CN110176673A - 液晶天线单元、液晶相控阵天线及相位校准方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种液晶天线单元，该液晶天线单元包括：第一基板；第二基板，与所述第一基板相对设置；液晶层，设置于所述第一基板和所述第二基板之间；天线单元，设置于所述第一基板的背离所述液晶层的一侧；天线控制单元，与所述天线单元对应设置，用于控制所述天线单元的开启或关闭。本公开还提供了液晶相控阵天线及相位校准方法。

Description

液晶天线单元、液晶相控阵天线及相位校准方法

技术领域

本公开实施例涉及天线技术领域，特别涉及一种液晶天线单元、液晶相控阵天线及相位校准方法。

背景技术

目前，相控阵天线相比于传统机械扫描天线，扫描更加灵活可靠，已经大规模应用于军事领域，并积极向民用市场推进。液晶相控阵天线通常采用液晶移相器实现天线单元的移向功能，由于液晶移相器在制备过程中的一致性难以保证，因此液晶相控阵天线的各天线单元的初始相位会因此产生差异，由此差异带来的后果是天线波束指向无法按照预期进行扫描。

现有技术中，通过矢量网络分析仪对各个天线单元的初始相位进行校准是一种常见的方法。在通过矢量网络分析仪对液晶相控阵天线的各天线单元进行相位校准过程中，由于液晶相控阵天线的阵面上的各个天线单元存在射频信号的空间场耦合，并且各个天线单元均处于通路状态，因此在对某一天线单元进行相位校准测试过程中，相邻天线单元的耦合信号会对待测天线单元的测试相位产生很大的影响，即矢量网络分析仪发射出的射频信号本应由有待侧天线单元接收，但由于射频信号的存在空间耦合的固有特性，使得射频信号实际由液晶相控阵天线的阵面上待测天线单元及其周围的天线单元共同接收，由馈电网络合成后，传输回矢量网络分析仪接收端口，经测试得出的相位结果实际为多个天线单元的合成相位。由此产生的测试误差将降低产品各个天线单元的初始相位的一致性，降低了液晶相控阵天线的辐射性能。

发明内容

本公开实施例旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一，提供一种液晶天线单元、液晶相控阵天线及相位校准方法。

第一方面，本公开实施例提供了一种液晶天线单元，该液晶天线单元包括：

第一基板；

第二基板，与所述第一基板相对设置；

液晶层，设置于所述第一基板和所述第二基板之间；

天线单元，设置于所述第一基板的背离所述液晶层的一侧；

天线控制单元，与所述天线单元对应设置，用于控制所述天线单元的开启或关闭。

在一些实施例中，该液晶天线单元还包括第三基板；

所述第三基板设置于所述第一基板的背离所述液晶层的一侧；

所述天线单元设置于所述第三基板上。

在一些实施例中，所述天线单元设置于所述第三基板的背离所述液晶层的一侧，所述天线控制单元设置于所述第三基板的朝向所述液晶层的一侧。

在一些实施例中，所述天线单元设置于所述第三基板的朝向所述液晶层的一侧，所述天线控制单元设置于所述第三基板的背离所述液晶层的一侧。

在一些实施例中，所述天线单元和所述天线控制单元均设置于所述第三基板的背离所述液晶层的一侧；或者，所述天线单元和所述天线控制单元均设置于所述第三基板的朝向所述液晶层的一侧。

在一些实施例中，所述天线控制单元包括射频开关。

在一些实施例中，所述射频开关为射频MEMS开关。

在一些实施例中，该液晶天线单元还包括传输线，所述传输线位于所述第一基板和所述液晶层之间，或者所述传输线位于所述第二基板和所述液晶层之间。

第二方面，本公开实施例提供了一种液晶相控阵天线，包括阵列排布的多个前述任一实施例所提供的液晶天线单元。

在一些实施例中，多个所述液晶天线单元的第一基板为同一基板，多个所述液晶天线单元的第二基板为同一基板。

在一些实施例中，多个所述液晶天线单元的第三基板为同一基板。

在一些实施例中，多个所述液晶天线单元的传输线为同一传输线。

第三方面，本公开实施例提供了一种液晶相控阵天线的相位校准方法，所述液晶相控阵天线采用上述任一实施例所述的液晶相控阵天线，所述相位校准方法包括：

将液晶相控阵天线中的各天线单元依次作为待校准的天线单元，执行如下步骤：

通过待校准的天线单元对应的天线控制单元控制该待校准的天线单元开启；

通过其他天线单元对应的天线控制单元控制其他天线单元关闭，其他天线单元为除待校准的天线单元以外的所有天线单元；

通过预设的相位测试设备测试该待校准的天线单元辐射的射频信号的相位；

待测试得到各天线单元辐射的射频信号的相位后，执行如下步骤：

通过移相器对各天线单元进行相位校准，所述移相器包括所述第一基板、所述液晶层和所述第二基板。

附图说明

图1为本公开实施例提供的一种液晶天线单元的结构示意图；

图2为射频MEMS开关的一种结构示意图；

图3为射频MEMS开关的导通状态示意图；

图4为本公开实施例提供的一种液晶相控阵天线的结构示意图；

图5为图4中的液晶相控阵天线的俯视图

图6为本公开实施例所提供的液晶相控阵天线的一种相位校准示意图；

图7为本公开实施例提供的一种液晶相控阵天线的相位校准方法的流程图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图对本公开提供的液晶天线单元、液晶相控阵天线及相位校准方法进行详细描述。

图1为本公开实施例提供的一种液晶天线单元的结构示意图，如图1所示，该液晶天线单元包括天线单元1、天线控制单元2、第一基板3、液晶层4和与第一基板3相对设置的第二基板5。

其中，液晶层4设置于第一基板3和第二基板5之间；天线单元1设置于第一基板3的背离液晶层4的一侧，或者，天线单元1设置于第二基板5的背离液晶层4的一侧；天线控制单元2与天线单元1对应设置，用于控制天线单元1的开启或关闭。

在本公开实施例中，天线单元1用于接收/传输射频信号(如电磁波)。具体地，天线单元1开启时，天线单元1可以正常工作，天线单元1能够接收射频信号和传输射频信号；天线单元1关闭时，天线单元1不能工作，天线单元1不能接收射频信号和传输射频信号。换言之，控制天线单元1的开启可以理解为控制天线单元1辐射/接收射频信号的通道导通(开启)，控制天线单元1的关闭可以理解为控制天线单元1辐射/接收射频信号的通道关断(关闭)。

本公开实施例所提供的液晶天线单元，应用于液晶相控阵天线，其中，液晶相控阵天线可包括阵列排布的多个液晶天线单元，由于每个天线单元1对应设置有用于控制天线单元1的开启或关闭的天线控制单元2，因此，在对液晶相控阵天线中的任意一个天线单元1进行相位校准时，可以通过该天线单元1对应的天线控制单元2控制该天线单元1开启，并通过其他天线单元对应的天线控制单元控制其他天线单元关闭，即在对液晶相控阵天线中的任意一个天线单元进行相位校准时，仅开启该天线单元的接收射频信号的通道，而其他所有天线单元均关闭接收射频信号的通道，从而有效避免待测试天线单元的相邻天线单元的空间电磁场耦合作用对待测试天线单元的测试相位的影响，精确实现待测试天线单元的初始相位的校准测量，有效减小校准误差，有效提升液晶相控阵天线的相位校准测试的精确度，进而提升液晶相控阵天线的辐射性能，提升液晶相控阵天线的相位校准测试效率，降低了液晶相控阵天线的相位校准测试时间，使得液晶相控阵天线的量产测试环节大大简化，降低了产品出厂前的测试成本。

在一些实施例中，如图1所示，该液晶天线单元还包括第三基板6，第三基板6设置于第一基板3的背离液晶层4的一侧。在一些实施例中，第三基板6设置于第二基板5的背离液晶层4的一侧。需要说明的是，图1仅示出了第三基板6设置于第一基板3的背离液晶层4的一侧的情况。

在一些实施例中，第一基板3和第二基板5上还设置有金属图案，而天线单元1需要向空间中辐射/接收电磁波，由于金属图案会对天线单元1辐射/接收的电磁波具有屏蔽作用，将影响天线单元1的正常工作，因此，在一些实施例中，如图1所示，天线单元1设置于第三基板6上。从而有效防止第一基板3和第二基板5上的金属图案对天线单元1辐射/接收电磁波造成干扰。在一些实施例中，与天线单元1对应设置的天线控制单元2设置于第三基板6上。

在一些实施例中，如图1所示，天线单元1设置于第三基板6的背离液晶层4的一侧，天线控制单元2设置于第三基板6的朝向液晶层4的一侧。在一些实施例中，天线单元1设置于第三基板6的朝向液晶层4的一侧，天线控制单元2设置于第三基板6的背离液晶层4的一侧。在一些实施例中，天线单元1和天线控制单元2还可以均设置于第三基板6的背离液晶层4的一侧，或者，天线单元1和天线控制单元2还可以均设置于第三基板6的朝向液晶层4的一侧。

在一些实施例中，天线控制单元2包括射频开关。在一些实施例中，射频开关为射频MEMS开关。其中，“MEMS”为微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System)的英文简称。

图2为射频MEMS开关的一种结构示意图，如图2所述，射频MEMS开关包括：振膜层21、绝缘层22和射频信号传输线23，其中绝缘层22的数量为两个，该两个绝缘层22分别位于振膜层21的左侧和右侧，射频信号传输线23的数量为两个，该两个射频信号传输线23与该两个绝缘层22一一对应设置。在实际应用中，图2中位于左侧的射频信号传输线23连接天线单元1中的射频信号传输线，图2中位于右侧的射频信号传输线23与用于对天线单元1进行相位校准测试的设备(例如矢量网络分析仪)的射频信号传输线连接。

对于射频MEMS开关，其具有导通状态和关断状态，图2示出了射频MEMS开关的关断状态，在关断状态下，位于左侧的射频信号传输线23与位于右侧的射频信号传输线23处于断开连接的状态；图3为射频MEMS开关的导通状态示意图，如图3所示，在导通状态下，位于左侧的射频信号传输线23与位于右侧的射频信号传输线23处于连接状态。

下面将以射频MEMS开关为例，结合图2和图3，对控制天线单元1的开启或关闭的原理作进一步说明。

以射频MEMS开关为例，通过对射频MEMS开关的通断控制，来控制天线单元的开启或关闭。

具体地，如图3所示，当对射频MEMS开关施加控制电压时，射频MEMS开关处于导通状态，射频MEMS开关的振膜层21被下拉至位于左侧的射频信号传输线23和位于右侧的射频信号传输线23之间的位置，以将位于左侧的射频信号传输线23和位于右侧的射频信号传输线23进行连接；此时，天线单元1开启，天线单元1能够接收、传输射频信号。

如图2所示，当不对射频MEMS开关施加控制电压时，射频MEMS开关处于关断状态，位于左侧的射频信号传输线23和位于右侧的射频信号传输线23处于断开连接的状态。此时，天线单元1关闭，天线单元1将不能够接收、传输射频信号。

在实际应用中，液晶相控阵天线中的各个天线单元1的射频信号传输通断状态可以通过控制各天线单元1对应的射频MEMS开关的导通或关断实现。由此，可以仅控制待测试的天线单元1开启，而控制其余天线单元1关闭，从而有效避免其他天线单元1的空间电磁场耦合作用对待测试天线单元1的测试相位的影响。

在一些实施例中，如图1所示，该液晶天线单元还包括传输线7，传输线7位于第二基板5和液晶层4之间；在一些实施例中，传输线7位于第一基板3和液晶层4之间。在实际应用中，在发射场景中，传输线7用于将来自发射机(图中未示出)的电磁波信号馈送给天线单元1；在接收场景中，传输线7用于将来自天线单元3的电磁波信号传输给接收机(图中未示出)。

在本公开实施例中，液晶天线单元包括液晶移相器，其中，液晶移相器包括前述第一基板3、液晶层4和第二基板5。在本公开实施例中，液晶移相器还包括其他结构，液晶移相器为已知技术，此处不作具体赘述。

在本公开实施例中，天线单元1可包括辐射单元和接收单元，其中，辐射单元用于传输射频信号，接收单元用于接收射频信号。本公开实施例中，天线单元1也被称为阵元。

在本公开实施例中，第一基板3、第二基板5和第三基板6均可由玻璃制成。在一些实施例中，第一基板3、第二基板5和第三基板6还可以由其他合适的基板材料制成，此处不再一一列举。

图4为本公开实施例提供的一种液晶相控阵天线的结构示意图，如图4所示，该液晶相控阵天线包括阵列排布的多个液晶天线单元100，其中，液晶天线单元100采用前述实施例所提供的液晶天线单元，关于液晶天线单元100的具体描述可参见前述实施例中对液晶天线单元的描述，此处不再赘述。

在本公开实施例中，如图4所示，多个液晶天线单元100的第一基板3为同一基板，多个液晶天线单元100的第二基板5为同一基板，多个液晶天线单元100的第三基板6为同一基板，多个液晶天线单元100的传输线7为同一传输线。在一些实施例中，多个液晶天线单元100也可以通过组合的方式形成液晶相控阵天线。

在本公开实施例中，每个液晶天线单元100中，天线单元1和天线控制单元2一一对应设置。

在本公开实施例中，天线单元1的数量可以根据实际情况而定。在一些实施例中，天线单元1的数量可以从几百个到几万个，这些天线单元1有规则的排列(阵列排布)在第三基板6上。

本公开实施例所提供的液晶相控阵天线，利用电磁波相干原理，可以通过控制馈送到个液晶天线单元100的天线单元1的电流的相位，改变电磁波信号的相位，从而可以改变波束的方向，实现波束扫描。

图5为图4中的液晶相控阵天线的俯视图，图6为本公开实施例所提供的液晶相控阵天线的一种相位校准示意图，在本公开实施例中，采用矢量网络分析仪对本公开实施例所提供的液晶相控阵天线进行相位校准测试。如图4和图5所示，当需要对某个天线单元1进行相位校准测试时，例如，对图5中的05号天线单元1进行相位校准测试，首先需要通过05号天线单元1对应的天线控制单元2控制该05号天线单元1开启(即控制该天线单元1的射频信号传输通道开启)，其余天线单元1均关闭。

如图5和图6所示，在测试过程中，首先通过矢量网络分析仪的发射端口将射频信号传输至标准喇叭天线。在针对某个天线单元1(例如05号天线单元)进行相位校准过程中，射频信号由标准喇叭天线通过空间传输至待测试的天线单元1(例如05号天线单元1)，通过液晶相控阵天线的馈电网络进行功率合成后，传输回矢量网络分析仪的接收端口，通过此方法可以测试得出待测试的天线单元1(例如05号天线单元1)的接收相位。

相较于现有技术中液晶相控阵天线的相位校准，本公开实施例所提供的液晶相控阵天线，仅开启待测试天线单元的接收射频信号的通道，而其他所有天线单元均关闭接收射频信号的通道，从而可以有效避免待测试天线单元的相邻天线单元的空间电磁场耦合作用对待测试天线单元的测试相位的影响，精确实现了待测试天线单元的初始相位的校准测量，有效减小校准误差，有效提升液晶相控阵天线的相位校准测试的精确度，进而提升了液晶相控阵天线的辐射性能，提升了液晶相控阵天线的相位校准测试效率，降低了液晶相控阵天线的相位校准测试时间，使得液晶相控阵天线的量产测试环节大大简化，降低了产品出厂前的测试成本。

图7为本公开实施例提供的一种液晶相控阵天线的相位校准方法的流程图，如图7所示，该液晶相控阵天线采用前述实施例所提供的液晶相控阵天线，相位校准方法包括：

将液晶相控阵天线中的各天线单元依次作为待校准的天线单元，执行如下步骤：

通过待校准的天线单元对应的天线控制单元控制该待校准的天线单元开启。

例如，如图5所示，将05号天线单元作为待校准的天线单元时，则在步骤1中，通过该05号天线单元对应的天线控制单元控制该05号天线单元开启，以开启该05号天线单元的接收/辐射射频信号的通道。

通过其他天线单元对应的天线控制单元控制其他天线单元关闭，其他天线单元为除待校准的天线单元以外的所有天线单元。

例如，如图5所示，将05号天线单元作为待校准的天线单元时，则在步骤1中将05号天线单元开启后，在步骤2中，通过除05号天线单元以外的所有天线单元(01-04号天线单元和06-09号天线单元)所对应天线控制单元，将除05号天线单元以外的所有天线单元关闭。

通过预设的相位测试设备测试该待校准的天线单元辐射的射频信号的相位。

例如，如图6所示，在本公开实施例中，相位测试设备为矢量网络分析仪。如图5和图6所示，在测试过程中，首先通过矢量网络分析仪的发射端口将射频信号传输至标准喇叭天线。而后，射频信号由标准喇叭天线通过空间传输至待校准的天线单元(例如05号天线单元)，通过液晶相控阵天线的馈电网络进行功率合成后，传输回矢量网络分析仪的接收端口，通过此方法可以测试得出待校准的天线单元(例如05号天线单元1)所辐射的射频信号的相位。

重复上述步骤1至3，直至测试得到各天线单元所辐射的射频信号的相位，待测试得到各天线单元辐射的射频信号的相位后，执行如下步骤：

通过移相器对各天线单元进行相位校准，移相器包括第一基板、液晶层和第二基板。

本公开实施例中，移相器为液晶移相器，该液晶移相器包括第一基板、液晶层和第二基板。在步骤4中，通过移相器对各天线单元进行相位校准，以使各天线单元所辐射的射频信号的相位为同一相位。

此外，本公开实施例所提供的液晶相控阵天线的相位校准方法，用于实现对前述实施例所提供的液晶相控阵天线的相位校准，关于该液晶相控阵天线的具体描述可参见前述实施例中对该液晶相控阵天线的描述，此处不再赘述。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。

Claims (13)

1.一种液晶天线单元，包括：

第一基板；

第二基板，与所述第一基板相对设置；

液晶层，设置于所述第一基板和所述第二基板之间；

天线单元，设置于所述第一基板的背离所述液晶层的一侧；

天线控制单元，与所述天线单元对应设置，用于控制所述天线单元的开启或关闭。

2.根据权利要求1所述的液晶天线单元，其中还包括第三基板；

所述第三基板设置于所述第一基板的背离所述液晶层的一侧；

所述天线单元设置于所述第三基板上。

3.根据权利要求2所述的液晶天线单元，其中所述天线单元设置于所述第三基板的背离所述液晶层的一侧，所述天线控制单元设置于所述第三基板的朝向所述液晶层的一侧。

4.根据权利要求2所述的液晶天线单元，其中所述天线单元设置于所述第三基板的朝向所述液晶层的一侧，所述天线控制单元设置于所述第三基板的背离所述液晶层的一侧。

5.根据权利要求2所述的液晶天线单元，其中所述天线单元和所述天线控制单元均设置于所述第三基板的背离所述液晶层的一侧；或者，

所述天线单元和所述天线控制单元均设置于所述第三基板的朝向所述液晶层的一侧。

6.根据权利要求1至5中任一所述的液晶天线单元，其中所述天线控制单元包括射频开关。

7.根据权利要求6所述的液晶天线单元，其中所述射频开关为射频MEMS开关。

8.根据权利要求1至5中任一所述的液晶天线单元，其中还包括传输线，所述传输线位于所述第一基板和所述液晶层之间，或者所述传输线位于所述第二基板和所述液晶层之间。

9.一种液晶相控阵天线，包括阵列排布的多个上述权利要求1-8中任一所述的液晶天线单元。

10.根据权利要求9所述的液晶相控阵天线，其中多个所述液晶天线单元的第一基板为同一基板，多个所述液晶天线单元的第二基板为同一基板。

11.根据权利要求9所述的液晶相控阵天线，其中所述液晶相控阵天线包括上述权利要求2-5中任一所述的液晶天线单元；

多个所述液晶天线单元的第三基板为同一基板。

12.根据权利要求9所述的液晶相控阵天线，其中所述液晶相控阵天线包括上述权利要求8所述的液晶天线单元；

多个所述液晶天线单元的传输线为同一传输线。

13.一种液晶相控阵天线的相位校准方法，所述液晶相控阵天线采用上述权利要求9-12中任一所述的液晶相控阵天线，所述相位校准方法包括：

将液晶相控阵天线中的各天线单元依次作为待校准的天线单元，执行如下步骤：

通过待校准的天线单元对应的天线控制单元控制该待校准的天线单元开启；

通过其他天线单元对应的天线控制单元控制其他天线单元关闭，其他天线单元为除待校准的天线单元以外的所有天线单元；

通过预设的相位测试设备测试该待校准的天线单元辐射的射频信号的相位；

待测试得到各天线单元辐射的射频信号的相位后，执行如下步骤：

通过移相器对各天线单元进行相位校准，所述移相器包括所述第一基板、所述液晶层和所述第二基板。