CN110957585B - 一种基于液晶材料的平面反射阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于液晶材料的平面反射阵天线，属于天线工程技术领域。本发明主要是为了解决现有的波束扫描反射阵天线技术中工作频率低、高成本、结构复杂等问题。通过采用包括两层具有重叠区域金属层之间的液晶层；两层金属层外侧用作介质加载和支撑结构的两块玻璃基板；位于下层玻璃基板下方的金属地板。一维方式控制时，两条偏置线分别连接上下金属层，同时为一列金属单元设置偏置电压，偏置线可为金属或者高阻线。二维方式控制时，每个反射阵单元单独进行控制。通过改变所述液晶材料的偏置电压，可以调控反射波相位从而实现波束扫描。因此，本发明能够广泛应用到卫星通讯和5G的多用户‑大规模输入输出天线等通信领域中。

Description

一种基于液晶材料的平面反射阵天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种基于液晶材料的平面反射阵天线。
背景技术
随着现代无线通信技术的发展，具有高增益、通信距离远和抗干扰能力的波束扫描天线越来越受到重视，并在卫星通讯和雷达侦测等领域得到了广泛应用，其在5G的多用户-大规模输入输出系统背景下也具有潜在的应用价值。目前高增益波束扫描天线主要包括抛物面反射天线、相控阵天线和平面反射阵天线等。其中，抛物面反射天线结构简单，但是需要通过机械转动实现动态的波束扫描，存在结构笨重、空间尺寸大和扫描速度慢等缺点。相控阵天线波速扫描速度快，但是通常需要大量TR组件或者相移器，因此造价高昂且馈电网络复杂。反射阵天线由周期排布的反射单元和馈源构成，通过控制入射到每个单元上的反射波相位，可以实现波束的动态扫描。
目前，平面反射阵天线波束扫描主要是采用电子器件调谐技术实现，主要的电子器件包括PIN二极管、MEMS可调谐器件和变容二极管等。该技术具有扫描速度快(PIN二极管)、偏置电压较低(PIN二极管)、直流功耗较小(MEMS可调谐器件和变容二极管)等优点，但是由于电子器件存在成本高和工作频率低等问题，所以限制了其在高频段平面反射阵中的应用。因此，在保证结构简单、造价成本较低的情况下，设计一种工作频率高的反射阵天线十分有必要。
液晶材料在较宽的频段内都可以保持稳定的介电各向异性特性，因此在微波较高频段以及毫米波等频段内具有巨大的发展潜力。通过偏置电压的控制，可以改变液晶材料的介质特性。现有的液晶天线往往将液晶作为介质加载，通过液晶介电常数的改变进行天线设计。但是，由于作为介质层的液晶往往具有一定厚度，所以液晶特性随偏置电压改变的响应速度较慢，在要求高响应速度的应用背景下具有一定局限性。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，解决现有的波束扫描反射阵天线技术中工作频率低、高成本、结构复杂等问题，本发明的目的在于提供一种基于液晶材料的平面反射阵天线，基于液晶特性，通过改变液晶的偏置电压，使金属反射阵单元产生不同的反射相位。通过多个金属反射阵单元反射相位的独立调控，可以实现波束的动态扫描，最终实现了较低的加工成本和在较高工作频率(频率1THz以上)下的波束扫描特性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于液晶材料的平面反射阵天线，包括：
两层金属层3，每层金属层3由若干个阵列排布的金属反射阵单元组成，其中，两层金属层3上对应的金属反射阵单元具有金属重叠区域7；
位于两层金属层3内侧之间的液晶层2；
位于两层金属层3外侧的用作介质加载和支撑结构的两块玻璃基板1
以及
位于其中一块玻璃基板1外侧的金属地板4；
所述玻璃基板1和液晶层2面积覆盖整个反射阵天线，分别是一个整体，所述两层金属层3上均设置有偏置线6，偏置的控制方式为一维或二维方式。
所述液晶层2厚度在50微米以内，玻璃基板1作为介质加载，而液晶层2厚度极薄，不起到介质加载作用，液晶层2在偏置电压改变时响应速度快
本发明结构采用层叠方式，所述一块玻璃基板1外侧与金属地板4之间可设置介质层5，介质层5可为玻璃、空气等低损耗微波材料。
所述偏置线6可采用高阻材料或金属材料(良导体)制作。高阻偏置线的优点是相对于高频电磁波透明，不会对反射阵单元产生影响，可以简化反射阵单元设计。但是高阻偏置线的加工工艺和反射阵单元的良导体图案的加工工艺不一致，所以需要增加生产步骤。偏置线还可以采用良导体进行设计，此时偏置线和金属层可以由一次加工完成，但是必须对偏置线进行巧妙设计，从而消除偏置线对高频电磁波的影响。
采用一维方式控制时，偏置线6将其所处金属层3上的一列所有金属反射阵单元串联，同时为该列上的所有金属反射阵单元设置偏置电压，即，每一列的所有金属反射阵单元为一组，每一组同时设置偏置电压，这样构成的反射阵可以对柱面波进行相位调控，对波束进行一维扫描。
采用二维方式控制时，每个金属反射阵单元的偏压通过独立的偏置线6独立控制。这样构成的反射阵可以对任意形式的入射波进行相位调控，实现波束的二维扫描。
通过改变液晶层2的偏置电压，改变偏压使液晶层2被所述金属重叠区域7夹持区域的液晶特性变化，使金属反射阵单元产生不同的反射相位，实现反射波相位的调控，从而实现波束扫描。当金属反射阵单元包含多个结构体或者各单元采用不同结构时，能够实现频带的扩展或者多频段工作。
通过多个金属反射单元反射相位的独立调控，实现波束的动态扫描。
本发明中，金属层3的单元结构和组阵形式可以任意改变。
本发明通过改变金属反射阵单元的偏置电压控制反射波相位实现了波束扫描。与大型相控阵天线相比，本天线采用空馈方式且可通过LCD工艺进行加工，具有工作效率高、成本低、无需复杂馈电网络和T/R组件等优点。因此，基于液晶材料的平面反射阵天线相较于相控阵天线具有诸多优点，在卫星通讯和5G下的多用户-大规模输入输出领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为反射阵的基本单元结构示意图(透视图)。
图2为反射阵的基本单元结构示意图(俯视图)。
图3为反射阵的基本单元结构示意图(金属重叠区域所在面的切面图)。
图4为一维方式控制的平面天线阵列结构示意图。
图5为一维控制方式下，实施例1中单极化基本单元实施实例尺寸示意图(透视图)，单位均为毫米(mm)。
图6为一维控制方式下，实施例1中单极化基本单元实施实例尺寸示意图(俯视图)，单位均为毫米(mm)。
图7为金属重叠区域对应的液晶介电常数在2.6-3.6范围内变化时，金属反射阵单元的反射相位曲线。
图8为实施例1中单极化反射阵天线辐射方向图，平面波垂直入射，出射角度为0°。
图9为实施例1中单极化反射阵天线辐射方向图，平面波垂直入射，出射角度为45°。
图10为实施例2中双极化基本单元实施例示意图(透视图)。
图11为实施例2中双极化基本单元实施例示意图(俯视图)。
图12为二维方式控制的平面天线阵列结构示意图。图中偏置线省略未画。
图13为实施例3双极化基本单元实施例示意图(透视图)。
图14为实施例3双极化基本单元实施例示意图(俯视图)。
图15为实施例4双极化基本单元实施例示意图(透视图)。
图16为实施例4双极化基本单元实施例示意图(俯视图)。
图17为实施例5双极化基本单元实施例示意图(透视图)。
图18为实施例5双极化基本单元实施例示意图(俯视图)。
图19为实施例6双极化基本单元实施例示意图(透视图)。
图20为实施例6双极化基本单元实施例示意图(俯视图)。
图21为实施例7双极化基本单元实施例示意图(透视图)。
图22为实施例7双极化基本单元实施例示意图(俯视图)。
图23为实施例8双极化基本单元实施例示意图(透视图)。
图24为实施例8双极化基本单元实施例示意图(俯视图)。
图25为实施例9双极化基本单元实施例示意图(透视图)。
图26为实施例9双极化基本单元实施例示意图(俯视图)。
图27为实施例10带宽扩展或多频带工作实施例示意图(透视图)。
图28为实施例10带宽扩展或多频带工作实施例示意图(俯视图)。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清晰明了，下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。应当注意的是，此处所描述的具体实施案例仅用于解释本发明的思路，并不用于限定本发明。
参考图1、图2、图3和图4，本发明一种基于液晶材料的平面反射阵天线，包括两层金属层3、两块玻璃基板1、一层液晶层2和一块金属地板4。
其中，每层金属层3由若干个阵列排布的金属反射阵单元组成，两层金属层3上对应的金属反射阵单元具有金属重叠区域7，液晶层2夹在两层金属层3之间，厚度在50微米以内，两块玻璃基板1分别位于两层金属层3外侧，用作介质加载和支撑结构，玻璃基板1和液晶层2面积覆盖整个反射阵天线，分别是一个整体。金属地板4位于下层的玻璃基板1外侧，二者之间可设置介质层5，介质层5可为玻璃或空气或其它。每层金属层3上均设置有偏置线6，偏置的控制方式为一维或二维方式。图4示出了以为一维控制方式下的偏置线6连接图。
以下是本发明的若干实施例。
实施例1
本实施例提供一种一维方式控制的单极化平面反射阵天线，阵列单元和参数如图5和图6所示。图5中金属层3的实线和虚线分别代表上下金属层，上下金属层为交替排布的矩形金属片。下层的玻璃基板1和金属地板4之间为空气介质。图6中上对角线、下对角线填充区域分别对应下层和上层金属层，菱形网格填充区域为两层金属层的金属重叠区域7。
将金属层3的金属反射阵单元按图4方式进行排布，上下两层的偏置线6为金属，且连接、贯穿一列金属反射阵单元。其中，深色区域代表上层金属层的金属反射阵单元，灰度区域代表下层金属层的金属反射阵单元。上下层金属偏置线中心线和上下层金属片的中心线均完全重叠。玻璃基板1相对介电常数为5.21，损耗角正切为0.0071。液晶层2厚度为5微米，相对介电常数变化范围为2.6-3.6，损耗角正切为0.008。每列金属反射阵单元间距5毫米。金属反射阵天线可通过LCD工艺制作。
液晶材料的损耗角随工作频率提高而减小并且不存在截至频率，因此可以应用于高频段的反射阵天线设计。此外，通过改变偏置电压，使液晶层2被所述金属重叠区域7夹持区域的液晶特性变化，可以实现反射波相位的调控。如图6所示，通过改变上下偏置线6的偏置电压，可以以一维方式调控反射波的相位。因此，通过控制每列金属反射阵单元的反射相位，可以实现一维的波束扫描。
本实例工作时，利用产生柱面波的天线作为馈源，平行阵列单元方向放置于反射阵列正上方且柱面波电场方向平行于阵列单元延伸方向。
利用数值仿真一个由34列基本阵列单元构成的天线阵列，可以得到如下结果。当液晶材料介电常数变化范围为2.6-3.6时，在19GHz工作频率下对应的反射相位如图7所示，其反射相位相移量超过180°且具有较好的线性度，满足波束扫描的需求。平面反射阵天线在0°和45°辐射角时对应的辐射方向图分别如图8和图9所示，可以看出，反射阵天线具有良好的辐射特性，具有波束扫描特性。
实施例2
本实施例提供一种双极化平面反射阵天线，阵列单元如图10和图11所示。金属反射阵单元为交叉偶极子，且偶极子两臂分别设置于金属上下层。如图11所示，上对角线、下对角线填充区域分别对应上层和下层金属层，菱形网格填充区域为金属层的金属重叠区域7。金属反射阵单元具有旋转对称性，所以具有双极化特性。因此，通过控制反射阵单元的反射相位，可以实现双极化波束扫描。
反射阵单元按图12方式进行排布可以构成天线阵面。其中，深色区域代表上层金属层，灰度区域代表下层金属层，且两金属层间具有金属重叠区域7。该反射阵同时适用于一维和二维方式控制。双极化反射阵单元控制所需偏置线应为高阻线。
实施例3
本实施例提供一种双极化平面反射阵天线，阵列单元如图13和14所示。所述偏置线应为高阻线；二维扫描时，每个单元应单独控制。如图13所示，上层金属层上的金属反射阵单元为十字型交叉金属条带，下层金属层上的金属反射阵单元为削去四个顶角的金属矩形环。
如图14所示，上对角线、下对角线填充区域分别对应上层和下层金属层，菱形网格填充区域为金属层的金属重叠区域7。该金属反射阵单元同样具有旋转对称性，所以具有双极化特性。因此，可以实现双极化波束扫描可以通过控制反射阵单元的反射相位实现。
实施例4
本实施例提供一种双极化平面反射阵天线，阵列单元如图15和16所示。所述偏置线应为高阻线。如图15所示，上层金属层上的金属反射阵单元为四个金属矩形片，下层金属层上的金属反射阵单元为一个金属矩形片。
如图16所示，上对角线、下对角线填充区域分别对应上层和下层金属层，菱形网格填充区域为金属层的金属重叠区域7。该金属反射阵单元同样具有旋转对称性，所以具有双极化特性。因此，可以实现双极化波束扫描可以通过控制反射阵单元的反射相位实现。
实施例5
本实施例提供一种双极化平面反射阵天线，阵列单元如图17和18所示。所述偏置线为高阻线；二维扫描时，按图12方式进行排布，分别对单元进行控制。如图17所示，上层金属层上的金属反射阵单元为对角分布的带两个小矩形凸起的金属矩形片，下层金属层上的金属反射阵单元为形状相同的另一对角分布的金属矩形片。
如图18所示，上对角线、下对角线填充区域分别对应上层和下层金属层，菱形网格填充区域为金属层的金属重叠区域7。该金属反射阵单元同样具有旋转对称性，所以具有双极化特性。因此，可以实现双极化波束扫描可以通过控制反射阵单元的反射相位实现。
实施例6
本实施例提供一种双极化平面反射阵天线，阵列单元如图19和图20所示。所述偏置线为高阻线；二维扫描时，每个单元单独控制。如图19所示，上层金属层上的金属反射阵单元为四对金属片，下层金属层上的金属反射阵单元为刻有十字槽的金属贴片。
如图20所示，上对角线、下对角线填充区域分别对应上层和下层金属层，菱形网格填充区域为金属层的金属重叠区域7。该金属反射阵单元同样具有旋转对称性，所以具有双极化特性。因此，可以实现双极化波束扫描可以通过控制反射阵单元的反射相位实现。
实施例7
本实施例提供一种双极化平面反射阵天线，阵列单元如图21和22所示。所述偏置线为高阻线；二维扫描时，每个单元单独控制。如图21所示，上层金属层上的金属反射阵单元为四对金属片，下层金属层上的金属反射阵单元为在边缘刻有四道槽的金属贴片。
如图22所示，上对角线、下对角线填充区域分别对应上层和下层金属层，菱形网格填充区域为金属层的金属重叠区域7。该金属反射阵单元同样具有旋转对称性，所以具有双极化特性。因此，可以实现双极化波束扫描可以通过控制反射阵单元的反射相位实现。
实施例8
本实施例提供一种双极化平面反射阵天线，阵列单元如图23和24所示。所述偏置线为高阻线；二维扫描时，每个单元单独控制。如图23所示，上层金属层上的金属反射阵单元为两个对角分布的L型金属条带，下层金属层上的金属反射阵单元为两个对角分布的L型金属条带。
如图24所示，上对角线、下对角线填充区域分别对应上层和下层金属层，菱形网格填充区域为金属层的金属重叠区域7。该金属反射阵单元同样具有旋转对称性，所以具有双极化特性。因此，可以实现双极化波束扫描可以通过控制反射阵单元的反射相位实现。
实施例9
本实施例提供一种双极化平面反射阵天线，阵列单元如图25和26所示。所述偏置线为高阻线；二维扫描时，每个单元单独控制。如图25所示，上层金属层上的金属反射阵单元为四对金属片，下层金属层上的金属反射阵单元为刻有环形排布的直槽的金属片，金属片尺寸与单元尺寸相同。下层玻璃基板下方为金属背腔，背腔尺寸与单元尺寸相同，背腔高度小于中心频率二分之一波长。
如图26所示，上、下对角线填充区域分别对应上层和下层金属层，菱形网格填充区域为金属层的金属重叠区域7。该金属反射阵单元同样具有旋转对称性，所以具有双极化特性。因此，可以实现双极化波束扫描可以通过控制反射阵单元的反射相位实现。
实施例10
本实施例提供一种双极化平面反射阵天线，阵列单元如图27和28所示。金属反射阵单元由多个“十”字型交叉金属条带，通过不同尺寸结构的组合，可能实现工作频段扩宽和多频带效果。同样，不同金属单元采用不同结构或者不同尺寸可以实现相同的效果。玻璃基板和液晶层参数均和实施例1相同。
综上所述，基于液晶材料特性可以实现反射波相位的调控。本发明采用LCD工艺且无需T/R组件、电子调谐器件和复杂的馈电网络，所以成本低，可工作于高频段。此外，本发明所采用的液晶层厚度小于50微米，主要起到加载左右，而非介质作用。因此，本发明在改变偏置电压时，液晶的响应速度快。
上面对基于本发明思想的几个实施实例进行了说明，以方便相关的科研工作者的理解。但是本发明的思想不仅限于具体实施方式的范围，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (9)

1.一种基于液晶材料的平面反射阵天线，其特征在于，包括：
两层金属层(3)，每层金属层(3)由若干个阵列排布的金属反射阵单元组成，其中，两层金属层(3)上对应的金属反射阵单元具有金属重叠区域(7)；
位于两层金属层(3)内侧之间的液晶层(2)；
位于两层金属层(3)外侧的用作介质加载和支撑结构的两块玻璃基板(1)
以及
位于其中一块玻璃基板(1)外侧的金属地板(4)；
所述玻璃基板(1)和液晶层(2)面积覆盖整个反射阵天线，所述两层金属层(3)上均设置有偏置线(6)，偏置的控制方式为一维或二维方式，通过改变液晶层(2)的偏置电压，改变偏压使液晶层(2)被所述金属重叠区域(7)夹持区域的液晶特性变化，使金属反射阵单元产生不同的反射相位，实现反射波相位的调控，从而实现波束扫描。
2.根据权利要求1所述基于液晶材料的平面反射阵天线，其特征在于，所述液晶层(2)厚度在50微米以内。
3.根据权利要求1所述基于液晶材料的平面反射阵天线，其特征在于，所述一块玻璃基板(1)外侧与金属地板(4)之间设置有介质层(5)，所述介质层(5)为低损耗微波材料。
4.根据权利要求1所述基于液晶材料的平面反射阵天线，其特征在于，所述偏置线(6)采用高阻材料或金属材料制作。
5.根据权利要求1或4所述基于液晶材料的平面反射阵天线，其特征在于，采用一维方式控制时，偏置线(6)将其所处金属层(3)上的一列所有金属反射阵单元串联，同时为该列上的所有金属反射阵单元设置偏置电压；采用二维方式控制时，每个金属反射阵单元的偏压通过独立的偏置线(6)独立控制。
6.根据权利要求5所述基于液晶材料的平面反射阵天线，其特征在于，通过多个金属反射单元反射相位的独立调控，实现波束的动态扫描。
7.根据权利要求5所述基于液晶材料的平面反射阵天线，其特征在于，当金属反射阵单元包含多个结构体或者各单元采用不同结构时，能够实现频带的扩展或者多频段工作。
8.根据权利要求1所述基于液晶材料的平面反射阵天线，其特征在于，所述玻璃基板(1)作为介质加载，而液晶层(2)不起到介质加载作用，液晶层(2)在偏置电压改变时响应速度快。
9.根据权利要求1所述基于液晶材料的平面反射阵天线，其特征在于，所述平面反射阵天线为双极化平面反射阵天线，以远离金属地板(4)的金属层(3)为上层金属层，靠近金属地板(4)的金属层(3)为下层金属层，则：
所述金属反射阵单元为交叉偶极子，且偶极子两臂分别设置于两层金属层(3)；或者，所述上层金属层上的金属反射阵单元为十字型交叉金属条带，下层金属层上的金属反射阵单元为削去四个顶角的金属矩形环；或者，所述上层金属层上的金属反射阵单元为四个金属矩形片，下层金属层上的金属反射阵单元为一个金属矩形片；或者，所述上层金属层上的金属反射阵单元为对角分布的带两个小矩形凸起的金属矩形片，下层金属层上的金属反射阵单元为形状相同的另一对角分布的金属矩形片；或者，所述上层金属层上的金属反射阵单元为四对金属片，下层金属层上的金属反射阵单元为刻有十字槽的金属贴片；或者，所述上层金属层上的金属反射阵单元为四对金属片，下层金属层上的金属反射阵单元为在边缘刻有四道槽的金属贴片；或者，所述上层金属层上的金属反射阵单元为两个对角分布的L型金属条带，下层金属层上的金属反射阵单元为两个对角分布的L型金属条带；或者，所述上层金属层上的金属反射阵单元为四对金属片，下层金属层上的金属反射阵单元为刻有环形排布的直槽的金属片。
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