CN105006632B - 基于半模梳状线波导的液晶电控过零扫描漏波天线 - Google Patents

Abstract

基于半模梳状线波导的液晶电控过零扫描漏波天线，属于微波天线工程技术领域，本发明为解决传统电调元件的电控扫描漏波天线难以工作于微波高频波段的问题。本发明包括顶部介质板层、金属层、液晶层和底部波导槽；顶部介质板层和底部波导槽之间设置有金属层，底部波导槽为矩形板的上表面开有纵向槽结构，所述纵向槽中设置有液晶层；金属层为半模梳状线波导结构，在矩形波导框区域内、该列梳齿与矩形波导框对侧纵向边沿之间设置有N个周期性缝隙单元，N个周期性缝隙单元包括一组纵缝列和一组横缝列，纵缝列位于横缝列与梳齿之间，周期性横缝使电磁波在底部波导槽与金属层之间传播时的等效串联电感增加，周期性纵缝使等效并联电容增加。

Description

基于半模梳状线波导的液晶电控过零扫描漏波天线

技术领域

本发明属于微波天线工程技术领域。可以广泛应用到现代无线移动通信、卫星通信动中通及各种雷达系统中。

背景技术

漏波天线自上个世纪40年代由W.W.Hansen提出以来，其独特的辐射特性及优良的波瓣扫描特性，使得漏波天线一直是天线领域研究的热点。最初的漏波天线是由开缝矩形波导构成的，其实质是波导结构上所传播的电磁波为快波时会向空间辐射部分电磁波的现象。最近几十年，漏波天线的研究得到飞速发展，特别是平面漏波天线得到了广泛研究，因为平面漏波天线可以直接加工在印刷电路板(PCB)上，具有低剖面、易加工、结构简单、馈电容易、高方向性等优点，以及波束扫描特性。因此，漏波天线在微波和微波以上的频段得到广泛的关注，特别是在需要波束扫描的场合，漏波天线具有无可比拟的优势，拥有良好的发展前景。

漏波天线具有随着馈入的电磁波频率的变化，天线主瓣波束方向也会变化的频率扫描特性。漏波天线的频扫特性在过去有着较为广泛的应用，但这种频扫特性往往会占据一段较宽的连续的频带资源。当今，随着无线通信的爆炸式发展，本就有限的频谱资源显得日益拥堵，而传统漏波天线的频扫特性与现代通信提高频谱利用率的追求显然是矛盾的，因此为了解决这一矛盾，定频扫描漏波天线的概念开始被提出。

传统的定频扫描天线一般利用移相器对天线阵列中不同的天线单元相位进行控制，从而实现天线波束的扫描，这种定频扫描天线又称为相控阵天线，是现代雷达系统中最为常用的一种扫描天线。但相控阵天线也存在着自己的问题，移相器的引入，往往使得天线的造价提高，体积变大，而且随着相控阵天线阵元的增加，移相器控制网络的复杂度将会呈几何量级增长，这也就制约了相控阵天线，即传统定频扫描天线的发展。

因为漏波天线本身具有频扫特性，再考虑到定频扫描的实际要求，定频扫描漏波天线应运而生。定频扫描漏波天线一般是在漏波天线上加载电控开关或电调介质，通过外加电压来改变开关的通断或介质的电磁特性，以在某个固定频点上改变漏波天线的波束方向，实现定频波束扫描。这种定频扫描漏波天线也称为电控扫描漏波天线，最典型的电控扫描漏波天线基于变容二极管。但由于变容二极管寄生参数和损耗的影响，这种电控扫描漏波天线有工作频段低等缺点，在频段不断提高的现代无线通信中，应用受到了极大的局限。基于液晶材料的定频电控扫描漏波天线能够工作在微波的高频波段。液晶材料可以在外加磁场或电场的控制下，改变自身的介电常数，这一特性被施加到天线结构中，就可以实现漏波天线的定频扫描。然而，现有的液晶电控扫描漏波天线通常具有如下的缺点：第一，需要使用外加可控磁场来配合天线的方向图扫描，从而导致天线的控制机构复杂；第二，为了能够使液晶的介电常数在外加电场的作用下发生改变，需要为天线设计额外的偏置电路，而这种偏置电路会导致低频或直流电路与射频电路之间的电磁耦合，进而是天线的辐射特性恶化。第三，现有液晶漏波天线在实现辐射波束指向垂直于天线表面的方向(过零扫描)方面，比较困难，即使通过阻抗匹配等方法勉强实现，也最终会导致天线的工作带宽变窄。

发明内容

本发明目的是为了解决传统的基于变容二极管等传统电调元件的电控扫描漏波天线难以工作于微波高频波段以及现有液晶电控定频扫描漏波天线不易于实现过零扫描且需要特别设计偏置电路的问题，提供了一种基于半模梳状线波导的液晶电控过零扫描漏波天线。

本发明所述基于半模梳状线波导的液晶电控过零扫描漏波天线，它包括顶部介质板层、金属层、液晶层和底部波导槽；

顶部介质板层和底部波导槽之间设置有金属层；

顶部介质板层与金属层之间通过机械加工方式、电镀方法、热压方法或微电子工艺紧密结合为一体；

底部波导槽为矩形板的上表面开有纵向槽结构，所述纵向槽与金属层之间填满液晶材料，从而形成液晶层，所述液晶层(3)在纵向槽中；

金属层为半模梳状线波导结构，梳齿长l_c取λ_g/4，梳齿宽w_c取远小于λ_g，矩形波导框宽度a₂取λ_g/2至3λ_g/4，其中λ_g为目标工作频率下波导中传递电磁波的波导波长；

在矩形波导框区域内、该列梳齿与矩形波导框对侧纵向边沿之间设置有N个周期性缝隙单元，N个周期性缝隙单元与两端的1号波导端口和2号波导端口之间分别设置一个导带，天线总长度L_m＝N*p+2l_cs，其中l_cs为导带的长度，导带宽度a₁取λ_g/6至λ_g/3；

N个周期性缝隙单元包括一组纵缝列和一组横缝列，纵缝列位于横缝列与梳齿之间，纵缝列为m个纵缝沿纵向均匀设置，横缝列为2m个横缝沿纵向均匀设置；每个周期性缝隙单元包括1个纵缝和2个横缝，相邻两个周期性缝隙单元之间的间距p取λ_g/4至λ_g，作为主要辐射结构的纵缝的长度l₁取λ_g/3至λ_g，起匹配作用的横缝的长度l₂取λ_g/20至λ_g/8，横纵缝之间的横向间距d_s取λ_g/10至λ_g/6，纵缝的缝隙宽度w₁和横缝的缝隙宽度w₂均取值远小于l₁；

金属层上的周期性横缝要使电磁波在底部波导槽与金属层之间传播时的等效串联电感增加，其中的周期性纵缝要使电磁波在底部波导槽与金属层之间传播时的等效并联电容增加。

本发明的优点：本发明设计了一种基于液晶的电控扫描波导漏波天线，与传统的基于变容二极管的定频扫描漏波天线相比，具有可工作在微波高频波段的优点。而相比于目前已有的液晶定频扫描漏波天线，本天线的优势则在于四方面：第一，本天线实现扫描的方式是电控扫描，相比于已有的磁控扫描方式具有控制机构简单、轻巧的优点；第二，本发明采用波导结构作为基础，这种结构方便灌注液晶，而且结构稳固、损耗低、功率容量大；第三，当需要对本天线中的液晶材料施加直流或者低频的偏置电压时，无需为天线设计、加工额外的偏置电路，只需要在天线的输入端口增加一个商用化的偏置器就可以。这对于天线的性能是非常有利的，因为额外的偏置电路往往会对天线性能产生负面影响。第四，该天线可以很容易实现辐射波束指向垂直于天线表面的方向(过零扫描)。第五，该天线不需要在金属层与底部波导槽之间放置绝缘胶，降低了电磁波的泄露，提高了天线的辐射效率。第六，半模梳状线结构减小了天线的宽度，从而使该天线在组阵过程中具有优势。电控过零扫描漏波梳状线波导电控过零扫描漏波梳状线波导梳状线波导

作为一个特例，本发明中给出了一个工作于13.6GHz的液晶半模梳状线基片集成波导横纵缝漏波电控扫描天线，天线利用横纵缝混合的双漏波结构形式，增大了对相位常数β的控制，通过优化设计，可以实现天线波束扫描过零时依然拥有良好的匹配和辐射特性。通过调节外加电压0V至20V，可令天线方向图主瓣波束实现由-7.7°至+7.0°连续平滑的过零扫描，总扫描角度到达14.7°，在整个的电扫描过程中，天线匹配良好，S11均低于-10dB，天线的实际增益从8.27dB变化至8.86dB。较之传统电控扫描天线，该基于半模梳状线波导的液晶电控过零扫描漏波天线实现了过零扫描和天线小型化的特性，天线增益较高且增益浮动小。

附图说明

图1是漏波天线过零扫描示意图；

图2是本发明所述基于半模梳状线波导的液晶电控过零扫描漏波天线的分层结构示意图；

图3是天线的金属层结构示意图；A处表示1号波导端口，B处表示2号波导端口，C处表示周期性横纵缝的漏波结构，D处表示梳状结构。天线利用波段端口在两端进行馈电，1号波导端口馈电时，2号波导端口连接匹配负载，反之，2号波导端口馈电时，1号波导端口连接匹配负载；为保证馈入电磁波传播良好，在1号波导端口和2号波导端口处均设置一定距离长的导带。

图4是天线的金属层漏波结构示意图；

图5是本发明所述基于半模梳状线波导的液晶电控过零扫描漏波天线横向剖视图；

图6是工作于13.6GHz的半模梳状线波导液晶电控漏波天线金属层尺寸图；

图7是工作于13.6GHz的半模梳状线波导液晶电控漏波天线截面尺寸图；

图8是液晶分子排布随电压变化示意图，其中(a)液晶分子呈原始排布状态(配向状态)，(b)液晶分子呈与电场方向相同的姿态排布(偏压状态)；

图9是天线的S11参数曲线；

图10是天线的S21参数曲线；

图11是天线主瓣方向随频率变化曲线；

图12是天线实际增益随频率变化曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图2至图5说明本实施方式，本实施方式所述基于半模梳状线波导的液晶电控过零扫描漏波天线，它包括顶部介质板层1、金属层2、液晶层3和底部波导槽4；

顶部介质板层1和底部波导槽4之间设置有金属层2；

顶部介质板层1与金属层2之间通过机械加工方式、电镀方法、热压方法或微电子工艺紧密结合为一体；

底部波导槽4为矩形板的上表面开有纵向槽结构，所述纵向槽与金属层2之间填满液晶材料，从而形成液晶层3，所述液晶层(3)在纵向槽中；

金属层2为半模梳状线波导结构，梳齿长l_c取λ_g/4，梳齿宽w_c取远小于λ_g，矩形波导框宽度a₂取λ_g/2至3λ_g/4，其中λ_g为目标工作频率下波导中传递电磁波的波导波长；

在矩形波导框区域内、该列梳齿与矩形波导框对侧纵向边沿之间设置有N个周期性缝隙单元，N个周期性缝隙单元与两端的1号波导端口和2号波导端口之间分别设置一个导带2-3，天线总长度L_m＝N*p+2l_cs，其中l_cs为导带2-3的长度，导带宽度a₁取λ_g/6至λ_g/3；

N个周期性缝隙单元包括一组纵缝列和一组横缝列，纵缝列位于横缝列与梳齿之间，纵缝列为m个纵缝2-1沿纵向均匀设置，横缝列为2m个横缝2-2沿纵向均匀设置；每个周期性缝隙单元包括1个纵缝2-1和2个横缝2-2，相邻两个周期性缝隙单元之间的间距p取λ_g/4至λ_g，作为主要辐射结构的纵缝2-1的长度l₁取λ_g/3至λ_g，起匹配作用的横缝2-2的长度l₂取λ_g/20至λ_g/8，横纵缝之间的横向间距d_s取λ_g/10至λ_g/6，纵缝2-1的缝隙宽度w₁和横缝2-2的缝隙宽度w₂均取值远小于l₁；

金属层2上的周期性横缝要使电磁波在底部波导槽4与金属层2之间传播时的等效串联电感增加，其中的周期性纵缝要使电磁波在底部波导槽4与金属层2之间传播时的等效并联电容增加。

由图2，天线主体结构可分为4层材料——顶部介质板层1、金属层2、由机械加工或者电镀或者微电子工艺手段制作的底部金属波导槽4、填充在波导槽与金属层之间的液晶(液晶层3)。

由图3，天线顶部的单面介质板下的金属首先制成半模梳状线基片集成波导的结构，再在此结构上形成周期性横纵缝混合的漏波结构，天线利用波段端口在两端进行馈电，1号波导端口馈电时，2号波导端口连接匹配负载，反之，2号波导端口馈电时，1号波导端口连接匹配负载。为保证馈入电磁波传播良好，在1号波导端口和2号波导端口处均设置一定距离长的导带2-3。

由图4和图5，本实施方式中给出的天线由N个周期性缝隙单元组成，顶部介质板层1为微波板，相对介电常数ε_r在2到10之间，损耗角正切tanδ<0.01，厚度d₂<5mm，金属层厚度小于1mm。天线的尺寸参数与目标工作频率下的电磁波波长有关，假设目标工作频率为f，此时的电磁波波长为λ，波导中传递电磁波的介质波长为λ_g，则本液晶漏波扫描天线设计参数可由这些参数表示如下：单元间距p取λ_g/4至λ_g，导带宽a₁取λ_g/6至λ_g/3，此时天线总长度为L_m＝N*p+2l_cs。纵缝长度l₁取λ_g/3至λ_g，横缝长度l₂取λ_g/20至λ_g/8，横纵缝间距d_s取λ_g/10至λ_g/6。纵缝和横缝的缝隙宽度为w₁,w₂，取值远小于l₁即可。梳状线结构中梳齿长l_c一般取λ_g/4，梳齿宽w_c取远小于λ_g，梳状线外框宽度a₂取λ_g/2至3λ_g/4，梳状线实际宽度a_c略小于外框宽度。

底部波导槽4的外形尺寸没有限制，底部波导槽4上的纵向槽是利用机械加工方法、微电子工艺或者电镀工艺制作的L_m×a_LC×d_LC槽体，取槽宽a_LC>λ/2，λ为工作波长，槽深d_LC<0.4毫米。底部波导槽4的外形尺寸没有限制。液晶灌满底部波导槽4与金属层2之间的全部空间，从而形成液晶层3。液晶层3的上方依次是金属层2和介质板层1。在底部波导槽4以及金属层2与液晶层3接触的表面要进行配向处理，保证液晶材料分子的长轴能够在不施电压的情况下垂直于图3中的z方向。液晶上方是金属层，由于梳状线结构的宽度要比波导槽宽度小，所以金属层与波导槽之间是电气隔离的，因此金属层和波导连接不需要绝缘胶直接连接以及密封即可。具体实施方式二：下面结合图6至图12说明本实施方式，本实施方式结合具体实施例对实施方式一的天线结构作进一步说明。

作为一个特例，图6和图7给出了一个工作于13.6GHz的液晶波导横纵缝漏波电控扫描天线的具体设计参数。由图6，天线顶层介质板选用单面罗杰斯RO4350微波板，相对介电常数ε_r＝4，损耗角正切tanδ＝0.004，厚度为d₂＝0.8mm，金属层厚度为0.017mm。天线由N＝15个周期性缝隙单元组成，单元间距p＝7mm，导带长度l_cs＝10.3mm。纵缝长度为l₁＝8mm，横缝长度l₂＝0.5mm，横纵缝间距d_s＝2.3mm，缝隙宽度为w₁＝w₂＝0.5mm。梳状线结构中梳齿长l_c＝3.5mm，梳齿宽w_c＝1mm，梳状线外框宽度a₂＝8.6mm，梳状线实际宽度a_c＝8.0mm。由图7天线截面示意图，底部液晶槽体选用铝材料，底部液晶槽体是由一块铝长方体块中间铣出一个125.5mm×8.6mm×0.217mm的槽体，其中波导的宽度a_LC＝a₂＝8.6mm。

在液晶的上下极板间加载电压，通过调节这个电压，可以改变液晶分子的排布，如图8所示。进而，可实现液晶各个方向上的相对介电常数ε_rLC的改变。

本实施方式中选用的液晶在外加电压V＝0V时，作用方向上相对介电常数为ε_r＝2.5；外加电压V＝20V(偏压状态)时，作用方向上相对介电常数为ε_r＝3.3。即液晶在外加电压在0V至20V变化时，相对介电常数可以在2.5至3.3之间连续调节，从而漏波天线方向图波束会在一定角度范围内的连续扫描，最终实现了对漏波天线方向图波束的电控。另外，此种液晶在微波波段损耗角正切稳定，为tanδ＝0.006。

工作时，电磁波经由一个偏置器从波导端口1馈入，波导端口2接匹配负载，由于金属层2与波导槽4之间绝缘，所以并不需要为该天线设计、加工额外的偏置电路，只需要通过端口1处连接的偏置器就可以将低频偏置电压施加到液晶层4上，从而改变液晶的有效介电常数。得到的天线S参数如图9，图10所示。得到的天线远场方向图主瓣方向随频率的变化如图11所示，天线的远场方向图主瓣增益随频率的变化如图12所示。由图9、图10可以看到无论V＝0V(配向状态)还是V＝20V(偏压状态)，在13.6GHz附近的2GHz带宽范围内。天线具有良好的匹配，S11均一直低于-10dB，S21在-4.55至-4.95dB之间，为了减小天线尺寸，这里给出的特例只有14个单元，根据上面的理论，通过增大单元数量N可以很方便地使S21进一步降低，从而提高天线增益。由图11，在13.6GHz处，在外加电压从0变到20V的过程中，天线主瓣方向从-7.7°扫描至+7.0°，总扫描角度到达14.7°。由图12，在13.6GHz处，天线的电扫描过程，天线的实际增益从8.27dB变化至8.86dB。较之传统电控扫描漏波天线，该天线实现了过零扫描，增益较大且增益浮动较小。

从图11中V＝10V的曲线可以看出，外加电压V的数值在0-20V之间变化时，主瓣方向会在V＝0V(配向状态)和V＝20V(最大偏压状态)之间偏移。

Claims (5)

1.基于半模梳状线波导的液晶电控过零扫描漏波天线，其特征在于，它包括顶部介质板层(1)、金属层(2)、液晶层(3)和底部波导槽(4)；

顶部介质板层(1)和底部波导槽(4)之间设置有金属层(2)；

顶部介质板层(1)与金属层(2)之间通过机械加工方式、电镀方法或热压方法或微电子工艺紧密结合为一体；

底部波导槽(4)为矩形板的上表面开有纵向槽结构，所述纵向槽与金属层(2)之间填满液晶材料，从而形成液晶层(3)，所述液晶层(3)在纵向槽中；

金属层(2)为半模梳状线波导结构，梳齿长l_c取λ_g/4，矩形波导框宽度a₂取λ_g/2至3λ_g/4，其中λ_g为目标工作频率下波导中传递电磁波的波导波长；

在矩形波导框区域内、该列梳齿与矩形波导框对侧纵向边沿之间设置有N个周期性缝隙单元，N个周期性缝隙单元与两端的1号波导端口和2号波导端口之间分别设置一个导带(2-3)，天线总长度L_m＝N*p+2l_cs，其中l_cs为导带(2-3)的长度，导带宽度a₁取λ_g/6至λ_g/3；

N个周期性缝隙单元包括一组纵缝列和一组横缝列，纵缝列位于横缝列与梳齿之间，纵缝列为m个纵缝(2-1)沿纵向均匀设置，横缝列为2m个横缝(2-2)沿纵向均匀设置；每个周期性缝隙单元包括1个纵缝(2-1)和2个横缝(2-2)，相邻两个周期性缝隙单元之间的间距p取λ_g/4至λ_g，作为主要辐射结构的纵缝(2-1)的长度l₁取λ_g/3至λ_g，起匹配作用的横缝(2-2)的长度l₂取λ_g/20至λ_g/8，横纵缝之间的横向间距d_s取λ_g/10至λ_g/6；

金属层(2)上的周期性横缝要使电磁波在底部波导槽(4)与金属层(2)之间传播时的等效串联电感增加，其中的周期性纵缝要使电磁波在底部波导槽(4)与金属层(2)之间传播时的等效并联电容增加。

2.根据权利要求1所述基于半模梳状线波导的液晶电控过零扫描漏波天线，其特征在于，顶部介质板层(1)为微波板，相对介电常数ε_r在2到10之间，损耗角正切tanδ<0.01，厚度d₂<5mm。

3.根据权利要求1所述基于半模梳状线波导的液晶电控过零扫描漏波天线，其特征在于，金属层(2)厚度小于1mm。

4.根据权利要求1所述基于半模梳状线波导的液晶电控过零扫描漏波天线，其特征在于，底部波导槽(4)的纵向槽是利用机械加工方法、微电子工艺、电镀工艺制作的L_m×a_LC×d_LC槽体，槽宽a_LC>λ/2，λ为工作波长，槽深d_LC<0.4mm。

5.根据权利要求1所述基于半模梳状线波导的液晶电控过零扫描漏波天线，其特征在于，液晶层(3)填满底部波导槽(4)与金属层(2)之间的全部空间；

在底部波导槽(4)以及金属层(2)与液晶层(3)接触的表面要进行液晶的配向处理，保证液晶材料分子的长轴能够在不施电压的情况下垂直于z方向，所述z方向为贯穿底部波导槽(4)和金属层(2)的方向。