CN113540711B - 一种柱面螺旋式共形液晶移相器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天线技术领域，公开了一种柱面螺旋式共形液晶移相器，通过柱面螺旋式共形液晶移相器的内部结构从上至下依次设置有下层基板、接地金属层、液晶层、传输线和上层基板。本发明设计的柱面螺旋式共形液晶移相器可与柱面载体共形，进一步节省空间，并在12GHz‑20GHz的宽频带内实现覆盖360°相位连续可调功能，有效解决传统移相方式对于相位控制的精度不足及无法与载体共形的问题，满足共形相控阵天线的发展需求。

Description

一种柱面螺旋式共形液晶移相器

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种柱面螺旋式共形液晶移相器。

背景技术

目前现代电子信息技术的发展的对于相控阵天线的要求越来越高，作为相控阵天线的改进型，适合于飞机与舰船乃至可穿戴设备等需与载体表面贴合的共形相控阵天线正得到广泛研究。共形相控阵天线将平面结构的相控阵变为曲面结构，从而可与载体表面共形，并进行了薄型设计、降低了自身质量。与传统线阵、平面阵列相比，共形阵列有着自身独特的优越性能，共形天线扩大了波束扫描的范围；提高了天线安装的自由度；降低了雷达散射截面积，并可以安装在飞行器等的任意位置上，不改变载体飞行器的空气动力学性能，通过多数天线的综合控制可以同时处理多目标，瞬时进行大范围搜索和消除盲区等。

作为实现相控阵天线波束整合与波束扫描的关键器件，移相器可实现对信号到达辐射元时间差异的补偿，各个辐射单元所接收到的信号通过各自对应的移相器进行相位补偿，以便各个信号可以同相相加，从而使得波束指向预定角度。通过对各移相器相位补偿量的控制变化，可以实现天线波束扫描功能，进一步扩展天线应用价值。

基于传统平面相控阵的研究，在共形相控阵天线的辐射单元设计与波束控制算法等方面取得了一定的成果，但对于移相结构的设计少有人考虑，仍采用传统平面结构的移相方式。然而传统平面移相方式与共形设计理念相悖，难以进一步发挥共形相控阵天线的价值，因此需要采用新型材料设计一种可与载体表面共形的新型移相器，实现对现有共形相控阵天线的优化设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柱面螺旋式共形液晶移相器，旨在解决传统移相方式对于相位控制的精度不足及无法与载体共形，以及无法满足共形相控阵天线的发展需求的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的一种柱面螺旋式共形液晶移相器，所述柱面螺旋式共形液晶移相器呈柱面螺旋结构设置，所述柱面螺旋式共形液晶移相器的内部结构从上至下依次设置有下层基板、接地金属层、液晶层、传输线和上层基板，所述上层基板与所述液晶层上的液晶材料接触，所述传输线的电路刻蚀在所述上层基板的下表面。

其中，所述液晶层的可调谐性表现在谐振频率随着液晶材料介电常数的改变而改变。

其中，所述液晶层的调谐能力与材料特性及其介电常数变化范围相关。

其中，利用平行板电容器模拟所述液晶层对外加电场的响应，并根据所需移相量计算相应的移相器长度。

其中，所述柱面螺旋式共形液晶移相器通过调节电磁波传输过程中介质的有效介电常数改变电容值，进而改变传输过程中电磁波的相移常数。

其中，所述柱面螺旋式共形液晶移相器的最大相移量由移相器长度和介电常数的变化量共同决定。

本发明的一种柱面螺旋式共形液晶移相器，通过所述柱面螺旋式共形液晶移相器的内部结构从上至下依次设置有下层基板、接地金属层、液晶层、传输线和上层基板，其中传输线电路刻蚀在与液晶材料接触的所述上层基板下表面，能量从下端馈入，上端馈出。所述上层基板和所述下层基板之间承装所述液晶层，并通过所述接地金属层外加电压实现对液晶介电常数的控制，进而实现移相功能。本发明设计的所述柱面螺旋式共形液晶移相器可与柱面载体共形，进一步节省空间，并在12GHz-20GHz的宽频带内实现覆盖360°相位连续可调功能，有效解决传统移相方式对于相位控制的精度不足及无法与载体共形的问题，满足共形相控阵天线的发展需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的柱面螺旋式共形液晶移相器的侧视图。

图2是本发明的柱面螺旋式共形液晶移相器的俯视图。

图3是本发明的不同情况下液晶分子排布图。

图4是本发明仿真得到移相器的S参数的示意图。

图5是本发明移相器移相范围的示意图。

图6是本发明的1×4柱面螺旋液晶移相器结构示意图。

图7是本发明的优化后1×4移相器阵列S参数的示意图。

图8是本发明的移相器阵列移相量(a)、移相器(b)移相器(c)和移相器(d)的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1至图8，本发明提供了一种柱面螺旋式共形液晶移相器，所述柱面螺旋式共形液晶移相器呈柱面螺旋结构设置，所述柱面螺旋式共形液晶移相器的内部结构从上至下依次设置有下层基板、接地金属层、液晶层、传输线和上层基板，所述上层基板与所述液晶层上的液晶材料接触，所述传输线的电路刻蚀在所述上层基板的下表面。

在本实施方式中，通过所述柱面螺旋式共形液晶移相器的内部结构从上至下依次设置有下层基板、接地金属层、液晶层、传输线和上层基板，其中传输线电路刻蚀在与液晶材料接触的所述上层基板下表面，能量从下端馈入，上端馈出。所述上层基板和所述下层基板之间承装所述液晶层，并通过所述接地金属层外加电压实现对液晶介电常数的控制，进而实现移相功能。本发明设计的所述柱面螺旋式共形液晶移相器可与柱面载体共形，进一步节省空间，并在12GHz-20GHz的宽频带内实现覆盖360°相位连续可调功能，有效解决传统移相方式对于相位控制的精度不足及无法与载体共形的问题，满足共形相控阵天线的发展需求。

进一步地，所述液晶层的可调谐性表现在谐振频率随着液晶材料介电常数的改变而改变。

所述液晶层的调谐能力与材料特性及其介电常数变化量相关。

利用平行板电容器模拟所述液晶层对外加电场的响应，并根据所需移相量计算相应的移相器长度。

所述柱面螺旋式共形液晶移相器通过调节电磁波传输过程中介质的有效介电常数改变电容值，进而改变传输过程中电磁波的相移常数。

所述柱面螺旋式共形液晶移相器的最大相移量由移相器长度和介电常数的变化量共同决定。

所述液晶层调谐能力通过调谐力τ_LC和材料效率η_LC来表示，计算公式如下：

外加电场或磁场会使得液晶分子的轴向发生偏转，从而使得液晶材料的介电常数发生变化。通常，当外加电场与液晶分子长轴的一致时，所测得的液晶介电常数定义为ε_//；当外加电场与液晶分子长轴垂直时，所测得的介电常数定义为ε_⊥，而将二者的差Δε定义为介电各向异性。tanδ为材料的损耗正切值，max(tanδ)即材料最大损耗正切值。

平行板电容器两板正对部分存在匀强电场，以此保证平行板内的液晶指向在偏置状态下保持一致；

在正对的平行板电容器中，其电容值可用如下式子计算：

其中，C为电容值，ε为板间介质的介电常数，S为两板正对面积，d为两板间距，k为静电力常量。

所述液晶移相器工作的核心均是调节电磁波传输过程中介质的有效介电常数改变电容值，进而改变传输过程中电磁波的相移常数：

其中，β为相移常数，ω为角频率，L为传输线单位电感，C为两传输线单位电容值，μ为传输线材料磁导率，ε为传输线材料介电常数

β_||和β_⊥分别是液晶处于偏置和配向两种状态时的相移常数，当液晶的有效介电常数改变时产生的差分相移为：

β_||和β_⊥分别是液晶处于偏置和配向两种状态时的相移常数；当外加电场与液晶分子长轴的一致时，所测得的液晶介电常数定义为ε_//；当外加电场与液晶分子长轴垂直时，所测得的介电常数定义为ε_⊥；其中l对应着移相器的物理长度，c₀是光在真空中传播的速度。

在本实施方式中，其中所述柱面螺旋式共形液晶移相器的工作原理为：

由于所述液晶层的液晶材料具有介电各向异性，可以通过在外部施加电场或磁场改变其内部液晶分子的轴向，从而改变该材料的介电常数，所以其具备了可调谐性。具体来说，液晶材料的可调谐性表现在其作为介质基片时，谐振频率会随着液晶材料介电常数的改变而改变，这也是液晶材料可作为可调谐材料的基础。

对于液晶材料调谐能力的描述，一般可以通过调谐力τ_LC和材料效率η_LC来表示，计算公式如下：

可以用理想的平行板电容器模拟液晶移相器中液晶层对外加电场的响应，并根据所需移相量计算相应的移相器长度。

理想条件下，在平行板电容器两板正对部分存在匀强电场，可以保证平行板内的液晶指向在偏置状态下保持一致。在正对的平行板电容器中，其电容值可用如下式子计算：

液晶移相器工作的核心均是调节电磁波传输过程中介质的有效介电常数改变电容值，进而改变传输过程中电磁波的相移常数：

β_||和β_⊥分别是液晶处于偏置和配向两种状态时的相移常数，当液晶的有效介电常数改变时产生的差分相移为：

其中l对应着移相器的物理长度，c₀是光在真空中传播的速度。移相器的最大相移量由移相器长度和介电常数的变化量这两个参数共同决定。

柱面螺旋结构参数方程如下：

x＝r cos(θ) (6)

y＝r sin(θ) (7)

z＝bθ (8)

其中，x,y,z为图形坐标，θ为角度变量，范围为0-2π。

其中r为所共形柱面的半径，b为螺旋线每圈上升距离。内部结构由下到上可大致分为：下层基板、接地金属层、液晶层、传输线和上层基板。其中所述传输线电路刻蚀在与液晶材料接触的上层基板下表面，能量从下端馈入，上端馈出。所述上层基板和所述下基层板之间承装所述液晶层，并通过所述接地金属层外加电压实现对液晶介电常数的控制，进而实现移相功能。

经由仿真得到该移相器的S参数如图4所示：

可以看到在12GHz-18GHz范围内该移相器S₁₁均低于-10dB，S₂₁均高于-5dB，且曲线较为平稳。

其移相量变化如下图5所示：

可看到在液晶层介电常数在2.5到3.3的变化范围内，其移相量随频率逐渐上升，在12GHz处移相范围超过360°。在所设计的工作频率15GHz下，移相范围可达794°，远超360°的移相要求。

对于移相器阵列设计，

基于所设计的移相器结构，设计了1×4的移相器阵列以验证其应用于共形相控阵天线的可能性。仿真模型图如图6所示：

移相器间距取14mm，再结合其他优化参数仿真后的结果如图7所示。

此时各移相器的移相量如图8所示，可以看到，在15GHz时，液晶介电常数由2.5至3.3的变化范围内，移相量均大于360°，满足移相器要求。

综上，针对共形相控阵天线设计了一种基于液晶材料的新型柱面螺旋式移相器，设计工作频率为15GHz。仿真表明该移相器在介电常数2.5至3.3的变化范围内可实现远高于360°的移相量。并基于改移相器进行了1x4的移相器阵列仿真，经过优化后可实现14GHz-16GHz范围内S11<-10dB，S21>-6dB，且各阵元移相量均大于360°，可进一步应用于共形相控阵天线。

针对现有常用移相器有PIN二极管移相器、铁氧体移相器、微机电(MEMS)移相器等，其缺点是移相控制精度不高，难以实现连续可调，从而影响相控阵天线阵列性能。其次是由于其材料限制，难以实现与曲面的共形设计，影响了共形相控阵的设计与优化。

针对共形相控阵移相控制与共形设计的需求，对于常见的柱面共形场景，本发明提出的柱面螺旋式共形液晶移相器，可实现相位连续可调，同时由于材料本身具有一定的流动性，易于实现曲面共形设计，可以拓展共形相控阵天线设计的方案与思路。

综上，基于液晶材料的新型柱面螺旋式共形液晶移相器，符合新材料、新技术、新工艺实现性能优良的发展趋势，增大共形相控阵天线的设计与应用范围。

因此，本发明提供的一种柱面螺旋式共形液晶移相器，与传统移相器结构相比，具有相位连续可调、可与柱面共形、节省空间占用等优点，进一步扩展了共形相控阵天线的设计方案与应用方式。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种柱面螺旋式共形液晶移相器，其特征在于，

所述柱面螺旋式共形液晶移相器呈柱面螺旋结构设置，所述柱面螺旋式共形液晶移相器的内部结构从上至下依次设置有下层基板、接地金属层、液晶层、传输线和上层基板，所述上层基板与所述液晶层上的液晶材料接触，所述传输线的电路刻蚀在所述上层基板的下表面；

所述液晶层的可调谐性表现在谐振频率随着液晶材料介电常数的改变而改变；

所述液晶层的调谐能力与材料特性及其介电常数变化量相关；

所述液晶层调谐能力通过调谐力τ_LC和材料效率η_LC来表示，计算公式如下：

外加电场或磁场会使得液晶分子的轴向发生偏转，从而使得液晶材料的介电常数发生变化；通常，当外加电场与液晶分子长轴的一致时，所测得的液晶介电常数定义为ε_//；当外加电场与液晶分子长轴垂直时，所测得的介电常数定义为ε_⊥，而将二者的差Δε定义为介电各向异性；tanδ为材料的损耗正切值，max(tanδ)即材料最大损耗正切值；

平行板电容器两板正对部分存在匀强电场，以此保证平行板内的液晶指向在偏置状态下保持一致；

在正对的平行板电容器中，其电容值可用如下式子计算：

其中，C为电容值，ε为板间介质的介电常数，S为两板正对面积，d为两板间距，k为静电力常量；

所述柱面螺旋式共形液晶移相器是调节电磁波传输过程中介质的有效介电常数改变电容值，进而改变传输过程中电磁波的相移常数：

其中，β为相移常数，ω为角频率，L为传输线单位电感，C为两传输线单位电容值，μ为传输线材料磁导率，ε为传输线材料介电常数；

β_||和β_⊥分别是液晶处于偏置和配向两种状态时的相移常数，当液晶的有效介电常数改变时产生的差分相移为：

β_||和β_⊥分别是液晶处于偏置和配向两种状态时的相移常数；当外加电场与液晶分子长轴的一致时，所测得的液晶介电常数定义为ε_//；当外加电场与液晶分子长轴垂直时，所测得的介电常数定义为ε_⊥；其中l对应着移相器的物理长度，c₀是光在真空中传播的速度。

2.如权利要求1所述的柱面螺旋式共形液晶移相器，其特征在于，

利用平行板电容器模拟所述液晶层对外加电场的响应，并根据所需移相量计算相应的移相器长度。

3.如权利要求1所述的柱面螺旋式共形液晶移相器，其特征在于，

所述柱面螺旋式共形液晶移相器通过调节电磁波传输过程中介质的有效介电常数改变电容值，进而改变传输过程中电磁波的相移常数。

4.如权利要求1所述的柱面螺旋式共形液晶移相器，其特征在于，

所述柱面螺旋式共形液晶移相器的最大相移量由移相器长度和介电常数的变化量共同决定。

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