CN112436246B - 一种基于双稳态液晶的可编码天线移相单元 - Google Patents

一种基于双稳态液晶的可编码天线移相单元 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双稳态液晶的可编码天线移相单元，包括PC上位机、FPGA可编程门阵列、微波信号发射机、双稳态液晶微波移相器和同轴电缆；PC上位机用于给FPGA可编程门阵列发送加载在双稳态液晶微波移相器上的电压代码；FPGA可编程门阵列用于将电压代码转换成电压并输出在双稳态液晶微波移相器的电极上；微波信号发射机用于产生进行移相处理的微波信号；双稳态液晶微波移相器用于通过加载不同的电极电压从而影响液晶介电常数导致微波信号发生改变。本发明使用双稳态液晶材料设计的可编码天线移相单元可以在工作时去除驱动电路，在天线的工作状态需要改变时可重新加上驱动电路改变天线的工作状态，能够减少天线的能耗。

Description

一种基于双稳态液晶的可编码天线移相单元
技术领域
本发明属于液晶微波天线技术、液晶微波器件技术领域，特别涉及一种基于双稳态液晶的可编码天线移相单元。
背景技术
微波移相器(Microwave Phase Shifter)是相控阵雷达、卫星通信的核心部件，是指能改变电磁波相位的装置，现代天线技术中，移相器是影响天线系统性能的最重要的组件之一，它在数字微波通信及相控阵雷达等无线电系统中有着广泛的应用。液晶移相器相较于其他类型如铁氧体、二极管等移相器的优势在于：液晶移相器轻便、小型化、功率较低且信号损耗较小；易于制作并且成本低廉；因为元件尺寸和易于控制，液晶微波移相器使整个系统的集成和可移植性及设备的结构强度得到提高，减少体积和质量。
在诸多天线雷达系统中，移相器占据的体积和能耗是很难降低的。以传统液晶微波相控阵来说，作为一种实时可编程微波波束控制器件，往往采用驱动电压低和相位调制深度大的向列相液晶作为相位调制的电光材料，使器件具有惯性小，精度高，捷变扫描和低SWaP(大小、重量和功耗)等优势。但由于向列型液晶微波相控阵器件的运行机理是通过加载在向列型液晶的两端电压来控制的，一旦撤电液晶就会在取向层的作用下恢复自由能最小的状态，因此在天线工作时必须有控制电路连接天线的移相单元，这部分的电路使得天线系统的集成性降低、小型化难度提高、工作能耗增大，在一些隐蔽性要求较高特定场景下不适用，红外隐身性能较差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种使用双稳态液晶材料设计的可编码天线移相单元可以在工作时去除驱动电路，在天线的工作状态需要改变时可重新加上驱动电路改变天线的工作状态，能够减少天线的能耗的基于双稳态液晶的可编码天线移相单元。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于双稳态液晶的可编码天线移相单元，包括PC上位机、FPGA可编程门阵列、微波信号发射机、双稳态液晶微波移相器和同轴电缆；
所述微波信号发射机发射的微波信号经过同轴电缆连接双稳态液晶微波移相器；
PC上位机用于给FPGA可编程门阵列发送加载在双稳态液晶微波移相器上的电压代码；所述FPGA可编程门阵列用于将电压代码转换成电压并输出在双稳态液晶微波移相器的电极上；微波信号发射机用于产生进行移相处理的微波信号；双稳态液晶微波移相器用于通过加载不同的电极电压从而影响液晶介电常数导致微波信号发生改变。
进一步地，所述FPGA可编程门阵列包括增益优化处理单元，以及由存储器、控制器和驱动器组成的波控器组件，PC上位机的输出信号通过增益优化处理单元分别连接存储器、控制器和驱动器。
进一步地，所述双稳态液晶微波移相器包括对称设置的玻璃基板、金属层、PI取向层，金属层位于玻璃基板与PI取向层之间，双稳态液晶材料和间隔子设置在两个PI取向层之间，共面波导、微带线和电极设置在金属层上，共面波导设置在微带线的两端。
进一步地，所述微波信号发射机发射的微波信号经过同轴电缆，通过焊接在共面波导上的SMA接头传入共面波导或者通过免焊连接器耦合在共面波导上后，由共面波导传递给微带线；PC端上位机根据需要改变的相位值查表将对应的电压数组传入给FPGA可编程门阵列，FPGA可编程门阵列作为移相器的驱动将电压加载在双稳态液晶微波移相器的电极上；由于液晶材料的双稳态特性，给电后液晶由平面态变为焦锥态，由于液晶的介电各向异性，此时给电的电极附近的介电常数由平面态时的ε平面态变为焦锥态时的ε焦锥态，其相移量
Figure BDA0002732535470000021
与微带线长l成正比，其中，f为微波的频率，c为光速。
进一步地，所述双稳态液晶微波移相器中包括多个依次连接的微带线，每个微带线分别对应设置一个电极，首尾两端的微带线末端分别与共面波导相连。
本发明的有益效果是：本发明使用双稳态液晶材料设计的可编码天线移相单元可以在工作时去除驱动电路，在天线的工作状态需要改变时可重新加上驱动电路改变天线的工作状态，能够减少天线的能耗，增强系统的集成化和小型化，在一些隐蔽性要求较高特定场景下更加适用。
附图说明
图1为本发明的可编码天线移相单元的结构图；
图2为本发明的双稳态液晶微波移相器的结构示意图；
图3为本发明双稳态液晶微波移相器俯视图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明的一种基于双稳态液晶的可编码天线移相单元，包括PC上位机、FPGA可编程门阵列、微波信号发射机、双稳态液晶微波移相器和多个同轴电缆；
所述微波信号发射机发射的微波信号经过同轴电缆连接双稳态液晶微波移相器；
PC上位机用于给FPGA可编程门阵列发送加载在双稳态液晶微波移相器上的电压代码；所述FPGA可编程门阵列用于将电压代码转换成电压并输出在双稳态液晶微波移相器的电极上；微波信号发射机用于产生进行移相处理的微波信号；双稳态液晶微波移相器用于通过加载不同的电极电压从而影响液晶介电常数导致微波信号发生改变。
进一步地，所述FPGA可编程门阵列包括增益优化处理单元，以及由存储器、控制器和驱动器组成的波控器组件，PC上位机的输出信号通过增益优化处理单元分别连接存储器、控制器和驱动器。
如图2所示，所述双稳态液晶微波移相器包括对称设置的玻璃基板、金属层、PI取向层，金属层位于玻璃基板与PI取向层之间，双稳态液晶材料和间隔子设置在两个PI取向层之间，微带线和电极设置在金属层上。
进一步地，所述微波信号发射机发射的微波信号经过同轴电缆，通过焊接在共面波导上的SMA接头传入共面波导或者通过免焊连接器耦合在共面波导上后，由共面波导传递给微带线；PC端上位机根据需要改变的相位值查表将对应的电压数组传入给FPGA可编程门阵列，FPGA可编程门阵列作为移相器的驱动将电压加载在双稳态液晶微波移相器的电极上；由于液晶材料的双稳态特性，给电后液晶由平面态变为焦锥态，由于液晶的介电各向异性，此时给电的电极附近的介电常数由平面态时的ε平面态变为焦锥态时的ε焦锥态，其相移量
Figure BDA0002732535470000031
与微带线长l成正比，其中，f为微波的频率，c为光速。所述双稳态液晶微波移相器中包括多个依次连接的微带线，每个微带线分别对应设置一个电极，首尾两端的微带线末端分别与共面波导相连。每个给电电极所对应的微带线长度不同，与二进制编码规则匹配。本实施例以八根电极为例，如图3所示。第一根电极所在的微带线长度为L，第二根电极所在的微带线长度为2L，第三根电极所在的微带线长度为4L，第四根电极所在的微带线长度为8L，以此类推，第八根电极所在的微带线长度为128L，这样编码式布置微带线可以减少器件的面积和电极数目。根据相移量确定所需要加电压的电极，加载电压后液晶的介电变为ε焦锥态。由于胆甾相液晶的双稳态特性此时撤电后液晶的介电参数仍会保持ε焦锥态不变。因此在天线工作时可以将控制电路脱离天线系统，天线仍然可以正常工作，脱离控制电路之后更加利于天线系统的小型化，在一些隐蔽性要求较高特定场景下更加适用。
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。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于双稳态液晶的可编码天线移相单元，其特征在于，包括PC上位机、FPGA可编程门阵列、微波信号发射机、双稳态液晶微波移相器和同轴电缆；
所述微波信号发射机发射的微波信号经过同轴电缆连接双稳态液晶微波移相器；
所述微波信号发射机发射的微波信号经过同轴电缆，通过焊接在共面波导上的SMA接头传入共面波导或者通过免焊连接器耦合在共面波导上后，由共面波导传递给微带线；PC端上位机根据需要改变的相位值查表将对应的电压数组传入给FPGA可编程门阵列，FPGA可编程门阵列作为移相器的驱动将电压加载在双稳态液晶微波移相器的电极上；由于液晶材料的双稳态特性，给电后液晶由平面态变为焦锥态，由于液晶的介电各向异性，此时给电的电极附近的介电常数由平面态时的ε平面态变为焦锥态时的ε焦锥态，其相移量
Figure FDA0003339451230000011
与微带线长l成正比，其中，f为微波的频率，c为光速；
PC上位机用于给FPGA可编程门阵列发送加载在双稳态液晶微波移相器上的电压代码；所述FPGA可编程门阵列用于将电压代码转换成电压并输出在双稳态液晶微波移相器的电极上；微波信号发射机用于产生进行移相处理的微波信号；双稳态液晶微波移相器用于通过加载不同的电极电压从而影响液晶介电常数导致微波信号发生改变。
2.根据权利要求1所述的一种基于双稳态液晶的可编码天线移相单元，其特征在于，所述FPGA可编程门阵列包括增益优化处理单元，以及由存储器、控制器和驱动器组成的波控器组件，PC上位机的输出信号通过增益优化处理单元分别连接存储器、控制器和驱动器。
3.根据权利要求1所述的一种基于双稳态液晶的可编码天线移相单元，其特征在于，所述双稳态液晶微波移相器包括对称设置的玻璃基板、金属层、PI取向层，金属层位于玻璃基板与PI取向层之间，双稳态液晶材料和间隔子设置在两个PI取向层之间，共面波导、微带线和电极设置在金属层上，共面波导设置在微带线的两端。
4.根据权利要求3所述的一种基于双稳态液晶的可编码天线移相单元，其特征在于，所述双稳态液晶微波移相器中包括多个依次连接的微带线，每个微带线分别对应设置一个电极，首尾两端的微带线末端分别与共面波导相连。
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