CN105896082A - 一种基于液晶材料的频率和方向图可重构天线 - Google Patents
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Abstract
该发明属于一种基于液晶材料的频率和方向图可重构天线，属于天线技术领域，具体涉及一种基于液晶材料的频率和方向图可重构天线。该频率可重构天线包括液晶移相器、液晶微带天线、一分四功分器。该发明将液晶材料的电调控特性与频率和方向图可重构天线设计相结合，制作出一种基于液晶材料的频率和方向图可重构天线，使得天线频率能够实现连续调控，并且可调谐范围大，波束可偏转。提高了频率和方向图可重构天线在小型化，宽频带的实际应用。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于液晶材料的频率和方向图可重构天线。
背景技术
随着现代雷达和通信系统的迅速发展,为实现通信、导航、制导、警戒、武器寻的等目的,飞机、轮船、卫星等所需的天线数量越来越多。这使得平台上所负载的重量不断增加,而且搭建天线所需的费用也不断上升,同时,各天线之间的电磁干扰也非常大,严重影响天线的正常工作。为了减轻平台上所负载的天线重量、降低成本、减小平台的雷达散射截面、实现良好的电磁兼容特性,希望能用一个天线来实现多个天线的功能。采用同一个天线或天线阵,通过动态改变其物理结构或尺寸,使其具有多个天线的功能,相当于多个天线共用一个物理口径,这种天线就称为可重构天线。
可重构天线的概念最早是在1983年D.Schaubert的专利“Frequency-Agile,PolarizationDiverse Microstrip Antenna and Frequency Scanned Arrays”中提出的。1999年,美国国防部高级研究计划局(DARPA)制定了名为“Reconfigurable Aperture Program(RECAP)”的计划。在这一计划的资助下,一些实验室和大学进行了可重构天线的初步研究,用一些形式的天线实现了一定程度上的可重构,证明了可重构天线的可行性。近年来国内可重构天线的研究也得到了很大的重视,王秉中等人研究较早并获得了一定的成果。鉴于可重构天线概念新、难度大、相关基础研究少,还没有能够有效分析和设计可重构天线的电磁理论。DARPA的首期研究计划是在10倍频程的范围内实现方向图的动态可重构的。可重构天线将主要应用在高频卫星通信系统、低频通信系统、电子情报、雷达(合成孔径雷达(SAR))、地面移动目标识别(GMTI)等诸多方面。
可重构天线按功能一般可分为以下几类:第一类是方向图形状不变,而频率可以改变的天线,能宽频带或多频段工作；第二类是频率不变,方向图形状可以改变的天线；第三类是能够同时改变频率和方向图的可重构天线；另外还有其它诸如可以改变极化方向的极化可重构天线。而按照重构的实现途径，又可分为电子器件可重构、机械可重构及改变天线的材料特性的可重构等形式。
虽然早在20世纪80年代初,就已提出了可重构天线的概念,但直到前些年,随着高性能、低功耗的微电子机械(MEMS)开关的发展,对可重构天线的研究才进一步深人。目前大多数可重构天线设计采用MEMS开关。MEMS开关具有理想的开关特性,开关比非常高,可实现从直流到高于4OGHZ射频信号的隔离。同时,它功耗低,接人电路中插损极小,而且采用CMOS工艺制作,体积小,重量轻,便于集成。它的缺点是响应速度稍慢,需要几微秒到几十微秒的时间，且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。在要求响应速度的地方,可以用PIN二极管开关,但它的隔离特性不如MEMS开关,而且功耗大。
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各向异性性，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重构天线中至关重要的部分，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。
发明内容
本发明是针对现有技术中可重构天线存在的尺寸大、结构复杂等问题，提出的一种基于液晶材料的频率和方向图可重构天线。以满足小型化，结构简单等目的。
本发明的解决方案是通过以下技术方法实现的：
一种基于液晶材料的频率和方向图可重构天线，该天线包括：液晶移相器，液晶微带天线；所述液晶移相器包括：上层玻璃基板、一条或多条蛇形金属延迟线、液晶材料、金属地板、液晶封装结构，其中蛇形金属延迟线位于上层玻璃基板的下表面，且蛇形金属延迟线的末端为直线，其中的一端与玻璃基板齐平用于馈电，上层玻璃基板与金属地板之间设置液晶材料，液晶封装结构位于液晶移相器四周用于密封液晶材料；所述液晶微带天线包括：金属地板、液晶材料、一片或多片作为天线辐射单元的金属贴片，数量与蛇形金属延迟线条数相同、下层玻璃基板、液晶封装结构，其中金属贴片位于下层玻璃基板的上表面，金属地板与下层玻璃基板之间设置液晶材料，且金属贴片位于液晶材料中，液晶封装结构位于天线四周用于密封液晶材料；所述液晶移相器位于液晶微带天线上方，且两者共用同一金属地板，其中液晶微带天线中的金属贴片是由上层的蛇形金属延迟线进行缝隙耦合馈电，缝隙开于蛇形金属延迟线末端直线正下方的金属地板上。
进一步的，所述液晶移相器中蛇形金属延迟线的条数为4条，蛇形金属延迟线相同侧的末端通过一分四功分器连接，从一分四功分器进行馈电；相应的在液晶微带天线中对应设置有4片金属贴片。
进一步的，所述液晶材料型号为TUD-566、E7、K15、5CB液晶材料中的任意一种。
本发明将可以实现电调控的液晶材料与频率可重构天线设计结合起来，设计出一种基于液晶材料的频率和方向图可重构天线。这样的设计将能够实现天线频率的连续调控，并且实现波束偏转。本发明具有体积小，结构简单，可靠性高，可调谐范围大等诸多优点。为提高频率和方向图可重构天线的性能提供了全新的技术途径。
附图说明
图1为本发明基于液晶材料的频率可重构天线各结构相对位置关系示意图；
图2为液晶移相器中上层玻璃基板下表面示意图；
图3为液晶微带天线中玻璃基板上表面示意图；
图4为本发明提供的频率和方向图可重构天线实现调频功能的S参数仿真结果；
图5为本发明提供的频率和方向图可重构天线未加电时的方向图；
图6为本发明提供的频率和方向图可重构天线加电后的方向图；
图中：1.玻璃基板，2.蛇形金属延迟线，3.液晶材料，4.金属地板，5.液晶材料，6.金属贴片，7.玻璃基板，8.一分四功分器。
具体实施方式
实施例1：一种基于液晶材料的频率和方向图可重构天线，该天线包括：液晶移相器，液晶微带天线；所述液晶移相器包括：上层玻璃基板、一条或多条蛇形金属延迟线、液晶材料、金属地板、液晶封装结构，其中蛇形金属延迟线位于上层玻璃基板的下表面，且蛇形金属延迟线的末端为直线，其中的一端与玻璃基板齐平用于馈电，上层玻璃基板与金属地板之间设置液晶材料，液晶封装结构位于液晶移相器四周用于密封液晶材料；所述液晶微带天线包括：金属地板、液晶材料、一片或多片作为天线辐射单元的金属贴片，数量与蛇形金属延迟线条数相同、下层玻璃基板、液晶封装结构，其中金属贴片位于下层玻璃基板的上表面，金属地板与下层玻璃基板之间设置液晶材料，且金属贴片位于液晶材料中，液晶封装结构位于天线四周用于密封液晶材料；所述液晶移相器位于液晶微带天线上方，且共用同一金属地板，其中液晶微带天线中的金属贴片是由上层的蛇形金属延迟线进行缝隙耦合馈电，缝隙开于蛇形金属延迟线末端直线正下方的金属地板上。本实施例以TUD-566型混合液晶为例，其相对介电常数可调范围为为2.4-3.2，上层厚度为0.2mm，下层厚度为0.5mm；基板材料为玻璃，在基板上镀层金属并利用光刻的方法在基板上刻蚀图形，上层玻璃基板上光刻出蛇形金属延迟线及微带带条，延迟线及延迟线末端的微带带条宽度为0.5mm；下层玻璃基板上光刻出金属贴片，贴片尺寸为11mm×5mm。上下两层玻璃基板体积为(长×宽×高)44mm×44mm×0.1mm。
本实施例在微带带条和金属地板之间，金属地板和金属贴片之间各加偏置电压，以此对液晶实施加电调控，在蛇形金属延迟线和金属地板之间加偏置电压，加电后液晶的内部分子结构排列发生改变，因液晶的介电常数各向异性，所以其介电常数也发生了改变，通过对各个蛇形金属延迟线加电的不同，使得各个蛇形金属延迟线下的液晶的介电常数不同，使其具有不同的相位，从而使得波束发生偏转，达到方向图可重构；而微带贴片天线的中间介质层介电常数变化会导致其谐振频点发生偏移，从而达到频率可重构的目的。附图4为本发明提供的频率和方向图可重构天线实现调频功能的S参数仿真结果图；附图5、6为本发明提供的频率和方向图可重构天线不加电和加电后的方向图。仿真结果证明通过对液晶材料的电调控可以实现频率和方向图可重构天线的频率连续可调及波束偏转。
Claims (3)
1.一种基于液晶材料的频率和方向图可重构天线，该天线包括：液晶移相器，液晶微带天线；所述液晶移相器包括：上层玻璃基板、一条或多条蛇形金属延迟线、液晶材料、金属地板、液晶封装结构，其中蛇形金属延迟线位于上层玻璃基板的下表面，且蛇形金属延迟线的末端为直线，其中的一端与玻璃基板齐平用于馈电，上层玻璃基板与金属地板之间设置液晶材料，液晶封装结构位于液晶移相器四周用于密封液晶材料；所述液晶微带天线包括：金属地板、液晶材料、一片或多片作为天线辐射单元的金属贴片，数量与蛇形金属延迟线条数相同、下层玻璃基板、液晶封装结构，其中金属贴片位于下层玻璃基板的上表面，金属地板与下层玻璃基板之间设置液晶材料，液晶封装结构位于天线四周用于密封液晶材料；所述液晶移相器位于液晶微带天线上方，且共用同一金属地板，其中液晶微带天线中的金属贴片是由上层的蛇形金属延迟线进行缝隙耦合馈电，缝隙开于蛇形金属延迟线末端直线正下方的金属地板上。
2.如权利要求1所述的一种基于液晶材料的频率和方向图可重构天线，其特征在于所述液晶移相器中蛇形金属延迟线的条数为4条，蛇形金属延迟线相同侧的末端通过一分四功分器连接，从一分四功分器进行馈电；相应的在液晶微带天线中对应设置有4片金属贴片。
3.如权利要求1所述的一种基于液晶材料的频率和方向图可重构天线，其特征在于所述液晶材料型号为TUD-566、E7、K15、5CB液晶材料中的任意一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160824 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |