CN111430894B - 一种共形液晶光学相控阵的光学装置 - Google Patents

一种共形液晶光学相控阵的光学装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种共形液晶光学相控阵天线及其波控方法和装置，应用于自由空间激光通信、激光雷达等领域；为解决现有的平面型液晶光学相控阵列天线存爱的视场范围窄、对飞行器表面空气动力学性能影响大、天线面积有限和天线安装灵活性较低等问题；本发明的共形液晶光学相控阵天线的核心器件采用共形的设计方案，以形成共形液晶光学相控阵列天线，不仅能够达到更大的角覆盖范围，还能够降低天线对通信终端空气动力学性能的影响；本发明的共形液晶光学相控阵具备较大大波束扫描范围，能实现更宽的空域角度覆盖。

Description

一种共形液晶光学相控阵的光学装置
技术领域
本发明属于自由空间激光通信、激光雷达等领域，特别涉及一种液晶光电子器件与激光相控技术。
背景技术
激光相控体制在自由空间光通信、激光雷达领域得到越来越广泛的应用，目前国内外研究的激光空间扫描控制方法有机械式和非机械式两种。机械式方法具有响应速度慢、控制精度低和灵活性较差等缺点，难以满足快速捕获、高精度跟踪、快速捷变的应用需求；非机械式方法中，液晶光学相控阵(LCOPA)采用驱动电压低、相位调制深度大的液晶作为相位调制的电光材料，其具备指向精度高、驱动电压低、有效像素多等优势，成为激光相控技术的重要研究方向。
平面型液晶光学相控阵列天线的波束扫描范围受到单元天线尺度和结构(包括液晶盒形状、厚度、大小、阵列单元尺寸等)的因素影响，使得平面相控阵天线视场范围窄(约±3°)、对飞行器表面空气动力学性能影响大、天线面积有限和天线安装灵活性较低等缺点。由于卫星激光通信系统对光束扫描覆盖范围有更宽的要求，以实现高性能的激光通信系统，这需要采用更大角覆盖、更灵活稳定的新型液晶光学相控阵天线。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种共形液晶光学相控阵天线，采用共形设计的基板；根据搭载平台的外形来设计，使阵列天线的表面与工作平台的外形相吻合。
为解决上述技术问题，本发明提出一种共形液晶光学相控阵的光学装置，增大了波束扫描范围，实现更宽的空域角度覆盖。
为解决上述技术问题，本发明还提出一种共形液晶光学相控阵的波控方法，通过计算得到所要加载在相控单元上的驱动电压，从而完成对入射激光光束的指向扫描。
本发明采用的技术方案之一为：一种共形液晶光学相控阵天线，包括：形状一致的弧形上基板和弧形下基板，以及夹在弧形上基板和弧形下基板之间的液晶。
所述上基板和下基板上均包含有取向层和电极层。
所述上基板的电极层为公共电极。
所述下基板的电极层为光栅阵列电极。
本发明采用的技术方案之二为：一种共形液晶光学相控阵的波控方法，通过计算出各辐射单元的相移量和扫描角度的关系，得到所要加载在相控单元上的驱动电压，从而完成对入射激光光束的指向扫描。
所述相移量计算过程为：
以O为圆弧形共形液晶光学相控阵天线的圆心，R为半径，设该圆弧形共形液晶光学相控阵天线由2N+1个相控单元组成，孔径中心为第0个相控单元，左右对称分布N个相控单元；各相控单元沿圆弧等间隔排列，相邻两个相控单元中心点与圆心O连线的夹角α相等，相邻两个相控阵单元中心点的距离d相等，每个相控单元均指向相同的扫描方向θs，以第0个相控单元为参考相位，即第0个相控单元的相控单元相移量(△φ)0＝0，则各相控阵单元的相对于第0个单元的相移值为：
Figure GDA0003101779230000021
Figure GDA0003101779230000022
其中，k为真空波数，i为相控单元的位置，负号表示该相控单元位置位于波束扫描方向同侧，正号表示该相控单元位置位于波束扫描方向反侧。
本发明采用的技术方案之三为：一种共形液晶光学相控阵的光学装置，包括：激光器、聚焦透镜和上述共形液晶光学相控阵天线。
所述共形液晶光学相控阵天线中心的激励源为球面波，该激励源满足对各辐射单元一致的同相位激励。
在所述光栅阵列电极上加载对应的量化电压。该电压通过方案二的一种共形液晶光学相控阵的波控方法计算得到；从而实现纯相位调制，最终实现对入射波束的大角度扫描。
本发明的有益效果：本发明的共形液晶光学相控阵天线的核心器件采用共形设计的基板，其形状可以根据搭载平台的外形来设计，使阵列天线的表面与工作平台的外形相吻合，有利于提高天线的有效利用面积、增加天线口径，有利于降低天线对平台性能的影响，提高系统的稳定性。更优地，本发明的共形液晶光学相控阵能够增大波束扫描范围，实现更宽的空域角度覆盖。
附图说明
图1为本发明结构及实施例一提供的共形液晶光学相控阵天线的结构示意图；
图2为本发明实施例二提供的共形液晶光学相控阵天线波控原理示意图；
图3为本发明实施例三提供的共形液晶光学相控阵光学装置的结构示意图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图1-3对本发明内容进一步阐释。
实施例一
如图1所示为本发明及实施例一提供的共形液晶光学相控阵天线的结构示意图，该共形液晶光学相控阵天线包括：相对设置且形状一致的弧形上基板21和弧形下基板27，上基板21面向下基板27的一侧形成有公共电极22，下基板21形成有公共电极22的这侧形成一层取向层23；下基板27面向上基板21的一侧形成有光栅阵列电极25，光栅阵列电极25之间形成有一定间隔，下基板27形成有光栅阵列电极25的这侧形成一层取向层26；取向层23与取向层26之间填充有液晶24。
需要注意的是：本发明中的上基板21和下基板27的弧形结构为本发明的一种特例。而共形概念上的相控阵，其基板的形状可以根据搭载天线的平台(如飞机、卫星等)的外形不同而改变。故此，本发明所述的共形液晶光学相控阵可以拓展至球面形状、圆锥面形状、椭球面形状、抛物面形状、多平面形状等等多种几何曲面结构。
上基板21与下基板27的材质为玻璃，图1中采用
Figure GDA0003101779230000031
进行表示。
实施例二
如图2所示，为一以圆弧形为特例的共形液晶光学相控阵，该器件能够实现共形的特性并达到大角度的波束扫描。为实现上述目的，本发明提供一种共形液晶光学相控阵的波控方法，该方法能够计算出各辐射单元的相移量和扫描角度的关系。
对共形液晶光学相控阵采用纯相位调制的方式，加载不同的量化电压产生一定的相移量△φ(△φ为液晶光学相控阵天线相邻相控单元的相位跃迁量)，使其出射波阵面为类似闪耀光栅的相位台阶。根据共形液晶相控阵的电压—相移曲线，可以得到每个单元上加载的电压。为此，需先求得各相控单元的相移值(△φ)i。
在图2中，以O为圆弧形液晶光学相控阵的圆心，R为半径。设该圆弧形液晶光学相控阵由2N+1个相控单元组成，孔径中心为第0个相控单元，第0个相控单元左右对称分布N个相控单元。假设将圆弧形液晶光学相控阵的圆心角Ω均匀划分为2N个角度，则各相控单元均为等间距分布且以间隔α沿圆周排列，α＝Ω/2N。若相邻单元的间距为d，则d约等于角度α所对应的圆弧长度，即d＝Rα。设每个单元均指向相同的扫描方向θs，以正中间的单元为参考相位，即(△φ)0＝0，则由图所示的几何关系可以推导出各单元的相对于第0个单元的相移值为
Figure GDA0003101779230000041
Figure GDA0003101779230000042
其中，θs为波束扫描角度，k为真空波数，R为圆形液晶相控阵半径，α为两单元之间所夹的圆心角，i为相控单元的位置。负号表示该相控单元位置位于波束扫描方向同侧，正号表示该相控单元位置位于波束扫描方向反侧。
其中，部分相控单元的相移值超前于第0个单元，而部分相控单元的相移值滞后于第 0个单元。为形成闪耀光栅的相位分布，将最小相移值的相控单元置为0，所有单元的相移值减去最小相移值，且保证一个光栅周期内的最大相位延迟值不超过2π。如此可以得到处理后的所有单元的相移值，再根据电压—相位曲线得到加载在各单元的电压分布。
实施例三
如图3所示为本发明实施例三提供的共形液晶光学相控阵装置的结构示意图，该共形液晶光学相控阵装置包括：激光器41，聚焦透镜42，共形液晶光学相控阵器件43，所述液晶光学相控阵天线采用上述实施例一中的共形液晶光学相控阵，相控阵的具体结构可参照实施例一，所述共形液晶光学相控阵的波控方法采用上述实施例二中的共形液晶光学相控阵波控方法，此处不再赘述。
本实施方式是基于共形液晶光学相控阵天线实现大角度光束偏转装置，激光器产生的入射光波为平面波，通过透镜将光束聚焦于透镜焦点，并在焦点处得到球面波，焦点位置位于所述圆弧形天线中心，如此可以获得对任意相控单元相位都一致的同相激励。在所述共形液晶光学相控阵天线的阵列电极上加载量化电压，实现纯相位调制，则波束通过所述共形液晶光学相控阵天线，能够实现入射光束的大角度扫描。
本发明针对现有液晶光学相控阵天线在天线口径和扫描角度方面的不足，实现液晶光学相控阵的共形及大角度扫描设计，满足空间激光通信对扫描范围和天线共形的需求。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种共形液晶光学相控阵的光学装置，其特征在于，包括：激光器、聚焦透镜和共形液晶光学相控阵天线；所述共形液晶光学相控阵天线中心的激励源为球面波，该激励源满足对各辐射单元一致的同相位激励；在所述光栅阵列电极上加载对应的量化电压，产生一定的相移量△φ，使其出射波阵面为闪耀光栅的相位台阶；所述共形液晶光学相控阵天线，包括：形状一致的弧形上基板和弧形下基板，以及夹在弧形上基板和弧形下基板之间的液晶；
量化电压的求解过程为：通过计算出各辐射单元的相移量和扫描角度的关系，得到所要加载在光栅阵列电极上的量化电压；
所述相移量计算过程为：
以O为圆弧形共形液晶光学相控阵天线的圆心，R为半径，设该圆弧形共形液晶光学相控阵天线由2N+1个相控单元组成，孔径中心为第0个相控单元，在第0个相控单元左右对称分布N个相控单元；各相控单元沿圆弧等间隔排列，相邻两个相控单元中心点与圆心O连线的夹角α相等，相邻两个相控阵单元中心点的距离d相等，每个相控单元均指向相同的扫描方向θs，以第0个相控单元为参考相位，即第0个相控单元的相控单元相移量(△φ)0＝0，则各相控阵单元的相对于第0个单元的相移值为：
Figure FDA0003101779220000011
Figure FDA0003101779220000012
其中，k为真空波数，i为相控单元的位置，负号表示该相控单元位置位于波束扫描方向同侧，正号表示该相控单元位置位于波束扫描方向反侧。
2.根据权利要求1所述的一种共形液晶光学相控阵的光学装置，其特征在于，所述上基板和下基板上均包含有取向层和电极层。
3.根据权利要求2所述的一种共形液晶光学相控阵的光学装置，其特征在于，所述上基板的电极层为公共电极。
4.根据权利要求3所述的一种共形液晶光学相控阵的光学装置，其特征在于，所述下基板的电极层为光栅阵列电极。
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