CN109149117A - 一种复合左右手漏波天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合左右手漏波天线，解决的是传统液晶天线无法进行大角度扫描的技术问题，通过采用包括新型半模基片集成波导结构和用于加载在新型半模基片集成波导结构上的左右手复合谐振器，通过液晶的电调谐和复合左右手漏波天线的大角度频扫特性共同实现天线的大角度扫描。所述新型半模基片集成波导结构包括波导腔，波导腔中填充有可偏置调控的液晶材料的技术方案，较好的解决了该问题，可用于复合左右手漏波天线中。

Description

一种复合左右手漏波天线

技术领域

本发明涉及天线领域，具体涉及一种复合左右手漏波天线。

背景技术

漏波天线是一种在传输线上加载辐射单元的行波天线，天线可以有一个端口或者两个端口。传统的漏波天线受限于行波影响，传播电磁波的相速与能速方向相同，故能量辐射方向只能与行波传播方向一致。限制了漏波天线的扫描角度变化。随着左手材料理论的出现，在漏波天线中加载折射率为负的辐射单元时，可以实现行波方向的背向辐射，加大了漏波天线方向图扫描的范围。由于自然界中不存在左手材料，因此工程上左手材料都使用谐振单元进行等效。由于谐振电路的选频特性，在某一特殊频段内其等效折射率才为负。因此，加载左手材料的漏波天线存在频扫特性，此种天线亦被称为复合左右手漏波天线。

复合左右手漏波天线存在如下技术问题：通信中发射天线的频率与接收天线的频率必须保持一致，否则会引起信号失真，由于频控阵馈电频率的改变，很容易引起此种弊端；对于频控阵的频率扫描步长过小，即需要很多的信道和较大天线带宽；反之，较大的扫描步长使得方向图的扫描精度变差。

因此，提供一种能够解决上述问题的复合左右手漏波天线就很有必要。

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无法进行大角度扫描的技术问题。提供一种新的复合左右手漏波天线，该复合左右手漏波天线具有能够大角度扫描的特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种复合左右手漏波天线，所述复合左右手漏波天线包括新型半模基片集成波导结构和用于加载在新型半模基片集成波导结构上的左右手复合谐振器，所述新型半模基片集成波导结构包括波导腔，波导腔中填充有可偏置调控的液晶材料。

本发明的工作原理：本发明通过结合液晶材料高频良好的调谐能力，以及复合左右手材料的频扫特性。结合频扫与液晶调谐的优势，实现天线方向图主瓣的大角度扫描；使用液晶材料的调谐能力进行多频点方向图重构，减少频扫的扫描步进，简化调谐以及频率频繁改变带来的通信信息丢失。本发明提出的适用于液晶材料的新型半模基片集成波导结构，实现了对波导腔中液晶材料的偏置调控。

通过液晶调谐替代传统的频扫，作为“细扫”。并通过较少步进次数的频扫弥补液晶材料的调谐范围不足，作为“粗扫”。

上述方案中，为优化，进一步地，所述新型半模基片集成波导结构包括重叠设置的第一层基板、第二层基板及第三层基板；新型半模基片集成波导结构设置有金属化通孔5贯穿第一层基板与第二层基板，刻蚀有作为波导壁的波导宽边在第一层基板第一表面和第三层基板第一表面；所述第一层基板的第二表面刻蚀有金属化矩型带线作为直流偏置金属地9；所述波导腔是由第二层基板在与所述金属化矩型带线对应的位置铣出的大小相同的矩形通槽4、第一层基板、第三层基板组成；所述偏置金属地9连接有高阻线10，第三层基板上设置有金属化通孔5，高阻线10通过第三层基板上的金属化通孔5与设置在第三层基板第二表面上的GND端连接。

进一步地，所述贯穿第一层基板与第二层基板的金属化通孔5设置在所述波导腔的单侧外。

进一步地，所述左右手复合谐振器设置在与所述波导腔位置对应的第一层基板的第一表面。

进一步地，所述左右手复合谐振器设置为阵列的交指弯折谐振缝隙8。

液晶材料是一种可调各项异性媒质，在高频的微波、毫米波乃至太赫兹和可见光波段具有良好的介电特性。液晶的各向异性取决于液晶分子的极性，其分子平行时的介电常数ε_||和分子垂直时的介电常数ε_⊥不同。液晶分子的偏转角度受外部电场的影响。因此，当外部电场改变时液晶分子亦会随之偏转，等效介电常数改变，形成了介质微扰，实现了电调谐。

基片集成波导是一种在介质基板中通过金属化通孔5和上下表面覆铜而形成的等效介质填充波导。兼具传统微带线的低剖面、易集成和波导的高功率容量、高Q值的优点，被广泛应用于微波毫米波电路中。半模基片集成波导是一种基片集成波导小型化电路。由于矩形波导中主模TE10模的对称性，全模波导的中轴线相当于等效磁壁。因此，若将基片集成波导从中间“切开”，波导中的电场分布不变，截至频率不变，面积减少一半，是一种有效的基片集成波导小型化途径。然而，与波导相同，基片集成波导由于上下面金属层以金属化通孔5联通，即上下面为等势面，因此难以进行外加电场调控。故而难以将基片集成波导结构应用于液晶电路中。

本发明使用半模基片集成波导结构作为行波传输线，并设置双端口结构，其中负载端口接匹配负载。半模基片集成波导结构在保证波导小型化的同时，也兼具低插损、高Q值的特点。由于基片集成波导四周电壁均为等势面，因此无法在波导中添加偏置电压，很难将液晶加载于其中。本发明根据半模基片集成波导一端无金属化过孔产生电壁的特点，通过在波导中添加矩形金属贴片作为偏置电路地，并将地用高阻线10从无电壁面引出，接到外部地。实现了基片集成波导偏置电路设计，提出了一种新型基片集成波导结构用于液晶调谐。偏置电压可从射频端口接入，由于频率的不同信号不会产生互扰。

复合左右手材料是一种等效谐振结构，通过亚波长谐振器在谐振频点提取的S参数，可反推出谐振单元的等效介电常数与磁导率。由于谐振的选频特性，因此只在某些频段其等效介电常数或磁导率为负，电磁场遵循反物理特性的左手特性，因此称为左手区间；有些频段则在介电常数和磁导率为正的右手区间。当这种辐射谐振单元加载到行波传输线上时。在左手频段内，行波的能速与相速方向相反，即传输线内电磁波的坡印廷矢量方向向负载方向，而辐射方向图则向源端辐射。这种辐射方式使得天线的辐射方向图产生频扫特性，即在左手频域内，天线方向图与右手频域内的方向图有较大的角度偏差，这种角度可以大于±50°，实现天线方向图的大角度频扫。

本发明的有益效果：使用新型半模基片集成波导结构一方面减小了电路的尺寸，实现了小型化；另一方面高阻线10可以从没有金属化过孔的方向引出，减小了加工精度要求。本发明使用复合左右手材料的频扫特性解决传统液晶波束扫描天线无法进行大角度扫描问题。进一步使用加载可调液晶材料实现方向图重构，作为单一频点处方向图的“细扫”，从而减少频扫步进，降低了频控收发天线对频率一致的要求。本发明提出了一种新型半模基片集成波导电路，在有效实现了液晶材料电调的同时减小了电路尺寸解决了针对液晶调谐无法应用于基片集成波导结构电路的问题，充分发掘了复合左右手漏波天线和液晶材料的应用潜力。

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中的复合左右手漏波天线设计流程图。

图2，实施例1中的新型半模基片集成波导结构谐振特性示意图。

图3，实施例1中的复合左右手漏波天线示意图。

图4，实施例1中的新型半模基片集成波导结构全模剖面示意图。

图5，实施例1中的新型半模基片集成波导结构半模剖面示意图。

图6，实施例1中的加载交指弯折缝隙示意图。

图7，实施例1中的加载交指弯折缝隙等效电路图。

图8，实施例1中的左右手谐振器布置示意图。

图9，实施例1中的复合左右手漏波天线工作在右手区间示意图。

图10，实施例1中的复合左右手漏波天线工作在左手区间示意图。

图11，实施例1中的液晶偏置电路的剖面图。

图12，实施例1中的复合左右手漏波天线方向图。

图中：

1-上层基板，2-中层基板，3-下层基板，4-矩形通槽，5-金属化通孔，6-上层基板上表面，7-下层基板上表面，8-交指弯折谐振缝隙，9-偏置金属地，10-高阻线。

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

本实施例提供一种复合左右手漏波天线，如图3，所述复合左右手漏波天线包括新型半模基片集成波导结构和用于加载在新型半模基片集成波导结构上的左右手复合谐振器，所述新型半模基片集成波导结构包括波导腔，波导腔中填充有可偏置调控的液晶材料。

具体地，如图3，所述新型半模基片集成波导结构包括重叠设置的上中下三层基板；新型半模基片集成波导结构设置有金属化通孔5贯穿上层基板1与中层基板2，刻蚀有作为波导壁的波导宽边在上层基板上表面6和下层基板上表面7；所述上基板的下表面刻蚀有金属化矩型带线作为偏置金属地9；所述波导腔是由中层基板2在与所述金属化矩型带线对应的位置铣出的大小相同的矩形通槽4、上下层基板3围合组成；所述偏置金属地9连接有高阻线10，下层基板3上设置有金属化通孔5，高阻线10通过下层基板3上的金属化通孔5与设置在下层基板3下表面的GND端连接。

其中，如图8，所述贯穿上层基板1与中层基板2的金属化通孔5设置在所述波导腔的单侧外。

其中，如图8，所述左右手复合谐振器设置在与所述波导腔位置对应的上层基板1的上表面。

其中，如图6和图8，所述左右手复合谐振器设置为阵列的交指弯折谐振缝隙8。

本实施例的复合左右手漏波天线设计流程如图1，第一，适用于液晶材料的基片集成波导电路设计；第二，开展基于液晶材料的复合左右手漏波天线设计；第三.开展液晶调谐的方向图重构“细扫”以及频率扫描“粗扫”相结合的大角度扫描方案设计；第四，开展联合优化设计。

新型基片集成波导的初步设计步骤与传统波导类似，通过经验公式的设计调控波导的单模工作区在工作频段内。对于单模工作区的判别，可通过全波仿真软件HFSS进行本征模求解。

在设计好的全模波导中加入矩形金属地。由于金属片的加入，会与波导四壁产生谐振如图2所示，液晶的调谐范围与电路的有效接触面积有关。因此应选择的大小与尺寸既保证液晶材料的调谐范围的同时金属贴片与波导壁的谐振也不能过强影响传输。

本实施例的新型基片集成波导结构使用三层PCB版构成如图3,：上层基板1作为波导上壁、上层金属化过孔以及偏置金属地9的载体；中间层铣出矩形液晶槽用以容纳液晶，并且在周围打入金属化过孔；下层PCB作为波导下壁以及外界地的载体。

对新型基片集成波导结构进行“切割”，剖面切割如图4和图5，使得波导工作在“半模工作区”。由于波导内电场的分布与之前全模分布相同，只是少了一半。故而波导的工作频率是不变的。另外，考虑边缘场效应后可能会增大波导的等效宽度，使得工作频率向低频移动，本实施例使用仿真软件进行优化调谐。

目前应用最广泛的复合左右手谐振器有：互补开口环谐振器、交指电容谐振器等。本实施例采用交指形缝隙，通过加载交指弯折缝隙的新型半模基片集成波导电路实现复合左右手天线的大角度频扫。交指弯折谐振缝隙8的版图和等效电路图如图6所示。交指弯折缝隙的等效原理图如图7。

在基片集成波导上表面的覆铜层刻蚀缝隙，可等效成宽边开缝的波导缝隙天线如图8所示。通过在上述新型基片集成波导的上层宽边上刻蚀交指缝隙，即可产生加载复合左右手缝隙谐振单元的漏波天线。天线可以根据频率的不同工作在左手/右手区间，即辐射方向可以正向偏转，如图9所示，或者背向偏转，如图10所示。

为了有效地用电场调谐液晶分子偏转，液晶层需要做的很薄。在微波频段由于相较于光频波长较长，因此液晶层厚度可以做的相对厚一些，但仍是很薄。使用Rogers基板作为液晶槽时应选用最薄的厚度(5-10mil)。本实施例的新型半模基片集成波导结构，在射频端口添加1kHz方波即可在波导下壁与矩形金属地之间形成电场，用以调谐液晶。矩形金属地使用射频高阻线10引出接到外部地，液晶偏置电路的剖面图如图11所示。

通过在单一频点对液晶层进行偏压调控，整个液晶层的等效介电常数会随之改变。使得波导的等效电长度发生改变，对辐射谐振单元而言产生了介质腔微扰，进而实现了漏波天线的辐射方向图的改变，如图12所示，通过液晶腔的等效介电常数的改变实现了天线方向图的重构。

如图12，当液晶介电常数从2.4变到3.2时，方向图主瓣偏转了30°。即当漏波天线方向图需要扫描角度为±50°时，天线的频扫步进只需要3到4步，剩下的均可交与液晶的连续调谐实现。大大简化了频扫的步进。并且由于液晶变化的是介电常数，因此在液晶的调谐范围内亦可实现方向图的频率重构，可以帮助校准。

由于复合左右手谐振单元的多谐振性和频率扫描特点，对漏波天线的阻抗匹配带宽提出了要求，至少应在左右手工作区域内是匹配的，否则会影响到天线性能。因此本实施例优选的微带-基片集成波导转换阻抗匹配网络应使用带宽较宽的梯形或渐变形，以满足漏波天线对带宽的需求。

本实施例针对传统液晶可重构天线和相控阵天线无法实现大角度扫描的缺陷，本发明使用加载复合左右手谐振单元和液晶材料进行联合调控，通过复合左右手材料的大范围频扫特性弥补液晶调谐能力的不足，并使用液晶材料弥补频控容易产生信号丢失和无法连续调谐的缺陷。并提出了一种可用于液晶偏置电路的的新型基片集成波导结构，将基片集成波导低插损、高Q值等优点引入到液晶电路中。最终实现了基于液晶材料的复合左右手漏波天线的大角度扫描。

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 (5)

1.一种复合左右手漏波天线，其特征在于：所述复合左右手漏波天线包括新型半模基片集成波导结构和用于加载在新型半模基片集成波导结构上的左右手复合谐振器，所述新型半模基片集成波导结构包括波导腔，波导腔中填充有可偏置调控的液晶材料。

2.根据权利要求1所述的复合左右手漏波天线，其特征在于：所述新型半模基片集成波导结构包括重叠设置的第一层基板、第二层基板及第三层基板；

新型半模基片集成波导结构设置有金属化通孔贯穿第一层基板与第二层基板，刻蚀有作为波导壁的波导宽边在第一层基板第一表面和第三层基板第一表面；

所述第一层基板的第二表面刻蚀有金属化矩型带线作为偏置金属地；

所述波导腔是由第二层基板在与所述金属化矩型带线对应的位置铣出的大小相同的矩形通槽、第一层基板、第三层基板组成；

所述偏置金属地连接有高阻线，第三层基板上设置有金属化通孔，高阻线通过第三层基板上的金属化通孔与设置在第三层基板第二表面上的GND端连接。

3.根据权利要求2所述的复合左右手漏波天线，其特征在于：所述贯穿第一层基板与第二层基板的金属化通孔设置在所述波导腔的单侧外。

4.根据权利要求2所述的复合左右手漏波天线，其特征在于：所述左右手复合谐振器设置在与所述波导腔位置对应的第一层基板的第一表面。

5.根据权利要求4所述的复合左右手漏波天线，其特征在于：所述左右手复合谐振器设置为阵列的交指弯折谐振缝隙。