的底部，而球型液体天线都始终有朝向平行于水平面的辐射主瓣。
在图1中，本实施例容器30是一个使用相对介电常数为2.5～4.5的低介损材料（如PVC、亚克力等塑料或者玻璃）制作的薄壁球型密封容器，容器固定于接地层20一侧的几何中心上，容器随接地层20位置变化而变化。球型的容器30的内腔中部分填充了流体，馈电结构是包含馈电探针50的探针馈电***，馈电探针直接使用标准50欧姆同轴电缆的中心导体（也可以使用独立的馈电探针通过插头与标准50欧姆同轴电缆的中心导体连接）。馈电探针50从接地层20几何中心穿过并***到容器30的内腔中。馈电探针的轴向延长线指向容器球心，容器中的流体作为液体介质谐振器的一部分参与谐振。
本实施例容器侧面的接地层20可以优选使用一块方型金属薄板，该方型金属薄板可以作为导电板以反射波束，同时该方型金属薄板与馈电结构连接而作为天线的接地层20，作为馈电探针的标准50欧姆同轴电缆外层导体或者屏蔽层与接地层20连接，该方型金属薄板也参与谐振。组成流体的第一液体40可以是任何低介损液体（如去离子水、电介质溶剂、有机离子液体），流体在容器30的内腔中保持如图1或图3所示的球缺体，因为液体在重力作用下的流动性，流体的液面（即图1中球缺体的截面）是不随接地层20或容器30的形状、角度或位置变化而始终保持在流体上方且水平的液面，本发明中称为第一液面。本实施例使用时将天线固定在承载物上，接地层20随承载物的运动而改变水平角度，当接地层20与水平面平行时，呈球缺体的第一液体40受馈电结构激励工作在TM01模式。通过第一液体40的相对介电常数（εr）和球缺体半径可以算出该液体介质谐振器结构的谐振频率。这种情况下，本实施例与垂直水平面的四分之一波长的偶极子天线所生成的辐射波瓣图（即方向图）完全相同，该天线是单极型辐射模式。此外，液体天线内的e场和h场的分布也与垂直水平面的四分之一波长偶极子天线的e场和h场的近场相同。此时，该天线的辐射零值是在θ= 0°（天线理论中的THETA角，即上文的方向角）的位置，而最大辐射场是全向覆盖的水平平面（XOZ 和 YOZ 平面）。
当接地层20垂直于水平面时，如图 3所示,本实施例的辐射模式改变为单向模式。图 3中,接地层20在 XOZ 平面上被旋转到与水平面夹角为90°的位置，由于重力作用流体自动流动到容器内腔的下部。在这种情况下，馈电探针50位于呈球缺体的流体的边缘而不再是与流体的对称轴重合,这种馈电方式使流体构成的球缺体液体介质谐振器工作在HEM11模式。此时液体天线的辐射模式是单向的，如图4所示，其最大辐射方向位于馈电探针50的瞄准方向，仍然平行于水平面。因此，本实施例的液体天线，无论是水平放置还是倾斜放置，最大辐射方向始终都在水平方向。
图5是上述实施例中液体天线的模拟反射系数图,天线的具体设计参数如下：
接地层20是规格为100×100×1mm的金属薄板，容器30内腔的半径为20mm，馈电探针50***内腔的长度为5mm，第一液体充填百分率为65%，第一液体的材料为乙腈（εr=38，tgδ<0.02）。
从图5中可以看出，本实施例在1.56～1.7GHz和2.17～2.39GHz波段的反射系数S11均小于-10dB。本实施例的下谐振带（The lower resonant band）是工作在球缺体液体介质谐振器结构的TM01和HEM11模式。一般的，本实施例中各设计参数、结构参数和液体材料可以根据任何具体应用场景的要求进行修改，以覆盖其他频段。
实施例二
本实施例是一种定向发射和接收垂直波束信号的液体天线，是一种圆柱型液体天线，如图6所示，包括一个薄壁圆柱形容器30，容器30封闭的内腔中是由不同相对介电常数和不同密度且互不相容的第一液体40和第二液体60构成的流体（本实施例的流体应包含两种以上具有不同密度且互不相容的液体，这些液体中密度较小的液体应具有较大的相对介电常数，为简化模型，优选的，本实施例的流体仅由两种液体构成），在容器30侧面固定有导电板，导电板与馈电结构固定连接，导电板作为天线的接地层20参与谐振，容器30具有圆柱形外轮廓和内腔，内腔中填充的流体由第一液体40和第二液体60构成，流体充满容器30的全部圆柱形内腔。第一液体40的密度小于第二液体60的密度，第一液体40的相对介电常数大于第二液体60的相对介电常数，本实施例可以实现垂直方向上（由地面指向天空）的波束定向功能：当接地层20与水平面平行时（如图6所示），本实施例的波瓣图是指向天空方向的单向辐射模式（如图10所示）；而当接地层20在水平面上倾斜-90至90°的任一角度时，也能够实现倾斜的单向辐射模式（如图11和图12所示），其最大辐射方向仍与水平面正交且指向天空方向。能够实现定向指向垂直方向的原理是，密度较小的第一液体40由于重力作用而始终保持在容器30的上部，并且它的相对介电常数比密度较大的第二液体大，此时辐射波束会向上层液体（第一液体）的方向倾斜，因此，不管液体天线如何倾斜或旋转，其波束将始终趋向与水平地面正交的方向。
本实施例与实施例一的区别为，本实施例是指向天空方向的单向天线，本实施例中的容器30为圆柱形，内腔填充了第一液体40和第二液体60两种液体。第一液体40始终位于容器内腔上层，第二液体60始终位于容器的下层，第一液体40的密度小于第二液体60的密度，第一液体40的相对介电常数大于第二液体60的相对介电常数，第一液体40和第二液体60之间因互相接触且互不相容从而形成一个始终保持水平的液面。本实施例的馈电结构使用了包含缝隙70和微带线80的微带缝隙馈电结构，如图7 所示，作为天线的接地层20的导电板是固定在PCB板（也可以是其他可弯曲、易共形、可作为绝缘介质的板或膜，本实施例为简化设计模型，优选常见的PCB板为天线载体并选取设计参数）上的方形金属薄板（薄板也可以是有机极性材质、柔性石墨等其他可导电材质，固定工艺可以是敷蚀或者粘贴等），在接地层20的几何中心开有一个矩形缝隙70，标准的50欧姆微带线80通过PCB工艺被印制在接地层20下面，其中缝隙70长度方向与微带线80正交，容器30的轴心位于接地层20的缝隙70与微带线80的交叉点上，即容器内腔的中心轴位于缝隙70与微带线80的交叉处且与缝隙70和微带线80正交。微带线80和接地层20由PCB的基材（如FR-4）隔开，基材的相对介电常数在1.5和6.5之间，基材板厚在0.3到2.5毫米之间，对于不同的基材，可以修改微带线80的尺寸，以保持其50欧姆左右的特性阻抗。
本实施例中的第一液体和第二液体均保持圆柱形时，即接地层20保持水平时，液体天线整体工作在HEM11模式，微带缝隙馈电结构的馈电点和构成液体介质谐振器的容器都位于接地层20几何中心，这使得液体天线始终工作在朝向天空方向的单向辐射模式。当接地层20发生倾斜时，如图8所示，液体天线的接地层20具有相对水平面的45°的俯仰角，第一液体40以更小的密度保持在容器内腔的上半部分，而第二液体60由于有较大的密度仍停留在内腔的下半部分。当液体天线的接地层20垂直于水平面时，同样，第一层液体留在容器的上半部分，而第二层液体仍停留在容器的下半部分，如图9所示。当天线倾斜的情况下，第一液体和第二液体的形状等空间稳态固定结构会相对天线馈电结构和/或接地层发生变化，这些形状变化会导致辐射模式的改变，当液体天线在图8所示的情况下倾斜时，之前两个圆柱形的第一液体和第二液体的HEM11模式将变为两个准圆柱（quasi-cylinder）液体谐振腔的TM01模式，这种混合的双层介质谐振器的辐射波瓣将向具有较大相对介电常数的液体（本实施例中为第一液体40）所在的位置倾斜，其形成的波瓣图如11所示。
本实施例的定向发射和接收垂直波束信号特性的实现原理可以通过使用下述机制来描述：如果构成液体介质谐振器的流体由两种不同密度且不同相对介电常数的液体构成，液体天线的波束将向高相对介电常数的液体倾斜，更具体地说，如果密度较小的液体具有较大的相对介电常数，无论液体天线的如何旋转和倾斜，其最大辐射方向都将一直转向密度较小且相对介电常数较大的液体方向，也就是垂直于水平面并指向天空的方向（上方）。
图 10、11、12分别显示了本实施例在模拟实验中三种倾斜情况下的辐射波瓣图的2D 极图。如果接地层20与水平面平行，则会实现单向辐射模式，而最大辐射方向位于天线瞄准方向附近，最大辐射方向的偏向角θ= 0°。但是，如果接地层20逆时针旋转45°，即与水平面夹角变为45°，则最大辐射方向向θ=-30°方向倾斜，半功率波瓣宽度覆盖范围（是描述主瓣方向的指标）变为从-75°到5°，在这种情况下，天线的最大辐射方向仍趋向于与水平面正交的方向。同样地，如果接地层20顺时针旋转45°，则最大辐射方向将向θ=+30°方向倾斜，半功率波瓣宽度覆盖范围从-15°到65°，在这种情况下，天线的最大辐射仍趋向于与水平面正交的方向。这些结果表明，本发明提供的液体天线确实可以实现向天空方向的被动波束转向，这非常适合于图14所示的实际卫星通信应用。
图13是本实施例中液体天线的模拟反射系数图，具体的设计参数如下:
接地层20是固定在PCB上的规格为100mm×100mm×1.6mm金属薄板，PCB基材选用FR-4（εr=4.5，tgδ=0.025），缝隙70为50mm×3mm的矩形槽，微带线80尺寸为3mm×70mm，圆柱形内腔半径38.5mm，圆柱形内腔高20mm，第一液体充填百分率50%，第二液体充填百分率50%，第一液体材料为第一有机离子液体 （εr = 27，tgδ= 0.001）；第二液体材料为第二有机离子液体（εr = 6，tgδ= 0.001）。
从图13中可以看出，本实施例的液体天线在0.95～1.25GHz、1.57～1.78GHz 和1.9～2.25 GHz三个频段的反射系数S11均小于-8dB。上述三个波段涵盖了用于卫星导航应用的 GPS L1、L2 和 L5 波段，还包括其他几个通信频带。本实施例的下谐振带（The lowerresonant band）是工作在前述由两种不同液体材料构成的准圆柱形（quasi-cylinder）介质谐振器的TM01和HEM11模式。
从上述模拟结果可以看出，本实施例的天线切实实现了在这些卫星波段的波束垂直定向特性。由于密度的不同，天线的最大辐射方向可以在重力作用下自动定向到天空的方向。本实施例中各设计参数、结构参数（如多种液体的填充比例、微带缝隙的形状和相对液体介质谐振器的位置等）和液体材料可以根据任何具体应用场景的要求进行修改，以覆盖其他频段。
本实施例的利用重力控制收发波束方向功能非常适合广泛应用，如适用于数据、语音和视频的卫星通信领域（特别是用于与国际海事卫星卫星通信）。下面以图14为例说明本实施例的一个应用场景的具体优势。
图14是在卫星通信***中使用本实施例的实现的波束转向天线***的应用场景示意图。如图14所示，海事卫星组织提供了卫星200、210和装有采取本实施例技术方案的波束转向天线*** (天线未具体显示)的车辆之间的通信链路。在场景中,在车辆300、310、320的顶部均安装有现有技术的天线***和应用本实施例方案的波束转向天线***，现有技术的天线***一般是垂直车辆底盘并指向车辆上方的固定天线，当车辆在平坦地面上移动时（车辆300）,波束503是现有技术的天线***的波瓣示意，波束513是应用本实施例方案的波束转向天线***波瓣示意，这时两种天线***均达到了最佳的信号接收能力，这意味着波束513与波束503在这种情况下效果是相同的。然而，如果地形400不再是平坦的地面，例如车辆的运动是在上坡（车辆310）或下坡（车辆320）的情况下，现有技术的天线***其波束501、502的最大辐射方向不能针对性的朝向天空中的卫星方向，所以接收信号的强度会有明显的降低，因为卫星信号是由波束501、502的副瓣(增益较小)接收的，又由于信号强度降低，进一步导致其通信质量的下降。而应用本实施例方案的波束转向天线***的车辆则不存在这一问题，车辆下坡时和车辆上坡时天线的波束511、512的最大辐射方向始终朝向天空 (卫星) 的方向。这种波束转向特性可以显著改善天线在不同地形条件下的信号接收能力。
实施例三
本实施例的波束转向天线***可用于卫星200、210上，与实施例二的区别是，第一液体40的密度小于第二液体60的密度，第一液体40的相对介电常数也小于第二液体60的相对介电常数，在天线随卫星做旋转和位移等动作时，天线的辐射波瓣会向始终保持在下方的相对介电常数较大的液体倾斜，再通过与实施例二其他相同的结构设计，可以得到指定频段的辐射波瓣始终垂直向下的液体天线。
另外，上述各实施例中的利用重力控制方向图的液体天线（波束转向天线***）也可以与固定或移动地面发射机/接收器等伪卫星***进行通信，而不是只是与卫星通信。

Claims (9)

1.一种利用重力控制收发波束方向的液体天线，包括内腔中装有参与天线谐振的流体的容器（30），其特征在于：天线的馈电结构和容器均固定在承载物上，容纳流体的容器是封闭的，容器内腔中的流体至少有一种并且流体的总量是固定的且具有始终保持水平的液面，当承载物倾斜时流体在重力作用下在容器内流动使流体与馈电结构形成新的空间相对位置从而使天线的波束方向趋向于固定方向。
2.根据权利要求1所述的利用重力控制收发波束方向的液体天线，其特征在于：在容器（30）的一侧设置有与天线的馈电结构连接的接地层。
3.根据权利要求2所述的一种利用重力控制方向图的液体天线，其特征在于：容器（30）、流体和接地层构成由天线的馈电结构激励的液体介质谐振器，该液体介质谐振器是天线的辐射单元或接收单元。
4.根据权利要求1～3任一项所述的利用重力控制收发波束方向的液体天线，其特征在于：还包括固定在天线的承载物上且位于容器内腔侧面的导电板。
5.根据权利要4所述的利用重力控制收发波束方向的液体天线，其特征在于：导电板与接地层（20）为同一部件。
6.根据权利要求1～3任一项所述的利用重力控制收发波束方向的液体天线，其特征在于：流体的上表面为始终保持水平的液面。
7.根据权利要求1～3任一项所述的利用重力控制收发波束方向的液体天线，其特征在于：流体包括密度不同、互相接触但互不相溶的第一液体（40）和第二液体（60），第一液体（40）与第二液体（60）的分界面构成始终保持水平的液面；第一液体（40）与第二液体（60）具有不同的相对介电常数。
8.根据权利要求1～3任一项所述的利用重力控制收发波束方向的液体天线，其特征在于：流体包含一种或两种以上互不相容、密度不同并且相对介电常数不同的液体。
9.根据权利要求8所述的利用重力控制收发波束方向的液体天线，其特征在于：天线的馈电结构包括开于导电板上的缝隙（70）和与缝隙（70）长度方向垂直设置的微带线（80），微带线（80）与导电板之间隔有绝缘介质，内腔的中心轴位于缝隙（70）与微带线（80）的交叉处且与缝隙（70）和微带线（80）正交。
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