CN108718001A - 一种基于液晶材料的波束可调漏波天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于液晶材料的波束可调漏波天线，解决的是控制方式和馈电系统复杂，泄漏损耗大，功率容量小，难以工作在高频段的技术问题，通过采用包括重叠设置的金属接地面、液晶材料层、半模梳状基片集成波导层、第一介质板及第二介质板；第一介质板设置有环形凹槽；液晶材料层和半模梳状基片集成波导层均位于环形凹槽内，半模梳状基片集成波导层凹陷在液晶材料层上；所述天线还包括与半模梳状基片集成波导层直接连接的馈电端；馈电端用于输入偏置电压馈电的技术方案，较好的解决了该问题，可用于可调漏波天线中。

Description

一种基于液晶材料的波束可调漏波天线

技术领域

本发明涉及微波通信天线领域，具体涉及一种基于液晶材料的波束可调漏波天线。

背景技术

随着现代电子技术的日益发展，越来越多的微波通信系统要求所使用的电子设备具有连续可调、多频带、多功能、小型化、高性能等特性，同时迫于频谱资源的紧张，系统工作频率变得越来越高，相对带宽也越来越窄，因此在天线技术领域，能实现波束可调的智能天线得到广泛重视。漏波天线属于行波天线的一种，电磁能量在传输过程通过波导结构上的缝隙等方式有规律地辐射到空间中，具有较好的阻抗带宽、方向性和频率扫描特性，易于和馈电网络集成并提高频谱资源的利用率，已在微波与毫米波频段得到广泛应用。

但是现有的漏波天线的频带范围比较固定，频率扫描特性在比较窄的频带范围内很难被应用，因此使漏波天线波束方向实现可调具有十分重要的现实意义，在通信基站、移动终端和高分辨率雷达中都有广阔的应用前景。近年来，液晶材料作为一种介电各向异性的材料具有深度的发展潜力，其结构多数由棒状或盘状的有机分子组成，一般处于介于晶体态和液态之间的液晶相，既有液体的流动性，又有晶体的各向异性。同时随着具有较大双折射率液晶材料出现，在微波与毫米波波段的应用有很大的发展空间，具有工作频率高、损耗低、调谐率高等优点。根据现有调控液晶材料的方式，可分为电调谐和磁调谐两种，这两种调控方式的实质都是利用了液晶分子在外加电场或者磁场中发生偏转，进而各个方向上的等效介电常数变化，相对一定波长的谐振器，其谐振频率也随之发生相应的改变的性质，因此液晶材料具有了可调谐的特性。通常通过外加偏置电压进行调控，在外加电场变化时，液晶的介电常数发生逐渐变化，在微波以及太赫兹频段，液晶都能保持稳定的电磁特性，损耗也较小，有效解决了电调谐技术在高频段难以实现的问题。

现有的基于二极管等调谐方式的波束可调漏波天线，其存在控制方式和馈电系统复杂，泄漏损耗大，功率容量小，难以工作在高频段等问题。现有的实现波束扫描的漏波天线是基于二极管开闭组合方式、加载销钉和交指电容等可调电子器件，但受二极管封装、较多寄生参数和器件损耗存在的影响，从而导致漏波天线增益、方向性和效率不理想，同时由于截止频率的存在，随着应用频带的升高，基于电子器件的电控扫描漏波天线在高频段损耗会加大，一般在12GHz以上的频段无法正常使用，因此在高频段实现波束可调漏波天线将受到挑战。因此，提供一种解决上述问题的基于液晶材料制作的半膜梳状基片集成波导可重构漏波天线就非常有必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的控制方式和馈电系统复杂，泄漏损耗大，功率容量小，难以工作在高频段的技术问题。提供一种新的波束可调漏波天线，该基于液晶材料的波束可调漏波天线具有控制方式和馈电系统简单，泄漏损耗小，功率容量大，能够工作在高频段的特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种基于液晶材料的波束可调漏波天线，所述天线包括重叠设置的金属接地面、液晶材料层、半模梳状基片集成波导层、第一介质板及第二介质板；第一介质板设置有环形凹槽；液晶材料层和半模梳状基片集成波导层均位于环形凹槽内，半模梳状基片集成波导层凹陷在液晶材料层上；所述天线还包括与半模梳状基片集成波导层直接连接的馈电端；馈电端用于输入偏置电压馈电。

本发明的原理：梳状基片集成波导结构相较于传统金属波，在保持相似传播特性的同时具有损耗小、Q值高、低成本、易加工、易与其他平面电路高度集成等优点，还克服了微带线、带状线等传统平面传输线在高频时存在的电磁泄漏大、辐射效率低等问题。半膜梳状基片集成波导这种传输线结构，通过在主波导宽边用四分之一波导波长微带开路枝节，解决了基片集成波导由于金属通孔结构在多层电路设计中的应用限制，具有结构简单、低剖面、易于匹配，而且相较于全膜梳状基片集成波导结构，其传输主模是TE₁₀模的一半模式，在相同结构工艺且不影响主模传输的条件下，尺寸缩小一半，更具小型化。液晶材料的介电常数可随着外加偏置电压的变化而连续变化，液晶的损耗角正切随着频率的增大而减小，功率消耗较小。因此，基于液晶材料的半膜梳状基片集成波导漏波天线,可使漏波天线的结构和性能发生根本性改变，实现具有优良性能的波束可调漏波天线设计。本发明的偏置电压控制简单不复杂，根据电压调节改变液晶材料的介电常数。

考虑到外加电场对液晶材料作用效率的影响，平面传输电路采用具有低损耗、易加工等优势的倒置微带线结构，将导带金属与液晶材料置于底层金属和上层介质基板之间，将液晶材料封装在多层基片内部，与传输电路有效接触，从而利用液晶材料的电调介电各向异性实现电路的调谐特性，同时确保液晶不会外溢，实现液晶漏波天线的良好封装。

上述方案中，为优化，进一步地，所述半模梳状基片集成波导层包括主波导，主波导的宽边设置有微带开路枝节，主波导两侧设置有渐变线阻抗匹配微带，为满足宽频段范围内微带与倒置微带结构的互联过渡需求，渐变线阻抗匹配微带与馈电端采用过渡部分同型的上下层电路物理重叠拼接；所述梳状基片集成波导层上设置有周期排列的单元纵缝。

进一步地，所述馈电端为共面波导馈电微带。

进一步地，所述周期排列的单元纵缝为4周期单元缝隙。

进一步地，所述第一介质板与环形凹槽重叠处设置有至少一个可开闭的通孔，通孔与半模梳状基片集成波导层位置水平互异，所述通孔用于灌注液晶材料形成液晶材料层。

进一步地，所述第一介质板与第二介质板的材质和厚度均相同。

进一步地，所述波束可调漏波天线的金属接地面、液晶材料层、半模梳状基片集成波导层、第一介质板及第二介质板为一体成型。

液晶分子在通常条件下，是呈随意排列的，这时液晶各个方向的介电常数均是不可知的，但大小都介于ε_⊥～ε_||之间，通过在电路基板上涂覆液晶取向剂，对同一方向排列的液晶进行偏置电压相位调节，外加电压增至液晶取向饱和，能够实现液晶的电位调谐，进而最大化的利用液晶的电调谐力度实现对微波器件的可重构应用。

本发明的有益效果：本发明使用半模梳状基片集成波导结构，在主波导宽边用四分之一波导波长微带开路枝节，解决了基片集成波导由于金属通孔结构在多层电路设计中的应用限制，并具有结构简单、低剖面、易于匹配，而且相较于全膜梳状基片集成波导结构，在相同结构工艺且不影响主模传输的条件下，尺寸缩小一半更具小型化；采用液晶材料介电常数可调的特性，通过外加偏置电压进行调控，在外加电场变化时，液晶的介电常数发生变化，在微波以及太赫兹频段，液晶都能保持稳定的电磁特性，损耗也较小，有效解决了电调谐技术在高频段难以实现的问题；采用倒置微带线结构，具有低损耗、易加工等优势，同时确保液晶不会外溢，实现液晶漏波天线的良好封装。基于有效辐射段的周期性开缝，在有效辐射段的位置上改变梳状基片集成波导漏波天线的缝隙宽度比w2/w1，利用周期结构激发出的n次空间谐波实现辐射，使传播的准TEM模式被连续缝隙所阻断，缝隙之间保留的金属可等效为短路枝节，引入周期性的扰动激发起多个高次的空间谐波，同时对有效辐射宽度w2优化，相当于增加有效辐射段的辐射，对副瓣电平起到间接抑制的效果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1，实施例1中基于液晶材料的波束可调漏波天线的分层结构示意图。

图2，实施例1中基于液晶材料的波束可调漏波天线的顶面示意图。

图3，设计基于液晶材料的波束可调漏波天线的过程示意图。

图4，倒置微带线结构示意图。

图5，基于增强有效辐射段的漏波天线单元结构。

图6，实施例1天线的S参数示意图。

图7，实施例1天线的E面方向图。

图中附图标记解释：1-第一介质板，2-共面波导馈电微带线，3-金属接地面，4-环形凹槽，5-液晶材料层，6-半模梳状基片集成波导层，7-第二介质板，8-通孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种基于液晶材料的波束可调漏波天线，如图1，所述天线包括重叠设置的金属接地面3、液晶材料层5、半模梳状基片集成波导层6、第一介质板1及第二介质板7；第一介质板1设置有环形凹槽4；液晶材料层5和半模梳状基片集成波导层6均位于环形凹槽4内，半模梳状基片集成波导层6凹陷在液晶材料层5上；所述天线还包括与半模梳状基片集成波导层6直接连接的馈电端；馈电端用于输入偏置电压馈电。

其中，如图1，所述模梳状基片集成波导层包括主波导，主波导的宽边设置有微带开路枝节，主波导两侧设置有渐变线阻抗匹配微带，渐变线阻抗匹配微带与馈电端上下层电路物理重叠拼接；所述模梳状基片集成波导层上设置有周期排列的单元纵缝。

如图1及图2，所述馈电端为共面波导馈电微带。

如图2，具体地，所述周期排列的单元纵缝为4周期单元缝隙。

如图1，为了方便灌装液晶材料，优选地，所述第一介质板1与环形凹槽4重叠处设置有至少一个可开闭的通孔8，通孔8与半模梳状基片集成波导层6位置水平互异，所述通孔8用于灌注液晶材料形成液晶材料层5。

本实施例中第一介质板1与第二介质板7的材质和厚度均相同。

本实施例中，波束可调漏波天线的金属接地面3、液晶材料层5、半模梳状基片集成波导层6、第一介质板1及第二介质板7为一体成型，加工成为印制电路板，而不需要额外进行安装，省时省力。

设计本实施例的天线过程如图3，其中漏波天线的波束控制算法采用现有的控制算法，液晶材料特性采用现有的液晶材料特性参数。具体地，如图1、图2，半模梳状基片集成波导层6开有4周期单元纵缝、上层介质基板作为盖板并设有用于液晶注入的通孔8，介质基板中间镂空凹槽的环状结构用于装填液晶。其中，液晶材料层5厚度为0.324mm，液晶材料部分的面积为19mm×100mm，两层介质基板均选择Roger RT5880，其介电常数为2.2，导电损耗角正切为0.001，厚度为0.254mm；半模梳状基片集成波导的主波导宽度为8mm，长度为103mm；梳状微带开路枝节的长度为3.5mm，宽度为1mm，间隔1mm；渐变线阻抗变换结构的长为20.2mm，宽度从0.66mm变化到6.34mm从而过渡到50Ω微带线，与共面波导馈电微带线2之间上下层电路物理重叠拼接，使得外置偏压可有效通过传输线加至液晶层。如图4为本实施例采用的倒置微带线结构，其中a为上层基板介质的厚度，b为液晶材料的厚度，中间部分为倒置微带线结构，如图5为本实施例基于增强有效辐射段的漏波天线单元结构。

本实施例采用4周期单元缝隙，周期单元缝隙长度为8mm，宽度为0.7mm，采用增加长直缝隙有效辐射段的单元纵缝结构并在水平方向设置偏移量，增强有效辐射段的辐射，对天线副瓣电平起到间接抑制的效果。周期性长直开缝利用周期结构激发出的n次空间谐波实现辐射，使传播的准TEM模式被连续缝隙所阻断，缝隙之间保留的金属可等效为短路枝节，引入周期性的扰动激发起多个高次的空间谐波，利用空间谐波中的快波来进行辐射，有限长周期性的漏波结构也可看作一类特殊的阵列天线形式。

测试后，如图6为漏波天线的S11参数。当改变液晶材料的有效介电常数时，本实施例的有效介电常数为由2.4变化到3.4，对应的漏波天线的工作频段实现从12.7GHz-17.1GHz到16.7GHz-21.4GHz的频移，中心频率可调范围可达3.3GHz，同时具有良好的辐射特性；如图7所示，漏波天线主瓣方向随着液晶介电常数的改变能实现从－8°至+14°的连续波速扫描特性，实际增益可达9.8dB且浮动较小，对副瓣电平起到了一定的抑制作用。

针对在高频段现代通信系统中的应用与漏波天线高性能需求，本实施例提出的基于液晶材料的半膜梳状基片集成波导漏波天线与传统调谐方法相比，天线在高频段具有低损耗、调谐线性度好、范围宽等优势。同时利用半膜梳状基片集成波导这种新型传输线结构，具有插入耗损低、功率容量高、体积小、成本低、易加工等特点，结合液晶材料更易于匹配与封装，实现了漏波天线结构简单、小型化、可靠性高、调谐范围大等优势，增大漏波天线在无线通信领域的应用范围。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种基于液晶材料的波束可调漏波天线，其特征在于：所述天线包括重叠设置的金属接地面、液晶材料层、半模梳状基片集成波导层、第一介质板及第二介质板；第一介质板设置有环形凹槽；液晶材料层和半模梳状基片集成波导层均位于环形凹槽内，半模梳状基片集成波导层凹陷在液晶材料层上；所述天线还包括与半模梳状基片集成波导层直接连接的馈电端；馈电端用于输入偏置电压馈电。

2.根据权利要求1所述的基于液晶材料的波束可调漏波天线，其特征在于：所述模梳状基片集成波导层包括主波导，主波导的宽边设置有微带开路枝节，主波导两侧设置有渐变线阻抗匹配微带，渐变线阻抗匹配微带与馈电端上下电路之间物理重叠拼接；所述模梳状基片集成波导层上设置有周期排列的单元纵缝。

3.根据权利要求2所述的基于液晶材料的波束可调漏波天线，其特征在于：所述馈电端为共面波导馈电微带。

4.根据权利要求2所述的基于液晶材料的波束可调漏波天线，其特征在于：所述周期排列的单元纵缝为4周期单元缝隙。

5.根据权利要求1所述的基于液晶材料的波束可调漏波天线，其特征在于：所述第一介质板与环形凹槽重叠处设置有至少一个可开闭的通孔，通孔与半模梳状基片集成波导层位置水平互异，所述通孔用于灌注液晶材料形成液晶材料层。

6.根据权利要求1所述的基于液晶材料的波束可调漏波天线，其特征在于：所述第一介质板与第二介质板的材质和厚度均相同。

7.根据权利要求1所述的基于液晶材料的波束可调漏波天线，其特征在于：所述波束可调漏波天线的金属接地面、液晶材料层、半模梳状基片集成波导层、第一介质板及第二介质板为一体成型。