随着无线通信技术的迅猛发展,无线通信设备也向具有小型化、多功能、多频段的方向发展。天线作为射频前端的关键器件之一,其性能要求也变得越来越高。除了在传统天线结构上不断改进,以满足当前通信需求之外,探索新型天线技术的热情也越来越强烈。随着流体天线的发展,特别是水天线的出现,成为新型天线技术研究的一个新方向。水天线打破了传统的以固态物体作为辐射器的基本思想。由于水具有高介电常数、易于共形、易于调节体积、环保、资源可再生等优点,在小型化无线通信、生物医学天线等领域具有非常广阔的研究和应用前景。本文以新型水天线技术的研究为出发点,利用3D打印制造工艺,重点研究了基于水加载的可重构天线,主要内容和创新点如下:1.基于八木天线的基本原理,分别研究了以单根金属柱子、单根液态水柱子、液态水介质阵列为无源振子,以金属单极子天线为有源振子的二单元八木天线。最后利用液态水介质阵列作为无源振子,设计了一款方向图可重构天线,所得到的方向图可重构天线可以实现由全向辐射切换到定向辐射的功能,并且可以实现不同增益、不同波束指向的调控。2.基于固态介质栅反射器对电磁波具有强反射特性的思想,创新性地提出了由液态水柱组成的介质栅来代替传统的固态介质栅,从而设计了由多根液态水柱组成的弧形水介质栅反射器。首先,利用3D打印技术得到由合成树脂材料构成的空心管道,由于树脂材料具有较低的介电常数并且管道壁厚度非常薄,空心管道对电磁波的反射作用特别弱。当空心管道注入液态水之后形成一种高介电常数的混合介质体,其对电磁波的反射作用大大地增强;通过优化空心管道的数目、高度、半径、排列周期等参数,可以获得反射特性较好的水介质栅反射器。利用液态水的天然流动性,水介质栅反射器中的水可以通过微型气泵或者注射器手动抽取等方式,实现水介质栅反射器中的有水(“导通”)和无水(“断开”)两种状态,即实现了液态水介质栅反射器的通断切换。以平面圆形单极子天线作为例子,当水介质栅反射器处于导通状态时,平面圆形单极子天线的方向图由近似全向转变为定向辐射。最后,利用三组水介质栅反射器实现了一种三波束可重构天线。3.设计了一款频率和方向图可重构天线。传统的液态水天线通常需要用PCB电路板作为天线的基板,这种方法需要将液态水介质块与电路板粘合在一起,但往往需要复杂的后处理过程,并带来一定的装配误差。3D打印技术常用的合成树脂材料具有与PCB板相近的介电常数。因此可以用树脂材料打印的介质基板代替传统的PCB电路板。所设计的天线除了馈电部分之外全部由3D打印技术一体化形成,从而简化了流体天线的设计过程。我们提出的频率和方向图可重构天线由一个驱动单元和五个定向单元组成,驱动单元由L型金属微带线提供激励,五个定向单元与驱动单元以一定的间隔呈周期性排列。通过控制驱动单元液态水的高度可以实现工作频率的调控;通过控制定向单元的导通个数可以实现天线波束的指向和增益的调控。4.分别研究了矩形缝隙耦合馈电天线和H型缝隙耦合馈电天线的辐射特性。利用3D打印技术加工了水开关,将水开关加载在天线缝隙的合适位置上,使天线具有频率可重构的功能。通过在矩形缝隙耦合馈电天线上加载两个水开关,实现了具有三种频率切换功能的可重构天线;通过加载四个水开关在H型缝隙耦合馈电天线上,实现了具有五种频率可切换的可重构天线。