CN109494462B - 基于液晶的太赫兹二维电控波束扫描阵列天线 - Google Patents

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Abstract

基于液晶的太赫兹二维电控波束扫描阵列天线，涉及太赫兹波束扫描阵列天线领域，为了解决现有太赫兹阵列天线只能在一维方向内扫描的问题。M列贴片层以6列为一组进行划分，余数列位于侧部，余数列再以4列为1小组进行划分，不足4列以2列为1小组进行划分，得到的余数列为1小组并位于侧部；位于一组的6列贴片层，再划分为4列1小组和2列1小组，阵列中的贴片层以2行进行划分，形成贴片单元组，形成的贴片单元组包括2×4和2×2两种阵列形式；每个贴片单元组由1条偏置线连接，对整块地板进行分割，实现地板偏置线数量最少、缝隙最窄且每个贴片单元组的偏置电压独立。本发明可以实现二维方向上的扫描。

Description

基于液晶的太赫兹二维电控波束扫描阵列天线
技术领域
本发明涉及太赫兹波束扫描阵列天线领域。
背景技术
液晶是一种高分子材料，在驱动电压(电场)的作用下，液晶的介电常数张量将发生变化，基于这一特性，可以利用液晶材料设计可调移相器以及相应的波束扫描阵列天线，这对于提高无线通信系统的通信距离和信道容量具有重要意义。在微波频段，除了液晶以外，还可以使用PIN或变容二极管、金属-半导体场效应晶体管以及微机电系统作为移相器件，进而实现相应的波束扫描阵列天线。然而在太赫兹频段，上述可调器件均已失效，只有液晶可以发挥出正常的特性，因此太赫兹波束扫描阵列天线只有依赖液晶材料才能够实现。当前存在的问题是，太赫兹波的波长很短，这导致波束扫描天线阵列的单元尺寸很小，这种情况下，液晶控制电路的复杂性严重限制了太赫兹电控波束扫描天线技术的发展。因此，现有的太赫兹液晶波束扫描天线只能在一维方向内扫描(单独的水平扫描或者单独的垂直扫描)，而无法在二维方向上扫描。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有太赫兹阵列天线只能在一维方向内扫描的问题，从而提供基于液晶的太赫兹二维电控波束扫描阵列天线。
本发明所述的基于液晶的太赫兹二维电控波束扫描阵列天线，包括2N×M个阵列式紧密排列的单元，每个单元包括上层介质板1、贴片层2、液晶3、地板4和下层介质板5；
液晶3封装在上层介质板1和下层介质板5之间，贴片层2印刷在上层介质板1的下表面，液晶3的上表面形成与贴片层2吻合的凹槽3-1，地板4印刷在下层介质板5的上表面；
贴片层2包括平行排列的3个矩形贴片带条，3个矩形条的长度沿x轴正向逐渐增大；
阵列中的M列贴片层2以6列为一组进行划分，余数列位于侧部，余数列再以4列为1小组进行划分，不足4列以2列为1小组进行划分，得到的余数列为1小组并位于侧部；位于一组的6列贴片层2，再划分为4列1小组和2列1小组，阵列中的贴片层2以2行进行划分，形成贴片单元组，形成的贴片单元组包括2×4和2×2两种阵列形式；每个贴片单元组由1条偏置线连接，位于阵列上半部分贴片单元组的偏置线延伸至阵列顶端，位于阵列下半部分贴片单元组的偏置线延伸至阵列底端；
阵列中的单元的地板4为一整块地板，对整块地板进行分割，实现地板偏置线数量最少、缝隙最窄且每个贴片单元组的偏置电压独立。
优选的是，M列的贴片层2的偏置线沿水平方向连接贴片单元组，交替式左右出线。
优选的是，整块地板等距分割为N行，再根据阵列中的M列贴片层2进行列数分割，得到多个地板单元，以列数最少的原则进行分割，2×4的贴片单元组划分为2×2的贴片单元组，同一行中属于不同贴片单元组的相邻2×2贴片单元组共用一块地板单元。
优选的是，整块地板的用于分割的纵向缝隙中没有偏置线，偏置线仅设置在用于分割的横向缝隙中。
优选的是，整块地板中有1列无行数分割。
优选的是，上层介质板1的材料是石英，下层介质板5的材料是硅。
本发明提供了一种全新的液晶波束扫描天线控制电路布局方法，将控制电路布置在天线的贴片层和地板两层上，从而有效地减小了控制电路的复杂度以及控制电路对天线性能的影响，最终设计实现了基于液晶的太赫兹二维电控波束扫描阵列天线，大幅提升了现有液晶太赫兹波束扫描阵列天线的性能。本发明为太赫兹反射阵列的大角度扫描提供了很好的前景，在太赫兹波段的目标检测和成像领域具有很大的应用价值。
附图说明
图1是实施例的基于液晶的太赫兹二维电控波束扫描阵列天线的结构示意图；
图2是实施例的馈源位置以及入射的方向与单元之间的空间关系示意图；
图3是实施例的贴片层偏置线的分布示意图；
图4是实施例的2×4单元组的偏置线连接方式示意图；
图5是实施例的2×2单元组的偏置线连接方式示意图；
图6是实施例的地板偏置线的分布示意图；
图7是实施例的施加的偏置电压的示意图；
图8是实施例的
Figure BDA0001860376380000021
面内扫描波束的示意图；
图9是实施例的
Figure BDA0001860376380000022
面内扫描波束的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式所述的基于液晶的太赫兹二维电控波束扫描阵列天线，包括2N×M个阵列式紧密排列的单元，每个单元包括上层介质板1、贴片层2、液晶3、地板4和下层介质板5；
液晶3封装在上层介质板1和下层介质板5之间，贴片层2印刷在上层介质板1的下表面，液晶3的上表面形成与贴片层2吻合的凹槽3-1，地板4印刷在下层介质板5的上表面；
贴片层2包括平行排列的3个矩形贴片带条，3个矩形条的长度沿x轴正向逐渐增大；
阵列中的M列贴片层2以6列为一组进行划分，余数列位于侧部，余数列再以4列为1小组进行划分，不足4列以2列为1小组进行划分，得到的余数列为1小组并位于侧部；位于一组的6列贴片层2，再划分为4列1小组和2列1小组，阵列中的贴片层2以2行进行划分，形成贴片单元组，形成的贴片单元组包括2×4和2×2两种阵列形式；每个贴片单元组由1条偏置线连接，位于阵列上半部分贴片单元组的偏置线延伸至阵列顶端，位于阵列下半部分贴片单元组的偏置线延伸至阵列底端；
阵列中的单元的地板4为一整块地板，对地板4进行分割，实现地板偏置线数量最少、缝隙最窄且每个贴片单元组的偏置电压独立。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于液晶的太赫兹二维电控波束扫描阵列天线作进一步说明，本实施方式中，M列的贴片层2的偏置线沿水平方向连接贴片单元组，交替式左右出线。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于液晶的太赫兹二维电控波束扫描阵列天线作进一步说明，本实施方式中，整块地板等距分割为N行，再根据阵列中的M列贴片层2进行列数分割，得到多个地板单元，以列数最少的原则进行分割，2×4的贴片单元组划分为2×2的贴片单元组，同一行中属于不同贴片单元组的相邻2×2贴片单元组共用一块地板单元。地板4中有1列无行数分割。
实施例：
阵列由960个单元组成，单元的结构示意图如图1所示，单元大小为Px＝Py＝1.132mm。上层介质板1的材料是石英(介电常数εr＝3.78，损耗角正切为tanδ＝0.002)，下层介质板5的材料是硅(介电常数εr＝11.9，电导率为2.5e-4)，三个平行的矩形贴片带条印刷在石英的下表面，地板4印刷在硅板的上表面，贴片和地板4的材料均为金属铝(电导率3.56e+007)且厚度相同。液晶3封装在上层介质板1和下层介质板5之间。图1中标注的尺寸如下，其中的单位均μm，hQ＝0.350，hLC＝0.040，hGND＝0.002，Lx1＝188，Lx2＝198，Lx3＝188，Ly1＝698，Ly2＝742，Ly3＝790，D1＝100，D2＝42，D3＝208。
为了能够表明馈源位置以及入射的方向与单元之间的空间关系，图2省略了上层的石英层。馈源6为角锥喇叭天线，馈源的位置坐标为(16.98,-6.71,43.35)。以阵列的表面的中心点为原点，
Figure BDA0001860376380000041
为原点指向馈源相位中心的方向向量，
Figure BDA0001860376380000042
为原点指向某个单元中心点的方向向量，
Figure BDA0001860376380000043
为阵列波束的方向向量，θ0为波束方向与Z轴的夹角，
Figure BDA0001860376380000044
为波束方向向量
Figure BDA0001860376380000045
在XOY面上的投影与X轴的夹角。馈源在YOZ面内，入射方向为θ＝30°，
Figure BDA0001860376380000046
偏置线网络方案包括贴片层偏置线网络设计和分割地板及其偏置线网络设计两个部分。贴片层偏置线的分布如图3所示，偏置线的宽度为15μm，偏置线之间的间隔也为15μm，偏置线的材料与贴片和地板一致。贴片单元组有2×4单元组和2×2单元组两种，连接方式分别如图4、5所示，偏置线横穿各贴片带条的中心，7为偏置线。
32×30(Y方向×X方向)贴片层2阵列示意图如图3所示，单元紧挨着单元，相邻单元之间没有缝隙。图3中的偏置线网络分为上下镜面对称的两部分。以上半部分为例，共16行、30列，即每列有8个贴片单元组。图4、5中的贴片单元组的偏置线既能从左端引出，也能从右端引出，右端引出的方式与图4、5中的结构关于左右镜面对称。两种贴片单元组都是从上至下以左右出线两种方式，交替排列。所有的偏置线从贴片组中向上引出，直到阵列上边缘。最左端和最右端的向上引出的偏置线分别为4条，其余的均为8条。图4和图5中位于左侧的向上引出的偏置线的位置与从它的外侧通过偏置线的条数有关，每增加一条，它的位置要向内侧平移30μm。S1为127.5μm，S2为7.5μm。阵列的尺寸为36.224mm×33.96mm。
未被切割和引线之前，整块地板可以划分为总共有16行，6列。每行的宽度为2.264mm，列宽从左至右依次为2.264mm，6.792mm，6.792mm，9.056mm，6.792mm，2.264mm。
地板层的偏置线网络设计如图6所示。纵向的五条缝隙间没有偏置线，均为15μm宽。横向分割的15条缝隙中包含偏置线，偏置线之间的间距以及偏置线和地板之间的间距均为15μm。如图6所示，每行的缝隙结构是相同的，且在一行中存在a、b、c、d、e五个部分。第1列和第6列的偏置线直接从单元的最左边和最右边引出，第2列和第5列的偏置线都在每行地板的上部引出，第3列的偏置线从每行地板的下部引出，第4列地板的偏置线直接从其上部引出。其中c和d结构是对称的。a部分存在两条偏置线；b部分也有两条偏置线，但是上面一条连接着一块地板，下面一条连接在距离其下方地板右端0.566mm的位置；c、d部分无偏置线；e部分包含一条偏置线，且连接在距离其下方地板的右端0.566mm的位置，在距离其下方地板右端1.132mm处，地板缝隙由45μm变为15μm。
每个单元的相位由液晶上层贴片层和液晶下层的地板之间的偏置电压差决定。贴片层的单元分为2×4和2×2两种形式的贴片单元组结构，两种结构施加偏置电压的方案如图7所示，因此4个偏置电压能够控制3个2×2子阵，保证每4单元子阵能够被一个偏置电压独立控制。依据图7中的结构，2×4和2×2两种结构从左到右排列为一组，组成30列的阵列一共需要5组。由于第四组和第五组的地板层可以整合，使地板的缝隙减少，第四组和第五组的2×4和2×2结构的排列顺序调换。根据图7中的V1、V2、V3、V4，若3个4单元子阵的电压为任意的Va、Vb、Vc，V1、V2、V3、V4四个电压能保证4单元子阵之间的偏置电压独立性。8为缝隙。
贴片层的偏置线和地板的分割以及偏置线遵循这个原则：每个2×2的4单元子阵和引线数量保持1:1的关系。这样的设计在保证每个子阵都能够被独立的偏置电压控制的前提下，实现引线数量和子阵数量的比率为1，即100％利用率，类似于在一整块地板不被分割的情况下一条偏置线控制一个子阵，控制的效率最高。同时，贴片层和地板的偏置线数量最少，地板的缝隙最窄，保证了偏置线和缝隙对阵列的影响最小。在图6中，第2、3、4、5列的地板都是经过横向合并整合的，减少了部分地板缝隙，其中第4列地板不仅横向整合，而且在纵向也经过了合并。但是纵向合并只能在整列中间出现一次，否则会影响其单元的偏置电压独立性。如果两个纵向合并地板列相邻，那么必有一个纵向合并地板列所控制的子阵的中间一列无法保证偏置电压差独立。
阵列工作频率为106GHz，在馈源所在面，即
Figure BDA0001860376380000051
面，波束扫描的结果如图8所示，波束扫描的范围为θ角从-10°扫描至40°，主瓣波束的增益均在13dBi以上，旁瓣电平均在-10.3dB以下。在
Figure BDA0001860376380000052
面内，波束扫描的结果如图9所示，波束扫描的范围为θ角从-20°扫描至20°，主瓣波束的增益均在12.88dBi以上，旁瓣电平均在-13dB以下。阵列在二维方向上分别达到了50°和40°的扫描范围。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (6)

1.基于液晶的太赫兹二维电控波束扫描阵列天线，其特征在于，包括2N×M个阵列式紧密排列的单元，每个单元包括上层介质板(1)、贴片层(2)、液晶(3)、地板(4)和下层介质板(5)；
液晶(3)封装在上层介质板(1)和下层介质板(5)之间，贴片层(2)印刷在上层介质板(1)的下表面，液晶(3)的上表面形成与贴片层(2)吻合的凹槽(3-1)，地板(4)印刷在下层介质板(5)的上表面；
贴片层(2)包括平行排列的3个矩形贴片带条，3个矩形条的长度沿x轴正向逐渐增大；
阵列中的M列贴片层(2)以6列为一组进行划分，余数列位于侧部，余数列再以4列为1小组进行划分，不足4列以2列为1小组进行划分，得到的余数列为1小组并位于侧部；位于一组的6列贴片层(2)，再划分为4列1小组和2列1小组，阵列中的贴片层(2)以2行进行划分，形成贴片单元组，形成的贴片单元组包括2×4和2×2两种阵列形式；每个贴片单元组由1条偏置线连接，位于阵列上半部分贴片单元组的偏置线延伸至阵列顶端，位于阵列下半部分贴片单元组的偏置线延伸至阵列底端；
阵列中的单元的地板(4)为一整块地板，对整块地板进行分割，实现地板偏置线数量最少、缝隙最窄且每个贴片单元组的偏置电压独立；
相邻单元之间没有缝隙，贴片层的偏置线网络分为上下镜面对称的两部分；
地板层的偏置线网络中，纵向的五条缝隙间没有偏置线，均为15μm宽，横向分割的15条缝隙中包含偏置线，偏置线之间的间距以及偏置线和地板之间的间距均，均为15μm；每行的缝隙结构是相同的，且在一行中存在a、b、c、d、e五个部分，第1列和第6列的偏置线直接从单元的最左边和最右边引出，第2列和第5列的偏置线都在每行地板的上部引出，第3列的偏置线从每行地板的下部引出，第4列地板的偏置线直接从其上部引出，其中c和d结构是对称的，a部分存在两条偏置线；b部分也有两条偏置线，但是上面一条连接着一块地板，下面一条连接在距离其下方地板右端0.566mm的位置；c、d部分无偏置线；e部分包含一条偏置线，且连接在距离其下方地板的右端0.566mm的位置，在距离其下方地板右端1.132mm处，地板缝隙由45μm变为15μm减小；
贴片层的单元分为2×4和2×2两种形式的贴片单元组结构，2×4和2×2两种阵列形式从左到右排列为一组，组成30列的阵列一共需要5组，由于第四组和第五组的地板层可以整合，使地板的缝隙减少，第四组和第五组的2×4和2×2结构的排列顺序调换，若3个2×2结构的电压为任意的Va、Vb、Vc，V1、V2、V3、V4四个电压能保证2×2结构之间的偏置电压独立性；
V1和V2分别表示2×4和2×2结构中偏置线的电压，V3、V4分别表示2×4和2×2结构下方地板的电压。
2.根据权利要求1所述的基于液晶的太赫兹二维电控波束扫描阵列天线，其特征在于，M列的贴片层(2)的偏置线沿水平方向连接贴片单元组，交替式左右出线。
3.根据权利要求1所述的基于液晶的太赫兹二维电控波束扫描阵列天线，其特征在于，整块地板等距分割为N行，再根据阵列中的M列贴片层(2)进行列数分割，得到多个地板单元，以列数最少的原则进行分割，2×4的贴片单元组划分为2×2的贴片单元组，同一行中属于不同贴片单元组的相邻2×2贴片单元组共用一块地板单元。
4.根据权利要求3所述的基于液晶的太赫兹二维电控波束扫描阵列天线，其特征在于，整块地板的用于分割的纵向缝隙中没有偏置线，偏置线仅设置在用于分割的横向缝隙中。
5.根据权利要求3所述的基于液晶的太赫兹二维电控波束扫描阵列天线，其特征在于，整块地板中有1列无行数分割。
6.根据权利要求1所述的基于液晶的太赫兹二维电控波束扫描阵列天线，其特征在于，上层介质板(1)的材料是石英，下层介质板(5)的材料是硅。
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