CN108767456B - 一种可分块控制的方向图可重构液晶天线及重构方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可分块控制的方向图可重构液晶天线，包括两层介质基板和金属地板，第二层介质基板设置在第一层介质基板正下方，金属地板设置在第二层介质基板正下方，还包括设置在第一介质基板上表面的馈电微带线、设置在第一层介质基板下方的辐射贴片和设置在第一层介质上的加载偏压金属贴片，所述加载偏压金属贴片中间开有通孔，通孔中设置有与辐射贴片连接的连接微带线，第二层介质基板上开有腔体，液晶材料位于第二层介质基板中挖空的腔体中。该方向图可重构液晶天线实现方向图可重构的原理是改变位于辐射贴片下方的液晶材料的介电常数，方法是将电压加载在液晶材料两端，通过改变液晶材料的介电常数，从而改变天线的方向图形状。

Description

一种可分块控制的方向图可重构液晶天线及重构方法
技术领域
本发明涉及一种液晶天线，具体涉及一种可分块控制的方向图可重构液晶天线及重构方法。
背景技术
随着人类社会信息化发展，对通信系统的要求越来越高：大容量、多功能及超宽带。这就要求天线的数量也要相应增加，这就与系统的低成本、低重量和集成化相矛盾，而且多个天线之间存在干扰，导致通信质量降低，甚至无法正常通信。在这种背景下，可重构天线的概念被提出，即一副天线通过某种方式的调节具备多个天线的特性。可重构天线的优势在于可以将复杂的系统简单化，不仅能减少成本，还可以减少天线数量，实现集成化。尤其是在一些特定场景下，可重构天线的作用至关重要，比如在卫星系统中，对天线的性能有较高要求，同时又希望天线体积小、数量少、成本低。对于这些问题，可重构天线具有极大的优势，尤其是在方向图可重构天线中，通过调谐方式可省去常见的相控阵中的移相器，从而大大降低成本。
目前，天线性能可重构主要通过机械控制、电控制和磁控制。例如，调控变容二极管和 PIN二极管来达到目的，调控方式的选择要考虑到稳定性、兼容性、成本、工作频率和馈电网络等因素。变容二极管和PIN二极管属于集总调谐元件，可以达到集成化的目的，但是只能够提供两种状态的切换，而且由于其封装参数的影响不适用于毫米波频段。RF-MEMS可用于毫米波，但它和变容二极管和PIN二极管一样，只能实现两种状态的切换，同时开关存在材料疲劳的问题。另外的材料还有铁电体，但是损耗比之前提到的材料高。
液晶材料可用于电控的可重构天线中，其在不同的电场强度下等效介电常数不同，可以通过控制电场达到连续调谐的目标，工作频段可跨越微波频段至光频段，同时插入损耗低于其他的电控材料。
现阶段也有不少学者对液晶材料在可重构天线领域的应用展开了研究，但大多聚焦于利用液晶材料实现天线的波束扫描，而对液晶在天线方向图形状的改变研究较少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现阶段也有不少学者对液晶材料在可重构天线领域的应用展开了研究，但大多聚焦于利用液晶材料实现天线的波束扫描，而对液晶在天线方向图形状的改变研究较少，目的在于提供一种可分块控制的方向图可重构液晶天线及重构方法，解决可分块控制的方向图可重构液晶天线的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种可分块控制的方向图可重构液晶天线，包括两层介质基板和金属地板，第二层介质基板设置在第一层介质基板正下方，金属地板设置在第二层介质基板正下方，还包括设置在第一介质基板上表面的馈电微带线、设置在第一层介质基板下方的辐射贴片和设置在第一层介质上的加载偏压金属贴片，所述加载偏压金属贴片中间开有通孔，金属通孔通过微带线与辐射贴片相连，第二层介质基板上开有腔体，液晶材料位于第二层介质基板中挖空的腔体中。
该方向图可重构液晶天线实现方向图可重构的原理是改变位于辐射贴片下方的液晶材料的介电常数，方法是将电压加载在液晶材料两端，通过改变液晶材料的介电常数，从而改变天线的方向图形状。
所述腔体位于辐射贴片的正下方，腔体大小与辐射贴片大小相同。所述液晶材料包括多块液晶，每一块液晶对应不同的外加电场。所述辐射贴片中间有若干细长缝隙，保证每部分外加偏压之间相互独立。所述加载偏压金属贴片设置在第一层介质基板的边缘。
一种可分块控制的方向图可重构液晶天线的重构方法，通过外加电压的改变即可改变液晶材料的介电常数，从而改变天线的方向图形状。
当所述液晶材料包括多块液晶时，液晶进行了分块控制，通过调节每一块液晶对应的的外加电场对每一块液晶的介电常数进行单独控制。
本发明的目的在于提供一种可实现分块控制的方向图可重构液晶天线。该液晶天线由馈电微带线、辐射贴片、液晶腔体、金属地板。馈电微带线位于第一层介质基板的上表面，通过金属通孔和一段阻抗变换线与辐射贴片相连接，液晶材料位于第二层介质基板中挖空的腔体中，分成若干块，位于辐射贴片正下方，每一块液晶对应不同的外加电场，金属地板位于最底层。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：液晶天线组成部分包括馈电微带线、加载偏压金属贴片、金属通孔、连接微带线、辐射贴片、液晶腔体、金属地板。馈电微带线位于第一层介质基板的上表面，通过耦合馈电将射频信号馈至第一层介质基板下方的辐射贴片，加载偏压的金属贴片位于第一层介质基板的边缘，通过金属通孔和连接微带线连接至辐射贴片。液晶材料位于第二层介质基板中挖空的腔体中，分成两块，位于辐射贴片正下方，两块液晶分别施加不同的外加电场，金属地板位于最底层。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种可分块控制的方向图可重构液晶天线及重构方法，工作频段可跨越微波频段至光频段，同时插入损耗低于其他的电控材料；
2、本发明一种可分块控制的方向图可重构液晶天线及重构方法，可重构天线可将复杂的系统简单化，同时降低成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明方向图可重构液晶天线的结构图。
图2为本发明天线在三种状态下的S_11曲线。
图3为本发明天线在三种状态下的E面方向图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-第一层介质基板，2-第二层介质基板，201-腔体，3-金属地板，4-馈电微带线，5-加载偏压金属贴片，501-通孔，6-连接微带线，7-辐射贴片，701-细长缝，8-液晶。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种可分块控制的方向图可重构液晶天线，包括两层介质基板和金属地板3，第二层介质基板2设置在第一层介质基板1正下方，金属地板3设置在第二层介质基板2正下方，还包括设置在第一介质基板1上表面的馈电微带线4、设置在第一层介质基板下方的辐射贴片7 和设置在第一层介质上1的加载偏压金属贴片5，所述加载偏压金属贴片5中间开有通孔501，通孔501中设置有与辐射贴片7连接的连接微带线6，第二层介质基板2上开有腔体201，液晶材料位于第二层介质基板2中挖空的腔体201中。
该方向图可重构液晶天线实现方向图可重构的原理是改变位于辐射贴片7下方的液晶材料的介电常数，方法是将电压加载在液晶材料两端，通过改变液晶材料的介电常数，从而改变天线的方向图形状。
所述腔体201位于辐射贴片7的正下方，腔体201大小与辐射贴片7大小相同。所述液晶材料包括多块液晶8，每一块液晶8对应不同的外加电场。所述辐射贴片7中间有若干与液晶8匹配的细长缝701，保证每部分外加偏压之间相互独立。所述加载偏压金属贴片5设置在第一层介质基板1的边缘。
实施例2
一种可分块控制的方向图可重构液晶天线的重构方法，通过外加电压的改变即可改变液晶材料的介电常数，从而改变天线的方向图形状。
当所述液晶材料包括多块液晶8时，液晶8进行了分块控制，通过调节每一块液晶8对应的的外加电场对每一块液晶8的介电常数进行单独控制。
本发明的目的在于提供一种可实现分块控制的方向图可重构液晶天线。该液晶天线由馈电微带线4、辐射贴片7、液晶腔体201、金属地板3。馈电微带线4位于第一层介质基板1 的上表面，通过金属通孔501和一段阻抗变换线作为连接微带线6与辐射贴片7相连接，液晶材料位于第二层介质基板2中挖空的腔体201中，分成若干块，位于辐射贴片7正下方，每一块液晶8对应不同的外加电场，金属地板3位于最底层。
实施例3
如图1所示，本发明一种可分块控制的方向图可重构液晶天线，本实施例以工作频率为 13GHz的方向图可重构的液晶微带漏波天线为例，最终确定的尺寸如下：辐射贴片7长为 7.75mm，宽为165mm。介质基板选用介电常数为3.66，损耗为0.004的Rogers4350B，厚度为0.254mm。天线结构图如图1所示，馈电微带线4位于第一层介质基板1的上表面，通过耦合馈电将射频信号馈至第一层介质基板1下方的辐射贴片7，加载偏压金属贴片5位于第一层介质基板1的边缘，通过金属通孔501和连接微带线6连接至辐射贴片7。液晶材料位于第二层介质基板2中挖空的腔体201中，分成两块，位于辐射贴片7正下方，两块液晶8 分别施加不同的外加电场，金属地板3位于最底层，电压加载在加载偏压金属贴片5和金属地板3之间。两块液晶8的外加电场不同，所对应的介电常数也就不同，分别对应不同的状态，具体情况如表一所示，不同的状态的介电常数情况如表一所示，εr1表示液晶1对应的介电常数，εr2表示液晶2对应的介电常数。
由图2可以看出该液晶微带漏波天线在不同的状态之间切换时，该天线的S11曲线出现了一定的波动，但是工作带宽在三种状态下比较稳定，都覆盖了11.2-14GHz，总体来说，符合方向图可重构天线的要求，即天线的工作带宽要保持稳定。
由图3可以看出，天线的方向图发生了明显的变化。具体来看，当天线处于状态1时，天线有一个主波束，波束指向为45度，而工作状态切换到状态2时，天线的主波束分裂为两个，且两个波束指向对称，分别为正负60度，最后，当天线工作状态切换到状态3，天线已经没有明显的主波束，辐射方向较为分散。总体来说，每个状态的切换都对天线的方向图形状带来了较大的变化，也就实现了天线的方向图可重构。
Figure BDA0001652155310000041
Figure BDA0001652155310000051
表一
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种可分块控制的方向图可重构液晶天线，包括两层介质基板和金属地板，第二层介质基板设置在第一层介质基板正下方，金属地板设置在第二层介质基板正下方，其特征在于，还包括设置在第一介质基板上表面的馈电微带线、设置在第一层介质基板下方的辐射贴片和设置在第一层介质上的加载偏压金属贴片，所述加载偏压金属贴片中间开有金属通孔，金属通孔通过微带线与辐射贴片相连，第二层介质基板上开有腔体，液晶材料位于第二层介质基板中挖空的腔体中；
所述腔体位于辐射贴片的正下方，腔体大小与辐射贴片大小相同；
所述加载偏压金属贴片设置在第一层介质基板的边缘；
所述液晶材料包括多块液晶，每一块液晶对应不同的外加电场；
所述辐射贴片中间设有若干与液晶匹配的细长缝。
2.根据权利要求1所述的一种可分块控制的方向图可重构液晶天线的重构方法，其特征在于，当所述液晶材料包括多块液晶时，液晶进行了分块控制，通过调节每一块液晶对应的的外加电场对每一块液晶的介电常数进行单独控制。
3.根据权利要求1所述的一种可分块控制的方向图可重构液晶天线的重构方法，其特征在于，通过外加电压的改变即可改变液晶材料的介电常数，从而改变天线的方向图形状。
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