CN104409860A - 基于双重调控方式的液晶定频扫描漏波天线 - Google Patents

Abstract

基于双重调控方式的液晶定频扫描漏波天线，涉及液晶定频扫描漏波天线。是为了实现漏波天线波束的定频扫描。它的微带带条固定在介质板的上表面；每个周期结构单元中：M个金属带条等间距固定在微带带条的上表面；金属盖板位于M个金属带条的上方，金属盖板与M个金属带条之间填充有液晶材料；矩形金属片固定在介质板的下表面；金属地板位于微带带条的下方，矩形金属片位于金属地板和微带带条之间，金属地板和介质板之间填充有液晶材料；每个周期结构单元对应介质板区域上均开有两个通孔，每个金属柱的一端均与微带带条的下表面连接，每个金属柱的另一端均与矩形金属片的上表面连接。本发明适用于各类现代通信系统中。

Description

基于双重调控方式的液晶定频扫描漏波天线

技术领域

本发明涉及液晶定频扫描漏波天线。

背景技术

漏波天线作为一种传统的电控扫描天线由于具有很高的辐射效率而受到广泛青睐。在微波以及毫米波波段，漏波天线都能发挥良好的作用。但是漏波天线只能通过改变工作频率来实现方向图扫描，无法实现在某个固定频率下的方向图扫描，从而限制了漏波天线的应用范围。

在现代通信系统中，天线方向图的定频扫描能力非常重要，可以使系统构成得到大大简化。因此，近年来，人们热衷于使漏波天线具备定频扫描能力，从而使现有电控扫描天线的辐射效率水平得以提高。目前有两类方法可以实现漏波天线的定频扫描。

第一类方法是在漏波天线中周期性加载电控元件(比如PIN二极管或者变容二极管)来实现漏波天线的定频扫描。PIN二极管在厘米波段具有良好的隔离度以及导通特性，因此在可重构天线领域成为最为常用的器件之一。对于只需要开关两种状态的环境，PIN二极管具有很高的性价比。变容二极管作为压控电器元件，具有连续调节的能力，从而能够实现物理参数的连续调节。但是基于上述电控元件的定频扫描漏波天线会受元件封装参数的影响而只能工作在较低频率上，随着频率漏波天线的特性急剧恶化。另外，MEMS射频电容也曾被引入到定频扫描漏波天线的设计中。这种基于MEMS射频电容的漏波天线虽然可以工作在较高频率，但是由于其本质为机械结构，因此机械疲劳成为阻碍其广泛应用的障碍。

液晶材料这种电控材料在微波段的引入解决了这些问题，其电控特性原理源自材料本身的分子指向偏移，因此其在微波，太赫兹甚至光频都具有良好的物理特性。但是液晶材料由于其特殊的物质状态而不易加工，因此良好的电控机构成为可调天线设计中至关重要的部分，但是在这一方面理论与技术的成熟度不高，相应的设计方法也十分欠缺。

由于天线本身的辐射和传输参数不止一个，当考虑天线多参数协变时，某些参数的变化依赖多个变量的共同作用，此时需要动态的增加设计自由度，即采用多重调控手段同时实现天线的多个电磁特性。

发明内容

本发明是为了实现天线波束的定频扫描，从而提供一种基于双重调控方式的液晶定频扫描漏波天线。

基于双重调控方式的液晶定频扫描漏波天线，它包括微带带条1、金属地板6、介质板9和N个周期结构单元2；N为正整数；

所述微带带条1固定在介质板9的上表面；

每个周期结构单元2均包括金属盖板3、矩形金属片5、两个金属柱4和M个金属带条7，M为正整数；

M个金属带条7等间距固定在介质基板9的上表面；

金属盖板3位于M个金属带条7的上方，所述金属盖板3与M个金属带条7之间填充有液晶材料8；

矩形金属片5固定在介质板9的下表面，在垂直位置上位于两个结构单元2之间；

所述金属地板6位于微带带条1的下方，所述矩形金属片5位于金属地板6和微带带条1之间，所述金属地板6和微带带条1之间填充有液晶材料8；

每个周期结构单元2对应介质板9区域上均开有两个通孔，所述两个金属柱4分别嵌入在该通孔中，所述每个金属柱4的一端均与微带带条1的下表面连接，所述每个金属柱4的另一端均与矩形金属片5的上表面连接；

N个周期结构单元2之间间距相等。

该天线在沿z方向馈电。

每个周期结构单元2的等效电路均包括：电容C_LS、电容C_CP、电感L_LS、电感L_RS、电感L_LP和电容C_RP；

所述电容C_LS的一端是周期结构单元2的一个接线端，所述电容C_LS的另一端与电感L_LS的一端连接，所述电感L_LS的另一端与电感L_RS的一端连接，所述电感L_RS的另一端同时与电感L_LP的一端和电容C_RP的一端连接；

所述电感L_LP的另一端与电容C_CP的一端连接；所述电容C_CP的另一端与电容C_RP的另一端连接，并作为周期结构单元2的另一个接线端。

在将液晶材料加载在天线中时，液晶材料的具体加载形式为：

液晶材料的配置分为串联部分和并联部分，串联部分的液晶受到金属盖板3和金属带条2两端电极的控制，在金属盖板3和金属带条2两端电极施加电压即可实现液晶介电常数的连续变化；

并联部分位于矩形金属板5以下，通过矩形金属板5与金属地板6的电压差控制介电常数；通过在矩形金属板5与金属地板6施加不同程度的电压实现天线的扫描特性，同时能够保证天线的阻抗特性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：根据天线指标对于辐射特性和传输特性的需求，设计基于液晶的定频扫描漏波天线，通过分析漏波天线的传输特性，采用双重调控方式设计天线的电调谐机构，实现天线多参数动态调整，得到辐射和传输性能优良的定频扫描天线。

本发明的有益效果是：本发明提出的双重调控方式能够适用于多参数协同变化且对于天线多种电磁特性具有特定要求的液晶定频扫描漏波天线的设计中。本发明中得到的定频扫描天线具有良好的定频及宽频波束扫描特性，可以应用于各类现代通信系统中。

附图说明

图1是本发明的主视结构示意图；

图2是图1的A-A’结构示意图；

图3是本发明的等效电路图；

图4是零偏压和饱和电压条件下的天线波束扫描图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本具体实施方式，基于双重调控方式的液晶定频扫描漏波天线，它包括微带带条1、金属地板6、介质板9和N个周期结构单元2；N为正整数；

所述微带带条1固定在介质板9的上表面；

每个周期结构单元2均包括金属盖板3、矩形金属片5、两个金属柱4和M个金属带条7，M为正整数；

M个金属带条7等间距固定在介质基板9的上表面；

金属盖板3位于M个金属带条7的上方，所述金属盖板3与M个金属带条7之间填充有液晶材料8；

矩形金属片5固定在介质板9的下表面，在垂直位置上位于两个结构单元2之间；

所述金属地板6位于微带带条1的下方，所述矩形金属片5位于金属地板6和微带带条1之间，所述金属地板6和微带带条1之间填充有液晶材料8；

每个周期结构单元2对应介质板9区域上均开有两个通孔，所述两个金属柱4分别嵌入在该通孔中，所述每个金属柱4的一端均与微带带条1的下表面连接，所述每个金属柱4的另一端均与矩形金属片5的上表面连接；

N个周期结构单元2之间间距相等。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于双重调控方式的液晶定频扫描漏波天线的区别在于，该天线在沿z方向馈电。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于双重调控方式的液晶定频扫描漏波天线的区别在于，N＝10。

具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于双重调控方式的液晶定频扫描漏波天线的区别在于，每个周期结构单元2的等效电路均包括：电容C_LS、电容C_CP、电感L_LS、电感L_RS、电感L_LP和电容C_RP；

所述电容C_LS的一端是周期结构单元2的一个接线端，所述电容C_LS的另一端与电感L_LS的一端连接，所述电感L_LS的另一端与电感L_RS的一端连接，所述电感L_RS的另一端同时与电感L_LP的一端和电容C_RP的一端连接；

所述电感L_LP的另一端与电容C_CP的一端连接；所述电容C_CP的另一端与电容C_RP的另一端连接，并作为周期结构单元2的另一个接线端。

本实施方式中，天线沿z方向馈电，整体包括10个周期结构单元2。每个周期结构单元占有的位置称为一节。

根据传输线理论，天线单节等效电路模型参照图2。C_LS和L_LS为结构3引入的串联电容电感，C_CP为结构4产生的并联电容，L_LP为金属柱产生的并联电感，L_RS和C_RP为微带结构2和6产生的串联电感和并联电容。根据等效电路，单节相移常数为：

$\mathrm{j\β}=\sqrt{\mathrm{ZY}}=\sqrt{({\mathrm{j\ωL}}_{\mathrm{LS}}+{\mathrm{j\ωL}}_{\mathrm{RS}}-j\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_{\mathrm{LS}}})(\frac{{\mathrm{j\ωC}}_{\mathrm{CP}}}{1-{\mathrm{\ω}}^2{C}_{\mathrm{CP}}{L}_{\mathrm{LP}}}+{\mathrm{j\ωC}}_{\mathrm{RP}})}---\left(1\right)$

本发明应用液晶作为电控材料，采用双重电调谐机构分别控制串联和并联阻抗，实现天线的相移常数随电控装置的电压变化而变化。进而控制天线的波束方向，实现天线在z方向上的波束扫描。

根据公式(1)，当串联电容C_LS和并联电容C_CP同增同减时，天线的相移常数β与随之增大缩小，但是二者的增幅有所不同，由于上述相移常数对应的是辐射特性，

当考虑传输特性时，则有特性阻抗：

$Z_0=\sqrt{\frac{Z}{Y}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{j\ωL}}_{\mathrm{LS}}+{\mathrm{j\ωL}}_{\mathrm{RS}}-j\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_{\mathrm{LS}}}}{\frac{{\mathrm{j\ωC}}_{\mathrm{CP}}}{1-{\mathrm{\ω}}^2{C}_{\mathrm{CP}}{L}_{\mathrm{LP}}}+{\mathrm{j\ωC}}_{\mathrm{RP}}}}---\left(2\right)$

当串联电容C_LS和并联电容C_CP分别受控时，则能实现阻抗在宽频带上的匹配。

具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于双重调控方式的液晶定频扫描漏波天线的区别在于，将液晶材料加载在天线中时，液晶材料的具体加载形式为：

液晶材料的配置分为串联部分和并联部分，串联部分的液晶受到金属盖板3和金属带条2两端电极的控制，在金属盖板3和金属带条2两端电极施加电压即可实现液晶介电常数的连续变化；

并联部分位于矩形金属板5以下，通过矩形金属板5与金属地板6的电压差控制介电常数；通过在矩形金属板5与金属地板6施加不同程度的电压实现天线的扫描特性，同时能够保证天线的阻抗特性。

本实施方式中，天线内部加载的液晶分为两部分，串联部分的液晶受到金属盖板3和金属带条2两端电极的控制，在这两部分施加电压即可实现液晶介电常数的连续变化。并联部分位于矩形金属板5以下，通过矩形金属板5与金属地板6的电压差可以控制其介电常数。通过在两处施加不同程度的电压可以实现天线的扫描特性，同时能够保证天线的阻抗特性。天线波束在z轴方向上的扫描图线参照图4，在Ku波段内点频上最大可以实现约50°角度扫描，1GHz带宽内可以保持大于25°的扫描，效果良好，并且在频带内阻抗特性良好。

Claims (5)

1.基于双重调控方式的液晶定频扫描漏波天线，其特征是：它包括微带带条(1)、金属地板(6)、介质板(9)和N个周期结构单元(2)；N为正整数；

所述微带带条(1)固定在介质板(9)的上表面；

每个周期结构单元(2)均包括金属盖板(3)、矩形金属片(5)、两个金属柱(4)和M个金属带条(7)，M为正整数；

M个金属带条(7)等间距固定在微带带条(1)的上表面；

金属盖板(3)位于M个金属带条(7)的上方，所述金属盖板(3)与M个金属带条(7)之间填充有液晶材料(8)；

矩形金属片(5)固定在介质板(9)的下表面，在垂直位置上位于两个结构单元(2)之间。

所述金属地板(6)位于微带带条(1)的下方，所述矩形金属片(5)位于金属地板(6)和微带带条(1)之间，所述金属地板(6)和介质基板(9)之间填充有液晶材料(8)；

每个周期结构单元(2)对应介质板(9)区域上均开有两个通孔，所述两个金属柱(4)分别嵌入在该通孔中，所述每个金属柱(4)的一端均与微带带条(1)的下表面连接，所述每个金属柱(4)的另一端均与矩形金属片(5)的上表面连接；

N个周期结构单元(2)之间间距相等。

2.根据权利要求1所述的基于双重调控方式的液晶定频扫描漏波天线，其特征在于该天线在沿z方向馈电。

3.根据权利要求1所述的基于双重调控方式的液晶定频扫描漏波天线，其特征在于N＝10。

4.根据权利要求1所述的基于双重调控方式的液晶定频扫描漏波天线，其特征在于每个周期结构单元(2)的等效电路均包括：电容C_LS、电容C_CP、电感L_LS、电感L_RS、电感L_LP和电容C_RP；

所述电容C_LS的一端是周期结构单元(2)的一个接线端，所述电容C_LS的另一端与电感L_LS的一端连接，所述电感L_LS的另一端与电感L_RS的一端连接，所述电感L_RS的另一端同时与电感L_LP的一端和电容C_RP的一端连接；

所述电感L_LP的另一端与电容C_CP的一端连接；所述电容C_CP的另一端与电容C_RP的另一端连接，并作为周期结构单元(2)的另一个接线端。

5.根据权利要求1所述的基于双重调控方式的液晶定频扫描漏波天线，其特征在于在将液晶材料加载在天线中时，液晶材料的具体加载形式为：

液晶材料的配置分为串联部分和并联部分，串联部分的液晶受到金属盖板(3)和金属带条(2)两端电极的控制，在金属盖板(3)和金属带条(2)两端电极施加电压即可实现液晶介电常数的连续变化；

并联部分位于矩形金属板(5)以下，通过矩形金属板(5)与金属地板(6)的电压差控制介电常数；通过在矩形金属板(5)与金属地板(6)施加不同程度的电压实现天线的扫描特性，同时能够保证天线的阻抗特性。