可重构MIMO天线和电子设备的制作方法

可重构mimo天线和电子设备
技术领域
1.本技术涉及天线技术领域，特别涉及一种可重构mimo天线和电子设备。


背景技术：

2.随着通信技术的发展，通信设备朝着小型化和集成化的方向发展。天线作为终端设备间通信的关键组成部分，其设计也面临着诸如设计空间小、工作频段多以及电磁环境复杂等诸多挑战。为解决这些难题，近年来小型化、可重构技术、去耦合技术等一些新的天线设计方法被提出，为天线设计提供了新的思路和方法。可重构天线可以根据需求实时改变天线的某一个或多个电参数，实现对天线的工作状态的随时变化，使一个天线能够实现多种功能，相当于多个天线的集合。因此，可重构天线能带来许多传统天线所不具备的优势，可支持多个无线通信标准，可以降低天线的硬件成本、减小体积，提高集成度。如何在不增加天线辐射体尺寸的前提下实现可重构多进多出(multiple input multiple output，mimo)天线仍是一个待解决的问题。


技术实现要素：

3.一种可重构mimo天线和电子设备，利用液体比例的变化来实现可重构mimo天线，无需增加天线辐射体的尺寸。
4.第一方面，提供一种可重构mimo天线，包括：层叠设置的mimo天线辐射体和介质容器，介质容器中容置有气体介质和液体介质；介质占比调节机构，介质占比调节机构用于调节介质容器中气体介质和液体介质的占比。
5.在一种可能的实施方式中，介质容器包括密封液体子容器，液体介质填充于密封液体子容器中；介质容器还包括具有凹槽的容器盖，密封液体子容器的至少部分位于凹槽中，以使容器盖与密封液体子容器之间形成气体容置空间，气体介质容置于气体容置空间中；介质占比调节机构用于调节密封液体子容器与容器盖的底部之间的距离。
6.在一种可能的实施方式中，容器盖的底部远离密封液体子容器的一侧表面设置有mimo天线辐射体；容器盖固定设置；密封液体子容器远离容器盖的底部的一侧设置有介质占比调节机构，介质占比调节机构包括电动机，电动机用于控制密封液体子容器靠近或远离容器盖的底部。
7.在一种可能的实施方式中，占比调节机构包括：水泵，水泵连通于进水口；储水部，储水部具有入口、出口、第一连通口和第二连通口；第一阀门，储水部的入口通过第一阀门连通于水泵；第二阀门，储水部的第一连通口通过第二阀门连通于介质容器；第三阀门，储水部的第二连通口通过第三阀门连通于介质容器；第四阀门，储水部的出口通过第四阀门连通于出水口。
8.在一种可能的实施方式中，介质容器由亚克力材料制成。
9.在一种可能的实施方式中，mimo天线辐射体具有两个馈电点，两个馈电点共用同一个辐射体。
10.在一种可能的实施方式中，可重构mimo天线还包括：地板；mimo天线辐射体位于介质容器的外表面，介质容器位于地板的边缘；液体介质为水，水的介电常数为80；介质容器的介电常数为3。
11.在一种可能的实施方式中，mimo天线辐射体包括两个单极子天线辐射体；两个单极子天线辐射体通过去耦网络连接。
12.在一种可能的实施方式中，可重构mimo天线还包括：地板，介质容器位于地板和mimo天线辐射体之间，mimo天线辐射体位于介质容器的表面；两个单极子天线辐射体之间的距离为5mm；液体介质为油，油的介电常数为20；介质容器的介电常数为3。
13.在一种可能的实施方式中，mimo天线辐射体包括两个pifa天线辐射体；两个pifa天线辐射体通过中和线连接。
14.在一种可能的实施方式中，可重构mimo天线还包括：地板，介质容器位于地板和mimo天线辐射体之间，mimo天线辐射体和中和线位于介质容器的表面；两个pifa天线辐射体之间的距离为20mm；液体介质为水，水的介电常数为80；介质容器的介电常数为3。
15.在一种可能的实施方式中，mimo天线辐射体包括四个接地板波导馈电的缝隙天线辐射体。
16.在一种可能的实施方式中，可重构mimo天线还包括：地板，介质容器位于地板和mimo天线辐射体之间，mimo天线辐射体位于介质容器的表面；液体介质为乙醇，乙醇的介电常数为25；介质容器的介电常数为3。
17.在一种可能的实施方式中，mimo天线辐射体的馈电点数量≥2。
18.在一种可能的实施方式中，介质容器中液体介质的种类≥2。
19.第二方面，提供一种电子设备，包括上述的可重构mimo天线。
20.本技术实施例中的可重构mimo天线和电子设备，可以利用介质容器中液体比例的变化来实现可重构mimo天线，与现有技术相比，无需增加天线辐射体的尺寸，且可以在较薄的介质容器体积下，实现较大的等效介电常数变化。通过调整介质容器中液体介质的体积占比来改变介质容器系统的等效介电常数，可以使天线和去耦结构的等效波长发生变化，实现了天线在不同频段上均具有良好的匹配和高隔离的特性，同时满足了匹配和隔离的可重构特性。
附图说明
21.图1为本技术实施例中一种可重构mimo天线的结构框图；
22.图2为图1中介质容器系统的模型示意图；
23.图3为图1中介质容器只有一种液体时系统的等效介电常数的变化曲线示意图；
24.图4为图1中介质容器有两种不同液体时系统的等效介电常数的变化曲线示意图；
25.图5为本技术实施例中另一种可重构mimo天线的结构示意图；
26.图6a为图5中介质容器和介质占比调节机构的一种状态示意图；
27.图6b为图5中介质容器和介质占比调节机构的另一种状态示意图；
28.图7为本技术实施例中另一种可重构mimo天线的结构框图；
29.图8为本技术实施例中另一种可重构mimo天线的结构示意图；
30.图9为图8中介质容器中液体介质不同体积占比p下的s11参数曲线仿真示意图；
31.图10为图8中介质容器中液体介质不同体积占比p下的s21参数曲线仿真示意图；
32.图11为图8中介质容器中液体介质不同体积占比p下的辐射效率rad和系统效率tot曲线仿真示意图；
33.图12为本技术实施例中另一种可重构mimo天线部分结构的剖面图；
34.图13为图12中可重构mimo天线部分结构的俯视图；
35.图14为图12和图13中介质容器中液体介质不同体积占比p下的s参数曲线仿真示意图；
36.图15为图12和图3中介质容器中液体介质不同体积占比p下的天线系统效率曲线仿真示意图；
37.图16为本技术实施例中另一种可重构mimo天线部分结构的示意图；
38.图17为图16中液体介质不同体积占比p下的s参数曲线仿真示意图；
39.图18为图16中液体介质不同体积占比p下的s参数曲线实际测试示意图；
40.图19为本技术实施例中另一种可重构mimo天线部分结构的立体示意图；
41.图20为图19中可重构mimo天线部分结构的俯视图；
42.图21为图19中可重构mimo天线部分结构的侧视图；
43.图22为图19中介质容器中液体介质不同体积占比p下的s11参数曲线仿真示意图；
44.图23为图19中介质容器中液体介质不同体积占比p下的s参数曲线仿真示意图；
45.图24为图19中介质容器中液体介质不同体积占比p＝0时的s参数曲线实际测试和仿真对比示意图；
46.图25为图19中介质容器中液体介质不同体积占比p＝78％时的s参数曲线实际测试和仿真对比示意图。
具体实施方式
47.本技术的实施方式部分使用的术语仅用于对本技术的具体实施例进行解释，而非旨在限定本技术。
48.如图1所示，本技术实施例提供一种可重构mimo天线，包括：层叠设置的mimo天线辐射体1和介质容器2，介质容器2中容置有气体介质和液体介质，气体介质例如为空气；介质占比调节机构3，介质占比调节机构3用于调节介质容器2中气体介质和液体介质的占比，需要说明的是，本技术实施例中的占比是指体积占比。
49.具体地，如图1和图2所示，图2为图1中介质容器系统模型示意图，介质容器2和其中的气体介质以及液体介质共同组成mimo天线辐射体1的介质层，即介质容器系统，介质容器2中液体介质和气体介质的占比变化，会导致介质容器系统的等效介电常数的变化，d为介质容器2的壁厚，h为容器内部的总高度，d1为液体介质的高度，d2为气体介质的高度，h＝d1+d2，介质容器2的介电常数ε
r1
＝2.6，液体介质的介电常数ε
r2
＝81，气体介质的介电常数ε＝1，公式1表示只有一种液体介质时，介质容器2系统的等效介电常数εr与介质容器2中介质占比的关系，
[0050][0051]
公式2表示只有一种液体介质，且介质容器2中液体介质的体积占比为100％时，介
质容器系统的等效介电常数εr与介质容器2中液体介质的体积占比关系，此时，d1＝h，
[0052][0053]
公式3表示只有一种液体介质，且介质容器2中液体介质的体积占比为0时，介质容器系统的等效介电常数εr与介质容器2中液体介质的体积占比关系，此时，d1＝0，
[0054][0055]
根据公式可以看出，当d和h固定时，介质容器系统的等效介电常数εr只与介质容器2中液体介质的体积占比p相关，为非线性变化，p越大，介质容器系统的等效介电常数εr变化越快。d/h的比值相等时，不同高度h下，可以得到相近的等效介电常数εr，说明即使介质容器2的高度很低的情况下，也能实现介电常数很大的变化范围。也就是说，可以在厚度较低的场景下实现mimo天线辐射体对应的介质容器系统的介电常数变化，而介质容器系统的介电常数变化可以实现mimo天线的可重构。如图3所示，图3为图1中介质容器只有一种液体时系统的等效介电常数的变化曲线示意图，从图3中可以看出，介质容器系统的等效介电常数的变化规律类似指数曲线的变化规律，图4为图1中介质容器有两种不同液体时系统的等效介电常数的变化曲线示意图，也就是说，介质容器中包括气体介质和两种液体介质，两种液体介质分层，因此可以得到两种液体介质中的第一种液体厚度和第二种液体厚度。可以看出，利用介质容器2内液体介质占比的变化，实现了较大范围内系统的等效介电常数的变化，2mm的介质容器高度下，等效介电常数可以实现1.8至15的变化范围，变化范围远大于液晶(介电常数2.8至4.2的变化范围)。
[0056]
本技术实施例中的可重构mimo天线，可以利用介质容器中液体比例的变化来实现可重构mimo天线，与现有技术相比，无需增加天线辐射体的尺寸，且可以在较薄的介质容器体积下，实现较大的等效介电常数变化。通过调整介质容器中液体介质的体积占比来改变介质容器系统的等效介电常数，可以使天线和去耦结构的等效波长发生变化，实现了天线在不同频段上均具有良好的匹配和高隔离的特性，同时满足了匹配和隔离的可重构特性。
[0057]
在一种可能的实施方式中，如图5、图6a和图6b所示，介质容器2包括密封液体子容器21，液体介质填充于密封液体子容器21中；介质容器2还包括具有凹槽的容器盖22，密封液体子容器21的至少部分位于凹槽中，以使容器盖22与密封液体子容器21之间形成气体容置空间，气体介质容置于气体容置空间中；介质占比调节机构3用于调节密封液体子容器21与容器盖22的底部之间的距离。
[0058]
在一种可能的实施方式中，如图5、图6a和图6b所示，容器盖22的底部远离密封液体子容器21的一侧表面设置有mimo天线辐射体1；容器盖22固定设置；密封液体子容器21远离容器盖22的底部的一侧设置有介质占比调节机构3，介质占比调节机构3包括电动机30，电动机30用于控制密封液体子容器21靠近或远离容器盖22的底部，电动机30例如可以为线性马达，通过线性马达对于密封液体子容器21的高度控制，实现密封液体子容器21和容器盖22之间气体容置空间的大小调节，即可以实现液体介质和空气介质之间的占比调节，介质容器系统包括容器盖22、密封液体子容器21、液体介质和气体介质，其中气体容置空间的大小变化即会改变介质容器系统的等效介电常数，从而实现天线不同工作状态的切换，实现天线的可重构。
[0059]
在一种可能的实施方式中，如图7所示，占比调节机构3包括：水泵31，水泵31连通于进水口；储水部32，储水部32具有入口in、出口out、第一连通口a1和第二连通口a2；第一阀门m1，储水部32的入口in通过第一阀门m1连通于水泵31；第二阀门m2，储水部32的第一连通口a1通过第二阀门m2连通于介质容器2；第三阀门m3，储水部32的第二连通口a2通过第三阀门m3连通于介质容器2；第四阀门m4，储水部32的出口out通过第四阀门m4连通于出水口。
[0060]
具体地，占比调节机构3还可以包括继电系统，用于对第一阀门m1至第四阀门m4进行控制，液体介质可以存储于水泵31中，当第二阀门m2、第三阀门m3和第四阀门m4关闭，第一阀门m1打开时，液体介质从水泵31中吸入，并在通过连接器注入介质容器2；当第二阀门m2和第三阀门m3关闭，第四阀门m4打开时，储水部32中的液体可以通过出水口排出；当第四阀门m4关闭，第一阀门m1、第二阀门m2和第三阀门m3打开时，如果水泵31抽取液体，可以使介质容器2中的液体介质被抽取至水泵31。即通过各阀门的开关控制，可以实现介质容器2中液体介质占比的变化，从而实现天线的可重构。
[0061]
需要说明的是，以上仅图5至图7所对应的两种介质容器中介质占比的调节方式仅为举例，本技术实施例对于介质容器中介质占比的具体调节方式不做限定。
[0062]
在一种可能的实施方式中，介质容器2由亚克力材料制成，即聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，pmma)。
[0063]
在一种可能的实施方式中，如图8所示，mimo天线辐射体1具有两个馈电点，两个馈电点分别为p1和p2，两个馈电点共用同一个辐射体。
[0064]
在一种可能的实施方式中，如图8所示，可重构mimo天线还包括：地板4；mimo天线辐射体1位于介质容器2的外表面，介质容器2位于地板4的边缘；液体介质为水，水的介电常数为80；介质容器2的介电常数为3，需要说明的是，这里的介质容器2的介电常数为3是指介质容器2的材料本身的介电常数为3，并非是指介质容器系统的等效介电常数。
[0065]
具体地，地板4的长可以为100mm，宽可以为68mm，天线净空可以为2mm，液体介质的损耗角正切可以为0.2，介质容器2内部的总高度h＝2mm，介质容器2的壁厚d＝0.2mm，如图9、图10和图11所示，示意了图8中介质容器的液体介质的体积占比p＝0、0.5和0.9时的天线性能变化，其中，图9为图8中介质容器中液体介质不同体积占比p下的s11参数曲线仿真示意图，s11参数为输入反射系数，即输入回波损耗，图10为图8中介质容器中液体介质不同体积占比p下的s21参数曲线仿真示意图，s21和s12所表示的内容相同，都是指两个馈电点所对应的两个天线的隔离度，图11为图8中介质容器中液体介质不同体积占比p下的辐射效率rad和系统效率tot曲线仿真示意图，rad表示辐射效率，tot表示系统效率。液体介质的体积占比p＝0时，天线谐振频率为4.5ghz，液体介质的体积占比p＝90％时，天线谐振频率为3ghz，天线在2.8ghz至5ghz的频段内都具有良好的辐射和解耦效果，利用单频的天线结构实现了宽频的解耦。图8中所示的mimo天线，为一种频率可重构的天线去耦方案，可以实现同一频点处的匹配s11参数和耦合s12参数都比较低，且载重特性在较宽的频段范围内实现可重构。天线的形式可以为单极子天线、pifa天线或缝隙天线等，去耦的方式可以为分布式去耦网络、中和线等。可重构特性主要由液体介质来产生，改变液体介质和气体介质的体积占比可以实现渐变的等效介电常数，因此，介质上方的金属天线和去耦结构会呈现出渐变的阻抗和电长度，分别在对应的频点上谐振并保持高隔离。需要说明的是，在其他可能的实现方式中，图8中的介质容器2也可以位于地板4和mimo天线辐射体1之间。
[0066]
在一种可能的实施方式中，如图12和图13所示，mimo天线辐射体1包括两个单极子天线辐射体11；两个单极子天线辐射体11通过去耦网络12连接，去耦网络12通过传输线13连接端口10和端口20，端口10和端口20分别对应两个馈电点。
[0067]
在一种可能的实施方式中，如图12和图13所示，可重构mimo天线还包括：地板4，介质容器2位于地板4和mimo天线辐射体1之间，mimo天线辐射体1位于介质容器2的表面；两个单极子天线辐射体11之间的距离为5mm；液体介质为油，油的介电常数为20；介质容器2的介电常数为3。
[0068]
具体地，如图12和图13所示，可重构mimo天线的整体尺寸可以为50mm
×
36mm
×
0.8mm，传输线13的阻抗可以为50ω，介质容器2的材料可以为pmma，如图14所示，图14为图12和图13中介质容器中液体介质不同体积占比p下的s参数曲线仿真示意图，图15为图12和图3中介质容器中液体介质不同体积占比p下的天线系统效率曲线仿真示意图，整个介质容器系统的等效介电常数变化范围大约在1.8至12之间，液体介质的体积占比p＝0.3时，mimo天线工作在4ghz，当液体介质的体积占比p＝0.95时，mimo天线工作在2.65ghz。
[0069]
在一种可能的实施方式中，如图16所示，mimo天线辐射体1包括两个pifa天线辐射体14；两个pifa天线辐射体14通过中和线15连接。
[0070]
在一种可能的实施方式中，如图16所示，可重构mimo天线，还包括：地板4，介质容器2位于地板4和mimo天线辐射体1之间，mimo天线辐射体1和中和线15位于介质容器2的表面；两个pifa天线辐射体之间的距离为20mm；液体介质为水，水的介电常数为80；介质容器2的介电常数为3。当介质容器2中液体介质的体积占比p＝0.5时，介质容器系统的等效介电常数为1.7，此时天线工作在1.68ghz；当介质容器2中液体介质的体积占比p＝0.95时，天线工作在1.1ghz左右；当介质容器2中液体介质的体积占比p＝1时，天线工作在0.97ghz。当液体介质的介电常数约为30左右时，即可达到与水相差无几的频率可重构范围。图17为图16中液体介质不同体积占比p下的s参数曲线仿真示意图，其中包括s11参数和s12参数，虚线表示天线无去耦结构，实线表示天线有去耦结构，图18为图16中液体介质不同体积占比p下的s参数曲线实际测试示意图。需要说明的是，图16中在中和线15下方的介质容器2可以为图案化的结构，也可以为整面的结构，只要位于中和线15和地板4之间即可。
[0071]
在一种可能的实施方式中，如图19、图20和图21所示，mimo天线辐射体1包括四个接地板波导馈电的缝隙天线辐射体，分别为第一天线辐射体101、第二天线辐射体102、第三天线辐射体103和第四天线辐射体104，第一天线辐射体101通过第一馈电点p1馈电，第二天线辐射体102通过第二馈电点p2馈电，第三天线辐射体103通过第三馈电点馈电，第四天线辐射体104通过第四馈电点馈电。
[0072]
在一种可能的实施方式中，如图19、图20和图21所示，可重构mimo天线还包括：地板4，介质容器2位于地板4和mimo天线辐射体1之间，mimo天线辐射体1位于介质容器2的表面；液体介质为乙醇，乙醇的介电常数为25；介质容器2的介电常数为3。
[0073]
具体地，如图19、图20和图21所示，例如，液体介质的损耗正切为0.02，介质容器2的总高度为0.9mm，介质容器2的壁厚为0.1mm，图21中地板4底部的结构为支持座5，在不同液体介质的体积占比p下，频率可调范围为3.6ghz至6ghz。图22为图19中介质容器中液体介质不同体积占比p下的s11参数曲线仿真示意图，图23为图19中介质容器中液体介质不同体积占比p下的s参数曲线仿真示意图，其中，s21参数曲线和s41参数曲线几乎重合，s31为近
端串扰，s41为远端串扰，图24为图19中介质容器中液体介质不同体积占比p＝0时的s参数曲线实际测试和仿真对比示意图，图25为图19中介质容器中液体介质不同体积占比p＝78％时的s参数曲线实际测试和仿真对比示意图，其中，mea表示实际测试的s参数曲线，sim表示仿真的s参数曲线，通可以看出，实际测试的s参数基本可以达到仿真的s参数要求。
[0074]
在一种可能的实施方式中，mimo天线辐射体的馈电点数量≥2，馈电点数量即对应天线数量，即天线数量≥2。
[0075]
在一种可能的实施方式中，介质容器中液体介质的种类≥2。
[0076]
需要说明的是，本技术实施例对于介质容器的具体结构不做限定，对于液体介质的具体材料不做限定，可以为同一种材料的液体介质，也可以为多种液体复合形成的液体介质，对于天线辐射体的具体类型不做限定，只要能够构成mimo天线即可。
[0077]
本技术实施例还提供一种电子设备，包括上述任意实施例中的可重构mimo天线。可重构mimo天线的具体结构和原理与上述实施例相同，在此不在赘述。电子设备可能为手机、路由器、平板电脑、个人计算机(personal computer，pc)、个人数字助理(personal digital assistant，pda)、智能手表、上网本、可穿戴电子设备、增强现实技术(augmented reality，ar)设备、虚拟现实(virtual reality，vr)设备、车载设备、无人机设备、智能汽车、智能音响、机器人、智能眼镜等等。
[0078]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本技术所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk)等。
[0079]
本技术实施例中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示单独存在a、同时存在a和b、单独存在b的情况。其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项”及其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项或复数项的任意组合。例如，a，b和c中的至少一项可以表示：a,b,c,a-b,a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c可以是单个，也可以是多个。
[0080]
以上仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。