CN108767485B - 一种平面微带透射阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平面微带透射阵天线，解决的是传统微带平面透射阵工作频带窄、无法实现波束扫描的技术问题，通过采用包括馈源和位于馈源前方的液晶微带透射阵列实现；所述微带透射阵包括多个加载有多层液晶单元的多层频率选择表面，多层频率选择表面呈阵列设置，采用所述液晶单元偏置电压馈电的技术方案实现了多层液晶的同时调控，较好的解决了该问题，可用于透镜天线中。

Description

一种平面微带透射阵天线

技术领域

本发明涉及天线领域，具体涉及一种平面微带透射阵天线。

背景技术

透镜天线是一种在天线馈源加载介质，通过介质透射使得馈源电磁波波束改变的端射天线。但由于传统透射天线体积较大，效率较低，因此很难用于工程实用中。随着印制电路技术的发展，微带阵列具有低剖面、高效率的优势，可以通过微带贴片组阵来替代传统介质透镜天线以弥补其不足。平面微带透射阵天线是一种由馈源、微带透射阵列组成的球面波-平面波转换系统，通过透射阵列每个天线单元相位补偿，实现天线馈源的近场球面波到准平面波的转换，进而实现高增益、低剖面的优点。又由于微带本身的低成本和易集成优点，因此广泛用于卫星、雷达等远距离通信探测中。由于馈源近场的球面波转换到平面波需要进行相位的补偿，使等相位面为一个平面，因此，需要对透射单元进行微调。

现有的相位补偿方案主要有：第一，延时线方案，通过在透射单元加载开路延时线，进而改变每个单元感应电流的相位，相当于级联了一个小型移相器，延时线的长度影响单元的相移量。但这种方式使得贴片形状有较大改变导致阻抗失配，并且有可能导致天线极化方式改变，因此难以进行宽带设计；第二，调节单元尺寸或进行角度旋转。由于每一个透射单元的拓扑结构相同，可以避免交叉极化电平或旁瓣电平的升高，但这种方式无法实现动态调控，并且谐振结构的尺寸与角度对频率也很敏感，很难实现较宽频带，对加工精度提出了很高的要求。并且上述方案由于结构的不可变性，不能实现透射波束的扫描功能，只能对单一方向进行辐射，限制了平面透射阵的应用范围。

因此，现有技术普遍存在工作频带窄、无法实现波束扫描的缺陷。一种工作频段宽、能够实现波束扫描的平面微带透射阵天线就很有必要。

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工作频带窄、无法实现波束扫描的技术问题。提出一种新的平面微带透射阵天线，该平面微带透射阵天线具有工作频带较宽、可以进行大角度波束扫描的特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种平面微带透射阵天线，所述平面微带透射阵天线包括馈源和位于馈源前方的微带透射阵列；所述微带透射阵列包括多个加载有多层液晶单元的多层频率选择表面，多层频率选择表面呈阵列设置，通过偏置网络同时调谐多层液晶层，实现波束的大角度扫描。

本发明的工作原理：通过每个微带阵列单元进行相位补偿，可以有效地实现球面波到平面波的转换，但由于传统的相位补偿方案会导致透射单元拓扑结构或者大小角度的改变，难以实现宽带化以及产生较高的交叉极化和频率敏感度。因此，本发明使用液晶可调材料，结合液晶材料良好的高频介电特性，易集成小质量的液体晶体物理特性，通过改变液晶等效介电常数进而实现相位动态补偿，避免了改变谐振结构的缺陷。对于平面微带透射阵单元，需要每个单元实现360°相位补偿，这样对于一个面积大于波长的平面透射阵才是一种有效的补偿方案。然而为了对液晶进行有效调控以及取向，需要液晶层尽可能的薄，使较小的偏置电压就能驱动液晶分子偏转，并且减小调谐时间。本发明采用多层堆叠技术，使用多层液晶层级联调控实现液晶单元的360°相位补偿，并且多层谐振有效地扩展了天线的带宽。

上述方案中，为保证液晶的封装与扩展带宽，进一步地，所述多层频率选择表面包括多层液晶层，相邻液晶层之间用介质基板隔开；介质板与液晶材料层接触面均设置有谐振单元，谐振单元的重叠方向位置相同；所述谐振单元通过贯穿介质板的金属过孔进行馈电连接。通过上下层间耦合实现多模谐振，达到宽带化效果。将液晶层夹在两层介质基板中，并在基板上刻蚀谐振单元，通过在上下两层谐振单元加载偏压，实现对液晶的调控。并且多层谐振单元级联产生的多模谐振可有效地拓展单元地透射带宽。

进一步地，使用多层堆叠方案的偏置网络实现内部层的偏压设计比较复杂，本发明提出了一种过孔级联技术，将同一液晶层的两面单元贴片分别通过两个孔级联引出，一个连接至偏置电路，另一个接地，实现了内部偏压的调控。液晶材料层上表面相邻的谐振单元为正极馈电单元，与液晶材料层下表面相邻的谐振单元为接地单元；用于连接正极馈电单元的金属过孔均重叠设置在一侧，用于连接接地馈电单元金属过孔均重叠设置在另一侧。在液晶层上下面的基板上分别打入金属化通孔，并用高阻线与谐振单元连接。

本发明的有益效果：本发明使用加载液晶材料的多层频率选择表面作为透射面，通过多层液晶层堆叠，改变每层液晶等效介电常数的方法实现液晶单元的360°全周期调控，对馈源的球面波相位进行实时补偿，实现透射阵波束的大角度扫描；使用多层谐振单元层间堆叠产生多模谐振的方式实现透射阵天线单元的宽频带透射。对于传统平面微带透射阵天线，使用结构上的相位补偿只能实现一个等相位面，无法对天线波束进行动态调控扫描。本发明使用液晶调谐，可以根据用户需要改变每个单元的偏置电压，使得整个透射平面波等相位面可变，以实现波束大角度扫描跟踪的功能。

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中平面微带透射阵天线侧面示意图。

图2，实施例1中平面微带透射阵天线俯视示意图。

图3，多层频率选择表面侧面结构示意图俯视示意图。

图4，金属过孔位置示意图。

图5，多层频率选择表面侧面结构示意图。

图6，多层频率选择表面原理示意图。

图7，多层谐振电路仿真结果示意图。

图8，介电常数的改变实现的多层堆叠的360°相移示意图。

图9，天线结构原理示意图。

图10，天线设计过程示意图。

图中：1-液晶材料层，2-谐振单元，3-介质板，4-多层频率选择表面，5-高阻微带线，6-金属过孔。

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

本实施例提供一种平面微带透射阵天线，如图9，所述平面微带透射阵天线包括馈源和位于馈源前方的微带透射阵列；如图1，所述微带透射阵列包括多个加载有液晶单元的多层频率选择表面4，如图2，多层频率选择表面单元4呈阵列设置，所述液晶单元偏置电压馈电。平面微带透射阵天线通过各单元相位补偿的方式将馈源辐射的准球面波转化成准平面波，从而实现定向性。

其中馈源决定透射面的设计。本实施例的馈源需要辐射稳定性，并且带宽、交叉极化电平等也应满足。因为喇叭天线具有极宽的带宽，并且满足线极化辐射特性，以及较宽的辐射范围角度。所以，本实施例采用喇叭天线作为馈源。

具体地，如图6，多层频率选择表面4可以等效为多个谐振器级联，通过多阶谐振达到宽带化目的。本实施例提出一种新型谐振结构，如图1和图3所示。通过上下层间耦合实现多模谐振，达到宽带化效果。本实施例采用7层液晶层1堆叠FSS，如图7，利用HFSS主从边界法对7层液晶层1堆叠FSS的传输和反射系数，结果表明使用多层谐振电路有效地拓展了带宽，相对带宽为46.8％。

根据现有的对液晶材料的研究表明，液晶的调谐范围为ε_‖＝3.6，ε_⊥＝2.8，液晶层1厚度必须够薄越以达到精确调控的目的。然而，单层薄液晶层难以达到360°的相位调控。因此，本例实施使用多层液晶堆叠方案可以实现大范围相移。如图5所示，将液晶层1夹在两层介质基板中，并在基板上刻蚀谐振单元2，通过在上下两层谐振单元2加载偏压，实现对液晶的调控。

为了保证每一单元所有层数的偏压都能有效加载，本实施例设计了一种新型偏压方案：使用在液晶层1上下面的基板上分别打入金属化通孔，并用高阻线与谐振单元2连接。其中上层电路加入偏置电压，作为正极，下层电路通过金属化通孔引出接地，方案的具体电路图如图3、图4所示。

通过本实施的多层液晶堆叠以及偏置方案，在多层液晶层1共同调谐以及层间谐振的作用下，单个透射单元的相移量可达到360°。如图8所示，通过介电常数的改变实现了多层堆叠的360°相移，且相位变化平缓，容易进行偏置调控。多层液晶堆叠如图5，多层频率选择表面4包括重叠间隔设置的多个介质板3；相邻介质板3间填充有液晶材料层；介质板3与液晶材料层接触面均设置有谐振单元，谐振单元的重叠方向位置相同；所述谐振单元通过贯穿介质板3的金属过孔6进行馈电连接。馈电单元与金属过孔6间设置有高阻微带线5，用于阻抗匹配。

本实施例的天线设计过程，如图10所示：

第一，应开展馈源设计。

首先为保证设计目标天线具有宽带化的特点，因此应当保证馈源天线的辐射性能在带宽内的稳定性，以使得透射阵的辐射稳定。对于馈源主要观察其辐射方向图、极化方式在带宽内的一致性，不能有方向图畸变或较高的交叉极化电平。

其次是焦径比，焦径的大小直接影响到天线的效率。焦径大，会使得馈源的照射面积大，效率溢出；反之，馈源的照射效率不够。因此，为保证效率，应选择合适的焦径比例。

第二，开展微带平面透射阵的设计。

阵列的设计首先应从单元设计开始。对于多层频率选择表面4，首先应保证透射单元频带内的透射系数，应将频带内的电磁波能量尽可能多地透射，并在仿真中考虑其入射角度的影响，避免产生阵间耦合和表面波。

其次开展相移单元的设计，应保证在频带内通过液晶调谐的相移量在360°以上，并且随介电常数变化较为平缓，以减少加工精度和偏置误差对其影响。

最后，进行偏置网络设计，保证每个相移单元每层都能受到偏置系统的调控。

第三，对馈源和微带阵列进行联合仿真优化，以保证匹配，并通过偏置网络实现透射阵波束的大角度扫描。最后通过加工实测验证。

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 (1)

1.一种平面微带透射阵天线，其特征在于：所述平面微带透射阵天线包括微带透射阵列；所述微带透射阵列包括多个加载有多层液晶单元的多层频率选择表面，多层频率选择表面呈阵列设置，通过所述液晶单元偏置电压调控多层液晶单元；

所述多层频率选择表面包括多层液晶层，相邻液晶层之间用介质基板隔开；介质板与液晶材料层接触面均设置有谐振单元，谐振单元的重叠方向位置相同；所述谐振单元通过贯穿介质板的金属过孔进行馈电连接；馈电单元与金属过孔之间通过高阻微带线连接；

与液晶材料层第一表面相邻的谐振单元为正极馈电单元，与液晶材料层第二表面相邻的谐振单元为接地单元；用于连接正极馈电单元的金属过孔均重叠设置在介质板上一侧，用于连接接地馈电单元金属过孔均重叠设置在介质板上与用于连接正极馈电单元的金属过孔相对的另一侧。

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