CN105006656A - 基于液晶的电控扫描波导漏波天线 - Google Patents

Abstract

基于液晶的电控扫描波导漏波天线，属于微波天线工程技术领域，本发明为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扫描漏波天线需要特别设计偏置电路的问题。本发明包括顶部介质板层、金属层、绝缘胶层、液晶层和底部波导槽；顶部介质板层的下表面设置有金属层，金属层为刻蚀有周期性横缝的漏波结构，该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；金属层上设置有N个周期性缝隙单元，缝隙单元间距p取λ_g/2至λ_g，中间部分的缝隙为主要辐射单元，主要辐射单元的缝隙长度l取λ_g/4至λ_g/2，前四个和后四个缝隙为辅助辐射单元。

Description

基于液晶的电控扫描波导漏波天线

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。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。

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扫描漏波天线需要特别设计偏置电路的问题，提供了一种基于液晶的电控扫描波导漏波天线。

本发明所述基于液晶的电控扫描波导漏波天线，它包括顶部介质板层、金属层、绝缘胶层、液晶层和底部波导槽；

顶部介质板层的下表面设置有金属层，金属层为刻蚀有周期性横缝的漏波结构，该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；

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；

底部波导槽的纵向槽两侧凸起部分的上表面与金属层之间通过绝缘胶层粘接在一起；

金属层上设置有N个周期性缝隙单元，天线总长度L_m＝N*p，缝隙单元间距p取λ_g/2至λ_g，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，中间部分的缝隙为主要辐射单元，主要辐射单元的缝隙长度l取λ_g/4至λ_g/2，前四个和后四个缝隙为辅助辐射单元。

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三方面：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。，

本发明设计的天线通过改变缝隙长度、单元间距、单元个数和波导槽宽度等设计参数，该漏波天线可工作在X,K,Ka和U波段，甚至更高的太赫兹波段。

给出一个具体特例来说明本发明相对于传统电控扫描漏波天线的优势，本发明中给出了一个工作于10GHz的基于液晶的电控扫描波导漏波天线，通过调节外加电压0至20V，可令天线方向图主瓣波束实现由-50.4°至-14.9°的连续平滑扫描，总扫描角度到达35.5°。在天线的电扫描过程，天线的实际增益从8.33dB变化至11.22dB。较之传统电控扫描天线，该基于液晶的电控扫描波导漏波天线具有扫描角度大，增益大且增益浮动较小的优势。

附图说明

图1是本发明所述基于液晶的电控扫描波导漏波天线的分层结构示意图；

图2是天线的金属层结构示意图；A处表示波导端口1，B处表示波导端口2，C处表示周期性横纵缝的漏波结构。天线利用波段端口在两端进行馈电，波导端口1馈电时，波导端口2连接匹配负载，反之，波导端口2馈电时，波导端口1连接匹配负载。

图3是天线的覆铜层漏波结构示意图；

图4是本发明所述基于液晶的电控扫描波导漏波天线横向剖视图；

图5是工作于10GHz的液晶的电控扫描波导漏波天线金属层尺寸图；

图6是工作于10GHz的液晶的电控扫描波导漏波天线横向截面尺寸图；

图7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8是天线的S11参数曲线；

图9是天线的S21参数曲线；

图10是天线主瓣方向随频率变化曲线；

图11是天线实际增益随频率变化曲线；

图12是天线在五种偏置电压下面上的2D方向图；

图13是无外加电压时天线的S11参数随缝隙长度l变化图线；

图14是无外加电压时天线的S11参数随单元间距p变化图线；

图15是无外加电压时天线实际增益随缝隙单元个数N变化图线。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述基于液晶的电控扫描波导漏波天线，它包括顶部介质板层1、金属层2、绝缘胶层3、液晶层4和底部波导槽5；

顶部介质板层1的下表面设置有金属层2，金属层2为刻蚀有周期性横缝的漏波结构，该周期性横缝要使电磁波在底部波导槽5与金属层2之间传播时的等效串联电感增加；

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5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4；

底部波导槽5的纵向槽两侧凸起部分的上表面与金属层2之间通过绝缘胶层3粘接在一起；

金属层2上设置有N个周期性缝隙单元，天线总长度L_m＝N*p，缝隙单元间距p取λ_g/2至λ_g，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，中间部分的缝隙为主要辐射单元，主要辐射单元的缝隙长度l取λ_g/4至λ_g/2，前四个和后四个缝隙为辅助辐射单元。

辅助辐射单元用来修饰主辐射单元的特性，优化天线整体的辐射和匹配特性。其尺寸可以与主辐射单元的尺寸相同，也可以不同。当前后四个缝隙单元的长度从l逐渐减小到l_m3、l_m2、l_m1，且l_m1≈l/2时，天线的定向性增加，反射损耗减小。参见图2和图3。

由图1可知，天线主体结构可分为5层材料——底部的由机械加工、电镀或者微电子工艺手段制作的金属波导槽5、填充在波导槽5和金属层2之间的液晶层4、顶部的介质基板、介质基板下面由PCB工艺、微电子工艺或者机械加工工艺产生的金属层2和连接顶部介质板1和底部波导槽5的绝缘胶层3。

顶部介质板层1为微波介质基板，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2厚度小于1mm。参见图4，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/2至λ_g，此时天线总长度为L_m＝N*p。中间部分的缝隙为主要辐射单元，长度l取λ_g/4至λ_g/2，所有的缝隙宽度均为w，取值远小于l即可，为保证匹配，减小输入端的回波损耗，前四个和后四个缝隙单元长度为渐变形式，从l逐渐减小到l_m1≈l/2。底部波导槽5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实现的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5的外形尺寸没有限制。液晶灌满底部波导槽5与金属层2之间的全部空间，从而形成液晶层4。液晶层4的上方依次是金属层2和顶部介质板层1。金属层2与底部波导槽5两侧凸起部分的上表面，用绝缘胶3粘结，保证液晶不外漏以及金属层与波导层之间的绝缘，要求绝缘胶层厚度d_g<0.03mm。在底部波导槽5以及金属层2与液晶层4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2中的z方向。，

工作时，电磁波经由一个偏置器从波导端口1(或端口2)馈入，波导端口2(或端口1)接匹配负载，由于金属层2与底部波导槽5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。

具体实施方式二：下面结合图5至图15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5和图6给出了一个工作于10GHz的液晶波导横缝漏波电控扫描天线的具体设计参数。由图5，顶部介质板层1选用微波基板，相对介电常数ε_r＝4，损耗角正切tanδ＝0.004，厚度为d₂＝1mm，金属层2厚度为0.017mm。天线由N＝18个周期性缝隙单元组成，单元间距p＝15mm。主要的横缝辐射单元长度为l＝6mm，前三个和后三个缝隙单元长度l_m3、l_m2、l_m1依次为：6mm、5mm、4mm，所有的缝隙宽度均为w＝1mm。由图6天线截面示意图，底部波导槽5选用纯铝材料，是由一块铝长方体块中间铣出一个槽体的方法实现，其中波导槽的宽度a_LC＝14mm，槽体中灌注d_LC＝0.3mm厚的液晶，起连接和密封作用的绝缘胶层3厚度d_g取0.02mm。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7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，液晶的有效相对介电常数为ε_r＝2.5；外加电压V＝20V(最大偏压状态)时，液晶的有效相对介电常数为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的损耗角正切为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与底部波导槽5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参数曲线如图8，图9所示。还得到的天线远场方向图主瓣方向随频率的变化曲线如图10所示，天线的远场方向图主瓣增益随频率的变化曲线如图11所示。由图8、图9可以看到无论V＝0V(配向状态)还是V＝20V(最大偏压状态)，在10GHz附近的600MHz带宽范围内，天线S11均一直低于-10dB，S21在-7.5至-10dB之间，这说明天线拥有良好的匹配和辐射效率。由图10，在10GHz处，在外加电压从0变到20V的过程中，天线主瓣方向从-50.4°扫描至-14.9°，总扫描角度到达35.5°。由图11，在10GHz处，天线的电扫描过程，天线的实际增益从8.33dB变化至11.22dB。较之传统电控扫描天线，该天线扫描角度大，增益大且增益浮动较小。

通过图8-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，包括S参数、主瓣方向、实际增益等在内漏波天线的各个指标参数都会在V＝0V(配向状态)和V＝20V(最大偏压状态)之间偏移，因此在设计时，我们只需关注这两种极值情况即可。

图12给出了五种偏置电压状态下，天线面上的2D方向图，能看到，随着偏置电压的增加，天线主瓣方向逐渐进行扫描，从-50.4°扫描至-14.9°，在扫描过程中，天线的主瓣实际增益一直在10dB附近，而副瓣电平一直小于-10dB。

该基于液晶的电控扫描波导漏波天线对缝隙长度、单元间距和缝隙单元个数这三个设计参数最为敏感。下面给出在无外加电压，即液晶处于配向状态时，漏波天线与这三个关键设计参数的变化关系图。

通过图12，图13，可以看到，随着缝隙长度l的变大，天线工作频率降低，工作带宽(S11<-10dB的频率范围)变窄。当天线单元间距p增大时，天线的工作频率同样向低频移动，但带宽变化不大。

由图14，可以看到，随着缝隙单元个数N的增加，天线的实际增益逐渐增大，因此，在对天线长度限制不大的应用场合，可以通过增加单元个数来实现天线增大的提高。值得提出的是，这种方法不会对回波损耗S11等其他天线指标参数有影响。

另外，除了这三个关键参数，波导槽的宽度会对波导的截止频率有影响，为了消除高次模，再设计时也要考虑波导宽度的影响。

Claims (6)

1.基于液晶的电控扫描波导漏波天线，其特征在于，它包括顶部介质板层(1)、金属层(2)、绝缘胶层(3)、液晶层(4)和底部波导槽(5)；

顶部介质板层(1)的下表面设置有金属层(2)，金属层(2)为刻蚀有周期性横缝的漏波结构，该周期性横缝要使电磁波在底部波导槽(5)与金属层(2)之间传播时的等效串联电感增加；

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(5)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(4)；

底部波导槽(5)的纵向槽两侧凸起部分的上表面与金属层(2)之间通过绝缘胶层(3)粘接在一起；

金属层(2)上设置有N个周期性缝隙单元，天线总长度L_m＝N*p，缝隙单元间距p取λ_g/2至λ_g，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，中间部分的缝隙为主要辐射单元，主要辐射单元的缝隙长度l取λ_g/4至λ_g/2，前四个和后四个缝隙为辅助辐射单元。

2.根据权利要求1所述基于液晶的电控扫描波导漏波天线，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所述基于液晶的电控扫描波导漏波天线，其特征在于，金属层(2)厚度小于1mm。

4.根据权利要求1所述基于液晶的电控扫描波导漏波天线，其特征在于，底部波导槽(5)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，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4所述基于液晶的电控扫描波导漏波天线，其特征在于，液晶层(4)填满底部波导槽(5)与金属层(2)之间的全部空间。

在底部波导槽(5)以及金属层(2)与液晶层(4)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(5)和金属层(2)的方向。

6.根据权利要求1所述基于液晶的电控扫描波导漏波天线，其特征在于，绝缘胶层(3)厚度d_g<0.03mm。