CN110474151A - 一种基于液晶材料的折合平面反射阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于液晶材料的折合平面反射阵天线，该天线包括：馈源天线、用于极化翻转和相位补偿的主反射单元及用于极化选择的上反射单元；所述主反射单元位于所述上反射单元的下方并相距一定距离；所述主反射单元上设置有贯穿上下表面的通孔；所述馈源天线设置于所述通孔的下方。本天线无需功分器、T/R组件等，天线效率高，又因为阵面的每个微带单元都是相位调节的因素，波束赋形相对容易。因此，液晶调谐折合平面发射阵天线结合了抛物面天线和阵列天线的诸多优点，在空间、卫星通信领域应用前景广阔。

Description

一种基于液晶材料的折合平面反射阵天线
技术领域
本发明涉及天线设计领域，具体涉及一种基于液晶材料的折合平面反射阵天线。
背景技术
折合式平面反射阵天线是在传统平面反射阵天线设计概念的基础上利用光路折合的原理使反射阵天线的焦距降低为原反射阵的一半，具有低剖面、低交叉极化的优点，同时也避免了口径遮挡。在毫米波的应用中，折合反射面天线用空气馈电的方式避免了阵列天线馈电网络损耗，为高性能高增益提供了全新的解决方案，相对于相控阵天线技术，折合反射面多波束避免了大量造价昂贵的TR组件以及相当复杂的馈电网络，可极大的节省天线系统的成本，提高系统集成度。目前，折合平面反射阵天线波束扫描主要采用电子器件调谐技术来实现，其扫描速度快、偏置电压较低、直流功耗较小，成为了目前最成熟的波束扫描调控方式。但是由于电子器件射频功率容量较低，可调控电子器件存在截止频率的限制，且随着频率的提高，电子器件损耗将增大，因此电子调谐技术难以应用于高频段、大功率等场景，从而限制了其在平面反射阵中的应用。由此可见，传统的波束扫描技术已难以满足现代通信系统对天线高频段、低损耗及紧凑性等需求，液晶材料作为电子可控移相器的替代品，一经提出就受到了广泛的关注，它可以工作在很宽的频带范围内，包括毫米波和亚毫米波频段。近年来，可调相控反射阵列天线越来越受研究者的关注。相对于传统相控阵天线而言，它具有较低的成本，易于加工且物理尺寸小。
液晶是一种介于固态和液态之间的物质，在微波频段具有双折射特性及介电各向异性，在微波雷达、精确制导和无线宽带通信等领域具有巨大的发展潜力。液晶材料在较宽的频段内保持着较强的介电各向异性，通过表面取向、施加电场或磁场可改变其分子指向，来改变其介电常数，从而实现天线的波束扫描。同时，液晶材料对电场比较敏感且有较大的双折射特性，能方便的通过改变外加电场和磁场实现调谐功能，使其在太赫兹领域有着广泛的应用前景，越来越多的应用于电控移相器、滤波器、频率选择表面和可重构反射阵列天线中。
对于液晶材料在微波毫米波频段的特性研究，英国埃塞克斯大学的D.M.Syahkal教授利用有限元法对向列相液晶材料在宽带毫米波频率范围(30GHz-60GHz)进行了精确建模分析；他们采用宽带微带传输线结构和传输矩阵提取法向列相材料的特性进行准确测试，得到了介电常数和损耗正切角随频率和偏置电压的变化关系。2015年伦敦大学的Fernandez.F.A等人对液晶材料微波器件建模进行分析，提出了宽带表征建模方案，并对传播特性进行了分析。W.Hu等人利用液晶材料设计了一款平面反射阵天线，可实现若干个波束选择功能，增益达到25dB。国内对于此方面的研究还处于起步阶段，清华大学的杨博子教授课题组对微波频率和红外波段的液晶调制器进行了研究，将液晶材料应用于微波调制器中，电子科技大学开展了多项液晶材料在可调微波元器件方面的应用研究，设计了基于液晶材料的移相器、滤波器等微波元件。已有相关报道大都集中于液晶材料的物理特性(折射率、介电常数、磁化率、电导率和粘度)及其在光学应用方面的研究，关于液晶材料应用于折合反射阵天线的研究至今未见相关报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于液晶材料的折合平面反射阵天线，以实现对电磁波近场聚焦、多波束控制、大角度波束覆盖的目的。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于液晶材料的折合平面反射阵天线，其包括：馈源天线、用于极化翻转和相位补偿的主反射单元及用于极化选择的上反射单元；所述主反射单元位于所述上反射单元的下方并相距一定距离；所述主反射单元上设置有贯穿上下表面的通孔；所述馈源天线设置于所述通孔的下方。
所述主反射单元包括：第一介质板、设置在所述第一介质板上表面的微带贴片阵列及设置在所述第一介质板下表面的金属接地板；所述微带贴片阵列为多排45°倾斜设置的微带贴片。
所述上反射单元包括：第二介质板、位于所述第二介质板上方的第三介质板及位于所述第二介质板和第三介质板之间的垫片；所述第二介质板、第三介质板和垫片组成具有空腔的封闭结构；所述空腔内填充有液晶材料；所述第二介质板的上表面设置有多谐振式微带偶极子贴片阵列；所述第三介质板的下表面设置有多条垂直向排列的极化栅。
上述的基于液晶材料的折合平面反射阵天线，其中，所述馈源天线和所述主反射单元一体成型。
上述的基于液晶材料的折合平面反射阵天线，其中，所述馈源天线的馈电口采用SMA接头。
上述的基于液晶材料的折合平面反射阵天线，其中，所述第二介质板为硅晶片。
上述的基于液晶材料的折合平面反射阵天线，其中，所述第三介质板为石英介质片。
上述的基于液晶材料的折合平面反射阵天线，其中，所述第一介质板与所述第二介质板由螺钉进行连接。
上述的基于液晶材料的折合平面反射阵天线，其中，所述多谐振式微带偶极子贴片阵列为多行多列排布的多谐振式微带偶极子贴片；每行多个多谐振式微带偶极子贴片通过偏置线串联。
上述的基于液晶材料的折合平面反射阵天线，其中，每行多谐振式微带偶极子贴片通过连接线与IDC连接器相连。
上述的基于液晶材料的折合平面反射阵天线，其中，所述液晶材料的上下表面设有聚酰亚胺膜，用于无电压作用下液晶材料的定向作用。
上述的基于液晶材料的折合平面反射阵天线，其中，所述聚酰亚胺膜的厚度在250μm以内。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
基于液晶材料的折合平面发射阵天线采用空馈形式，与大型相控阵天线相比，本天线无需功分器、T/R组件等，天线效率高，又因为阵面的每个微带单元都是相位调节的因素，波束赋形相对容易。因此，液晶调谐折合平面发射阵天线结合了抛物面天线和阵列天线的诸多优点，在空间、卫星通信领域应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明基于液晶材料的折合平面反射阵天线的结构示意图；
图2为本发明中主反射单元的正视图；
图3为本发明中主反射单元的侧视图；
图4为本发明中上反射单元的正视图；
图5为本发明中上反射单元的侧视图。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
如图1-图5所示，本发明提供了一种基于液晶材料109的折合平面反射阵天线，其包括：使用空间馈电形式的馈源天线110、实现极化翻转和相位补偿的主反射单元以及用于极化选择的上反射单元这三部分组成。
馈源天线110为矩形波导口辐射器天线，用于发射或接收电磁波，由SMA接头111馈电。主反射单元的移相单元由印制在第一介质板101上的84元微带贴片104组成，贴片方向沿x轴旋转45°，用以实现入射水平/垂直极化的45°扭转。由于馈源天线110到主反射阵面上各个反射单元(84元微带贴片)的距离不同，导致从馈源天线110发出的电磁波到达反射阵面上各个反射单元处产生相位差，通过优化微带贴片104的尺寸来获得所需相位，使得经反射阵面上各个反射单元的反射波具有相同的相位，从而使得反射阵面在特定方向上实现高增益的波束。第一介质板101具体可以选择厚度为0.508mm，介电常数为2.2的Rogers5880介质板，第一介质板101的底部为金属接地板112。在主反射单元设计中，与馈源天线110进行一体化设计。
上反射单元由第二介质板102、第三介质板103、极化栅106、垫片108以及液晶材料109、12×12元多谐振式微带偶极子贴片105组成，第二介质板102和第一介质板101之间为空气，两者由螺钉进行连接。
12×12元多谐振式微带偶极子贴片105印刷在第二介质板102的上表面，每一行的多谐振式微带偶极子贴片105通过偏置线113连接，通过连接线114与IDC连接器115的引脚相连。
多个垂直向排列的极化栅106作为接地面印刷在1mm厚的第三介质板103的下表面，由于垂直向排列的极化栅106很容易激励起水平方向的电场，其对水平方向的极化电磁波是透明的，而对垂直向的入射波进行全反射，通过调节极化栅106的宽度和间距可以实现对透波和反射电磁波能力比的控制。
第二介质板102(可以选择为硅晶片)、第三介质板103(可以选择为石英介质片)和垫片108组成液晶盒，其中垫片108用作液晶盒的侧壁，GT3-23001型液晶材料109注入该液晶盒内。填充后的液晶材料109的上表面及下表面处预先涂覆有聚酰亚胺膜107，起到在无电压作用下液晶分子的定向作用。为了保证导向膜起到导向的作用，聚酰亚胺膜107的厚度需要控制在250μm以内。
折合式反射阵天线工作原理依然遵循光路折合的原则，利用液晶材料电控双折射率特性，通过外加电场改变液晶指向矢，从而改变其介电常数，介电常数的改变引起多谐振式耦合微带贴片移相量的改变，通过对外置偏压的控制来控制多谐振式耦合微带贴片的移相量，从而实现天线多波束覆盖由馈源天线110发出的线极化球面波入射到极化栅106表面，由于极化方向与极化栅106条带的方向平行而被反射到主反射单元，在主反射单元进行相位补偿和极化扭转，最终转换为垂直极化的平面波经过极化栅106辐射出去。馈源放置在平面反射阵(主反射面上表面即第一介质板101上表面)焦点的位置，基于光路折合的原理，馈源与上反射面的距离(第一介质板101上表面至第二介质板102的上表面的距离)约为半个焦距长度9mm。
综上所述，基于液晶材料的折合平面发射阵天线采用空馈形式，与大型相控阵天线相比，本天线无需功分器、T/R组件等，天线效率高，又因为阵面的每个微带单元都是相位调节的因素，波束赋形相对容易。因此，液晶调谐折合平面发射阵天线结合了抛物面天线和阵列天线的诸多优点，在空间、卫星通信领域应用前景广阔。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种基于液晶材料的折合平面反射阵天线，其特征在于，包括：馈源天线、用于极化翻转和相位补偿的主反射单元及用于极化选择的上反射单元；所述主反射单元位于所述上反射单元的下方并相距一定距离；所述主反射单元上设置有贯穿上下表面的通孔；所述馈源天线设置于所述通孔的下方；所述主反射单元包括：第一介质板、设置在所述第一介质板上表面的微带贴片阵列及设置在所述第一介质板下表面的金属接地板；所述微带贴片阵列为多排45°倾斜设置的微带贴片；
所述上反射单元包括：第二介质板、位于所述第二介质板上方的第三介质板及位于所述第二介质板和第三介质板之间的垫片；所述第二介质板、第三介质板和垫片组成具有空腔的封闭结构；所述空腔内填充有液晶材料；所述第二介质板的上表面设置有多谐振式微带偶极子贴片阵列；所述第三介质板的下表面设置有多条垂直向排列的极化栅。
2.如权利要求1所述的基于液晶材料的折合平面反射阵天线，其特征在于，所述馈源天线和所述主反射单元一体成型。
3.如权利要求1所述的基于液晶材料的折合平面反射阵天线，其特征在于，所述馈源天线的馈电口采用SMA接头。
4.如权利要求1所述的基于液晶材料的折合平面反射阵天线，其特征在于，所述第二介质板为硅晶片。
5.如权利要求1所述的基于液晶材料的折合平面反射阵天线，其特征在于，所述第三介质板为石英介质片。
6.如权利要求1所述的基于液晶材料的折合平面反射阵天线，其特征在于，所述第一介质板与所述第二介质板由螺钉进行连接。
7.如权利要求1所述的基于液晶材料的折合平面反射阵天线，其特征在于，所述多谐振式微带偶极子贴片阵列为多行多列排布的多谐振式微带偶极子贴片；每行多个多谐振式微带偶极子贴片通过偏置线串联。
8.如权利要求7所述的基于液晶材料的折合平面反射阵天线，其特征在于，每行多谐振式微带偶极子贴片通过连接线与IDC连接器相连。
9.如权利要求1所述的基于液晶材料的折合平面反射阵天线，其特征在于，所述液晶材料的上下表面设有聚酰亚胺膜，用于无电压作用下液晶材料的定向作用。
10.如权利要求9所述的基于液晶材料的折合平面反射阵天线，其特征在于，所述聚酰亚胺膜的厚度在250μm以内。
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