CN111293425A - 一种液晶有源相控阵天线 - Google Patents

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CN111293425A CN202010212854.1A CN202010212854A CN111293425A CN 111293425 A CN111293425 A CN 111293425A CN 202010212854 A CN202010212854 A CN 202010212854A CN 111293425 A CN111293425 A CN 111293425A
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Abstract

本发明提供了一种液晶有源相控阵天线，包含天线阵列单元(1)；第一多层基板(2)；屏蔽‑散热‑波导金属腔体(3)；第二多层基板(4)，所述第二多层基板(4)集成射频放大模块(5)、导热柱(6)；散热垫片(7)；第一玻璃基板(16)；位于第一玻璃基板(16)和第二玻璃基板(17)之间的液晶层(9)；位于液晶层(9)和第二玻璃基板(17)之间的液晶移相器(10)；第二玻璃基板(17)；第三多层基板(8)；位于第三多层基板(8)下方的波导功分网络金属腔体(11)。本发明解决液晶移相器(10)天线金属地导引的设计困难，将有源模块应用于液晶移相器(10)，降低液晶移相器(10)阵列天线的系统损耗。

Description

一种液晶有源相控阵天线
技术领域
本发明涉及相控阵天线技术领域，具体涉及一种液晶有源相控阵天线。
背景技术
有源相控阵的每个天线单元后端都包含一套完整的独立的收发(T/R)组件，可以控制形成多种辐射波束：高增益单波束辐射、多波束指向辐射等等，由于每个单元的独立性，一个有源相控阵也可以分成多个雷达或通信的收发阵列，相比无源相控阵提高了使用灵活性。
传统有源相控阵的T/R组件包括发射支路、接收支路及射频转换开关及移相器。每个T/R组件既有发射高功率放大器(HPA)、滤波器，限幅器，又有低噪声放大器(LNA)、衰减器及移相器、波束控制电路等。所以成本高、功耗大是其面临的主要问题。
近年来，高性能电磁液晶材料科技的进步，为低成本、低功耗相控阵天线设计提供了一个有效的解决方案，液晶相控阵天线技术作为一项具有革命意义的技术创新成为众多厂家关注研发的重点。目前在液晶移相器设计实践中面临很多技术难题，比如液晶层厚度大导致损耗较大，响应时间久等；对于射频信号而言，馈电网络、天线、有源组件、控制电源等都需要有金属地，而在现有工艺能力下，为保证液晶厚度均一性，液晶只能在双层玻璃基板中制盒封装，并且为实现液晶性能的有效利用，液晶面板金属地通常需要放置在盒内的一侧基板上，采用玻璃打孔方式实现该金属地的外引，一方面容易出现漏液现象降低良品率，另一方面金属化玻璃过孔在工艺上实现依然十分困难，因此，在液晶相控阵天线设计中实现无接触式引地，进而实现多层金属地布局迫在眉睫。
虽然相较于传统数字移相器，液晶移相器具有高FoM、高相位控制精度、低功耗和低成本等显著优势，但在实践应用中，为了提高性能指标和设计灵活度，液晶相控阵天线有时需要采用有源架构设计，在天线和移相器之间引入有源射频放大模块(5)。而由于液晶移相器及面板的特殊结构，无法实现在天线与移相器之间直接焊接射频放大模块(5)，这也是当前液晶相控阵天线设计领域面临的主要技术难点之一。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
为解决上述问题，本发明结合波导腔体，增加扼流金属片(19)引地，解决玻璃基板盒内射频地外引的难题。传统波导转传输线用到的短路结构会影响天线辐射，多层基板可以解决短路结构和天线辐射片共存的问题。
本发明提供了一种液晶有源相控阵天线，包括从上到下依次排列的：
天线阵列单元(1)；
第一多层基板(2)；
屏蔽-散热-波导金属腔体(3)；
第二多层基板(4)，所述第二多层基板(4)集成射频放大模块(5)、导热柱(6)、散热垫片(7)；
第一玻璃基板(16)；
位于第一玻璃基板(16)和第二玻璃基板(17)之间的液晶层(9)；位于液晶层(9)和第二玻璃基板(17)之间的液晶移相器(10)；
第二玻璃基板(17)；
第三多层基板(8)；
位于第三多层基板(8)下方的波导功分网络金属腔体(11)。
进一步地，所述第一多层基板(2)内有导电通孔(15)、导电盲孔(13)、第一金属地(12)，导电通孔(15)连接位于第一多层基板(2)顶层的天线阵列单元(1)及位于第一多层基板(2)底层的第一传输线，导电通孔(15)与第一金属地(12)不接触。
进一步地，所述第一多层基板(2)内进一步设有第一传输线转波导结构(14)，所述第一传输线转波导结构(14)包括传输线、匹配线、辐射片及扼流金属片(19)；所述第一多层基板(2)内部的导电盲孔(13)位于所述第一传输线转波导结构(14)的辐射片周围，与第一多层基板(2)内部的第一金属地(12)连接，但不与所述第一传输线、匹配线及辐射片连接。
进一步地，所述屏蔽-散热-波导金属腔体(3)位于所述第一多层基板(2)下方，在所述散热垫片(7)和所述第一传输线转波导结构(14)的辐射片周围开屏蔽槽和波导口。
进一步地，所述屏蔽-散热-波导金属腔体(3)的屏蔽槽包裹所述散热垫片(7)，与所述第一多层基板(2)的导电盲孔(13)接触，但不与所述第一传输线、匹配线及辐射片连接，所述屏蔽-散热-波导金属腔体(3)的波导口中心与所述第一传输线转波导结构(14)的辐射片中心对齐。
进一步地，所述第二多层基板(4)内部有用于束缚电场的扼流金属片(19)和导电盲孔(13)。
进一步地，所述散热垫片(7)位于所述第二多层基板(4)和所述屏蔽-散热-波导金属腔体(3)之间，连接所述导热柱(6)与所述屏蔽-散热-波导金属腔体(3)。
进一步地，所述导热柱(6)内置于所述第一玻璃基板(16)内部，连接所述散热垫片(7)与所述射频放大模块(5)。
进一步地，所述射频放大模块(5)内置于用于封装所述液晶层(9)的第一玻璃基板(16)内部，实现液晶封装与射频放大模块(5)的一体化设计，第一玻璃基板(16)底部有开缝的第二金属地(18)。
进一步地，所述液晶移相器(10)单元位于第三多层基板(8)顶部；信号由位于第二多层基板(4)的第一波导转传输线结构的传输线经过第二金属地(18)的缝隙耦合至位于第三多层基板(8)顶部的液晶移相器(10)单元。
进一步地，所述液晶移相器(10)单元的第一电极位于所述第二金属地(18)与所述液晶层(9)之间，第二电极位于所述液晶移相器(10)单元与所述液晶层(9)之间，通过控制所述第一电极和所述第二电极之间的电压差控制液晶移相器(10)的移相量。
进一步地，所述第三多层基板(8)内部有用于束缚电场的扼流金属片(19)和导电盲孔(13)。
进一步地，第二传输线转波导结构位于所述第三多层基板(8)底部，包括传输线、匹配线、辐射片及扼流金属片(19)。
进一步地，所述波导功分网络金属腔体(11)位于所述第三多层基板(8)下方，具有单波导口输入多波导口输出的特点，根据所需射频信号功分比设计波导形式，并在腔体顶部开满足需求的波导口。
进一步地，所述波导功分网络金属腔体(11)的输出波导口与所述第二传输线转波导结构的辐射片中心对齐。
本发明的优点在于：本发明将射频放大模块与液晶相控阵天线进行了一体化集成设计，将其设计在天线面板结构内部，且容易添加屏蔽结构，降低射频放大模块对天线及移相器的影响，同时屏蔽、散热、波导的一体化设计还提高了空间利用率。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。
在附图中：
附图1示出了根据本发明实施方式的一种液晶有源相控阵天线结构示意图；
附图2(a)示出了根据本发明实施方式的移相器结构俯视图；附图2(b)示出了根据本发明实施方式的移相器结构侧面剖面图。图2(c)为本发明的一个具体实施例的等效电路模型。
附图3示出了根据本发明实施方式的液晶微带转上方波导的过渡侧视图；
附图4示出了根据本发明实施方式的液晶微带转上方波导的过渡俯视图；
附图5示出了根据本发明实施方式的液晶微带转下方波导的过渡侧视图；
附图6示出了根据本发明实施方式的液晶微带转下方波导的过渡俯视图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明设计天线工作在Ku频段，当然本领域技术人员可以知道，在别的频段同样适合使用。天线整体为多层结构，结合附图自上而下进行描述：如图1所示，一种液晶有源相控阵天线，包括从上到下依次排列的：天线阵列单元(1)；第一多层基板(2)；屏蔽-散热-波导金属腔体(3)；第二多层基板(4)，第二多层基板(4)集成射频放大模块(5)、导热柱(6)；散热垫片(7)；第一玻璃基板(16)；位于第一玻璃基板(16)和第二玻璃基板(17)之间的液晶层(9)；位于液晶层(9)和第二玻璃基板(17)之间的液晶移相器(10)；第二玻璃基板(17)；第三多层基板(8)；位于第三多层基板(8)下方的波导功分网络金属腔体(11)。
天线阵列单元(1)置于整个天线的最上层，被刻蚀在第一多层基板(2)的上表面。如图3所示，第一多层基板(2)的最下层是微带馈电网络，给最上层天线馈电，在天线和馈电网络之间有一层完整的金属，用作上层天线和下层馈电网络的公共地。完全隔绝射频信号在馈电网络中的传输和天线贴片的信号辐射，能提高天线的辐射效率，而且保证天线的辐射方向图更接近与理论值，便于后续的波束合成与控制。馈电网络与辐射贴片之间的信号传输可以通过耦合或者探针直连的方式，应根据不同的使用需求作相应的设计选择。
第一多层基板(2)内有导电通孔(15)、导电盲孔(13)、第一金属地(12)，导电通孔(15)连接位于第一多层基板(2)顶层的天线阵列单元(1)及位于第一多层基板(2)底层的第一传输线，导电通孔(15)与第一金属地(12)不接触。
如图4所示，第一多层基板(2)内进一步设有第一传输线转波导结构(14)，第一传输线转波导结构(14)包括传输线、匹配线、辐射片及扼流金属片(19)；第一多层基板(2)内部的导电盲孔(13)位于第一传输线转波导结构(14)的辐射片周围，与第一多层基板(2)内部的第一金属地(12)连接，但不与第一传输线、匹配线及辐射片连接。
紧贴在第一多层基板(2)下方的是屏蔽-散热-波导金属腔体(3)，主要目的是将馈电网络的信号传到第二多层基板(4)的模块当中。使用波导金属腔体作为信号传输媒介，不仅屏蔽了最上层天线和中间射频放大模块(5)之间的信号串扰，还对整个天线的散热起到帮助作用。另外本发明的多层基板硬度有限，中间的波导金属腔体对于整个天线结构有一定支撑作用，增加整个结构的强度。
屏蔽-散热-波导金属腔体(3)位于第一多层基板(2)下方，在散热垫片(7)和第一传输线转波导结构(14)的辐射片周围开屏蔽槽和波导口。
屏蔽-散热-波导金属腔体(3)的屏蔽槽包裹散热垫片(7)，与第一多层基板(2)的导电盲孔(13)接触，但不与第一传输线、匹配线及辐射片连接，屏蔽-散热-波导金属腔体(3)的波导口中心与第一传输线转波导结构(14)的辐射片中心对齐。
第二多层基板(4)内部有用于束缚电场的扼流金属片(19)和导电盲孔(13)。
射频放大模块(5)内置于用于封装液晶层(9)的第一玻璃基板(16)内部，实现液晶封装与射频放大模块(5)的一体化设计，第一玻璃基板(16)底部有开缝的第二金属地(18)。
导热柱(6)内置于第一玻璃基板(16)内部，连接散热垫片(7)与射频放大模块(5)。
散热垫片(7)位于第二多层基板(4)和屏蔽-散热-波导金属腔体(3)之间，连接导热柱(6)与屏蔽-散热-波导金属腔体(3)。
第二多层基板(4)位于屏蔽-散热-波导金属腔体(3)的下方，其上表面是射频微带线，接受通过波导金属腔体传来的射频信号，金属探针将信号导入下层的射频放大模块(5)中，图1中射频放大模块(5)被置于第一玻璃基板(16)中。第一多层基板(2)、第二多层基板(4)和第二多层基板(4)均可由硅、玻璃、PCB、陶瓷、蓝宝石、碳化硅等材料的一种或几种构成，为平面或曲面。在本实施例中，如图5所示，第三多层基板(8)的最上层基板和第二多层基板(4)的最下层基板均为玻璃。将射频放大模块(5)集成在玻璃内部，提高了本发明结构的紧凑性。射频放大模块(5)在使用过程中会产生热量，本发明在第二多层基板(4)之中加入散热垫片(7)，将射频放大模块(5)产生的热量导入上方的波导金属腔体上，保证散热性能，使其能稳定工作。
第三多层基板(8)内部有用于束缚电场的扼流金属片(19)和导电盲孔(13)。如图6所示，第二传输线转波导结构位于第三多层基板(8)底部，包括传输线、匹配线、辐射片及扼流金属片(19)。
液晶移相器(10)单元位于第三多层基板(8)顶部；信号由位于第二多层基板(4)的第一波导转传输线结构的传输线经过第二金属地(18)的缝隙耦合至位于第三多层基板(8)顶部的液晶移相器(10)单元。
如图2(b)所示，液晶移相器(10)单元的第一电极位于第二金属地(18)与液晶层(9)之间，第二电极位于液晶移相器(10)单元与液晶层(9)之间，通过控制第一电极和第二电极之间的电压差控制液晶移相器(10)的移相量。
图2(c)为本发明的一个具体实施例的等效电路模型。501、502为矩形缝隙与金属地构成的等效电感，601、602为馈线和枝节与金属地板构成的等效电容，603为馈线和枝节与金属地板构成的等效可调电容。调节超材料介质层介电常数即可改变603的电容值，从而改变移相器的移相量。
波导功分网络金属腔体(11)位于第三多层基板(8)下方，具有单波导口输入多波导口输出的特点，根据所需射频信号功分比设计波导形式，并在腔体顶部开满足需求的波导口。
波导功分网络金属腔体(11)的输出波导口与第二传输线转波导结构的辐射片中心对齐。
液晶移相器(10)是本发明的核心技术手段之一，液晶位于第二多层基板(4)中最下层玻璃基板和第三多层基板(8)中最上层玻璃基板之间，在玻璃之间制盒，放置液晶是现有的成熟工艺手段，保证了本发明的可实施性。本发明使用液晶厚度即盒厚保持在30um以下，低盒厚的液晶响应速度快，以此设计的移相器才能实现在射频领域的使用，并且液晶靠电压驱动，内部电流接近0，驱动功耗很低。虽然相较于传统数字移相器，液晶移相器(10)具有高FoM、高相位控制精度、低功耗和低成本等显著优势，但在实践应用中，为了提高性能指标和设计灵活度，液晶相控阵天线有时需要采用有源架构设计，在天线和移相器之间引入有源射频放大模块(5)。
液晶移相器(10)的表面电路位于液晶下方，金属地在液晶上方，这里的金属地再一次隔绝了射频传输信号和天线辐射信号的串扰，并且对射频放大模块(5)的射频信号起到一定隔离作用，提高了液晶移相器(10)的完整性和一致性。金属地紧贴液晶放置是为了保证最大程度利用液晶的电特性，假如金属地放置在液晶上方玻璃的上层，即移相器表面电路和金属地间就包含了状态可变的液晶及状态固定的玻璃，此时液晶电特性的改变对移相器状态的影响就会下降，减小移相量，所以移相器的表面电路和金属地之间只能有液晶一种物质。由于在这层金属地置于液晶上方以及玻璃下方，而玻璃无法打孔，难以引出，因此结合波导腔体，增加扼流金属片(19)，解决该层金属引地难的问题。
在液晶移相器(10)的下方是第三多层基板(8)。低盒厚液晶移相器(10)损耗大，以液晶为基板的微带线损耗同样大，所以为了减小损耗，需要将移相器的信号再往下引一级，所以引入第三多层基板(8)，将移相器的信号传输到最下方的波导腔体功分网络金属腔体(11)中。
实施例移相器：
本发明中移相器采用分形的设计方法，实现了移相器的小型化结构，使得每一个贴片下方都可以放置一个移相器，实现天线的全有源控制。以液晶作为介质，通过电压的控制达到了改变相位的效果。
如图2(a)所示，具体实施方式是在液晶一侧布置金属走线，包含主馈线、一级枝节和二级枝节；另一侧为金属地，金属地上刻蚀多条矩形缝隙，包含一级匹配缝隙、一级传输缝隙、二级匹配缝隙和二级传输缝隙。枝节和缝隙的相互排列能够起到感性、容性的调节，实现在工作频段的LC振荡，提高主馈线两端的相位差，从而达到小型化的目的，在同等移相量的前提下还降低了损耗。
实施例液晶微带转上方波导的过渡：
如图3、4所示，首先液晶下方的微带线通过缝隙耦合的方式转到玻璃上层的微带线；然后玻璃上层微带线通过过孔方式连接到第二多层基板(4)上层微带线；第二基板上层微带线再进行微带波导的转换。在第二层基板包含一套引地结构，即图中图中第二基板内部多个金属化过孔，形成扼流金属片(19)引地的结构，将液晶上层的金属地引入波导金属腔体中，使其共地。
实施例液晶微带转下方波导的过渡：
如图5、6所示，因为没有射频放大模块(5)，这里液晶下方的微带线直接和第三基板下层微带线通过缝隙耦合方式连接，中间玻璃下方没有微带线，与转上方波导不同，这里的缝隙位于液晶微带和基板微带的同一侧，在液晶上表面。同样，这种结构也需要将液晶上层的金属地引出，用扼流金属片(19)引地的结构将地引出。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种液晶有源相控阵天线，其特征在于，包括从上到下依次排列的：
天线阵列单元(1)；
第一多层基板(2)；
屏蔽-散热-波导金属腔体(3)；
第二多层基板(4)，所述第二多层基板(4)集成射频放大模块(5)、导热柱(6)；
散热垫片(7)；
第一玻璃基板(16)；
位于第一玻璃基板(16)和第二玻璃基板(17)之间的液晶层(9)；位于液晶层(9)和第二玻璃基板(17)之间的液晶移相器(10)；
第二玻璃基板(17)；
第三多层基板(8)；
位于第三多层基板(8)下方的波导功分网络金属腔体(11)。
2.根据权利要求1所述的一种液晶有源相控阵天线，其特征在于，
所述第一多层基板(2)内有导电通孔(15)、导电盲孔(13)、第一金属地(12)，导电通孔(15)连接位于第一多层基板(2)顶层的天线阵列单元(1)及位于第一多层基板(2)底层的第一传输线，导电通孔(15)与第一金属地(12)不接触。
3.根据权利要求2所述的一种液晶有源相控阵天线，其特征在于，
所述第一多层基板(2)内进一步设有第一传输线转波导结构(14)，所述第一传输线转波导结构(14)包括传输线、匹配线、辐射片及扼流金属片(19)；所述第一多层基板(2)内部的导电盲孔(13)位于所述第一传输线转波导结构(14)的辐射片周围，与第一多层基板(2)内部的第一金属地(12)连接，但不与所述第一传输线、匹配线及辐射片连接。
4.根据权利要求3所述的一种液晶有源相控阵天线，其特征在于，
所述屏蔽-散热-波导金属腔体(3)位于所述第一多层基板(2)下方，在所述散热垫片(7)和所述第一传输线转波导结构(14)的辐射片周围开屏蔽槽和波导口。
5.根据权利要求4所述的一种液晶有源相控阵天线，其特征在于，
所述屏蔽-散热-波导金属腔体(3)的屏蔽槽包裹所述散热垫片(7)，与所述第一多层基板(2)的导电盲孔(13)接触，但不与所述第一传输线、匹配线及辐射片连接，所述屏蔽-散热-波导金属腔体(3)的波导口中心与所述第一传输线转波导结构(14)的辐射片中心对齐。
6.根据权利要求1所述的一种液晶有源相控阵天线，其特征在于，
所述第二多层基板(4)内部有用于束缚电场的扼流金属片(19)和导电盲孔(13)。
7.根据权利要求1所述的一种液晶有源相控阵天线，其特征在于，
所述散热垫片(7)位于所述第二多层基板(4)和所述屏蔽-散热-波导金属腔体(3)之间，连接所述导热柱(6)与所述屏蔽-散热-波导金属腔体(3)。
8.根据权利要求1所述的一种液晶有源相控阵天线，其特征在于，
所述导热柱(6)内置于所述第一玻璃基板(16)内部，连接所述散热垫片(7)与所述射频放大模块(5)。
9.根据权利要求1所述的一种液晶有源相控阵天线，其特征在于，
所述射频放大模块(5)内置于用于封装所述液晶层(9)的第一玻璃基板(16)内部，实现液晶封装与射频放大模块(5)的一体化设计，第一玻璃基板(16)底部有开缝的第二金属地(18)。
10.根据权利要求6所述的一种液晶有源相控阵天线，其特征在于，
所述液晶移相器(10)单元位于第三多层基板(8)顶部；信号由位于第二多层基板(4)的第一波导转传输线结构的传输线经过第二金属地(18)的缝隙耦合至位于第三多层基板(8)顶部的液晶移相器(10)单元。
11.根据权利要求10所述的一种液晶有源相控阵天线，其特征在于，
所述液晶移相器(10)单元的第一电极位于所述第二金属地(18)与所述液晶层(9)之间，第二电极位于所述液晶移相器(10)单元与所述液晶层(9)之间，通过控制所述第一电极和所述第二电极之间的电压差控制液晶移相器(10)的移相量。
12.根据权利要求1所述的一种液晶有源相控阵天线，其特征在于，
所述第三多层基板(8)内部有用于束缚电场的扼流金属片(19)和导电盲孔(13)。
13.根据权利要求1所述的一种液晶有源相控阵天线，其特征在于，
第二传输线转波导结构位于所述第三多层基板(8)底部，包括传输线、匹配线、辐射片及扼流金属片(19)。
14.根据权利要求1所述的一种液晶有源相控阵天线，其特征在于，
所述波导功分网络金属腔体(11)位于所述第三多层基板(8)下方，具有单波导口输入多波导口输出的特点，根据所需射频信号功分比设计波导形式，并在腔体顶部开满足需求的波导口。
15.根据权利要求13所述的一种液晶有源相控阵天线，其特征在于，所述波导功分网络金属腔体(11)的输出波导口与所述第二传输线转波导结构的辐射片中心对齐。
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