CN113594690B - 一种液晶相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种液晶相控阵天线，包括：波导腔体(1)和设置于其上的多组天线单元(21、22、23)，在波导腔体(1)内形成有多个波导腔(11)；多组天线单元(21、22、23)包括：第一电极层(21)、设置在所述第一电极层(21)下面的液晶层(22)以及设置在所述液晶层(22)下面的第二电极层(23)，第一电极层(21)包括多组左右手电极对(211)以及与多组左右手电极对(211)相对应且电连接的偏置线(212)，第二电极层(23)形成为多组与每组左右手电极对(211)位置相对应且构成谐振结构的金属缝隙(231)。本申请在同样的空间内可以布局更多的天线单元，实现相位更精确可选，提升天线系统整体效率的效果。

Description

一种液晶相控阵天线

技术领域

本发明涉及无线通信的技术领域，尤其涉及一种液晶相控阵天线。

背景技术

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，全息相控阵天线作为相控阵天线技术的一种实现方式，与传统独立移相单元相控阵天线相比具有集成度高、尺寸小和极化隔离度高的技术特点。

现有授权公告号为CN112397894A的一种可调多极化多波束馈源系统，包括：馈源；以及多个极化调节单元，多个所述极化调节单元的一端均与所述馈源连接，以将多路信号输入所述馈源；多条传输线，多条所述传输线分别与多个所述极化调节单元的另一端一一对应连接，以传输所述多路信号；多个辐射单元，均与所述传输线连接；控制单元，与所述馈源、所述传输线和所述辐射单元连接，用于调节多个所述极化调节单元的通断状态，所述极化调节单元和所述控制开关为PIN二极管、可变电容二极管、CMOS(Complementary MetalOxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)和电压控制电容特性或开关特性的液晶全息结构中的一种。

上述方案种由于采用基于PIN二极管、CMOS、MEMS等开关型电路导致其控制器件过多进而引入了复杂的控制结构及系统，使得全息液晶相控阵天线的辐射单元尺寸较大、相位离散度高，导致全息相控阵天线的波束控制不够精确，系统效率低，无法实现全息相控阵波束的精确可调。

发明内容

（一）发明目的

本申请的目的是提供一种液晶相控阵天线，为解决现有的全息相控阵天线存在辐射单元尺寸较大、波束控制不够精确且系统效率低的问题，通过金属缝隙和左右手电极对形成小型化天线单元，使得在同样的空间内布局更多的天线单元，实现相位更精确可选，利用天线单元辐射效率在液晶分子偏转前后差异明显的技术特点，进一步提升天线系统的整体效率。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本申请的第一方面提供了一种液晶相控阵天线，其特征在于，包括：波导腔体1，其内形成有多个波导腔11；多组天线单元，设置于波导腔体1上，其包括：第一电极层21，包括多组左右手电极对211以及与多组左右手电极对211相对应且电连接的偏置线212；液晶层22，设置在所述第一电极层21下面；第二电极层23，设置在所述液晶层22下面，形成为多组与每组左右手电极对211位置相对应且构成谐振结构的金属缝隙231。

通过采用上述技术方案，左右手电极对与其位于正下方的金属缝隙构成一个小型化的天线单元，采用小型化的天线单元可以实现单元低间距放置，拓展液晶相控阵天线的可选相位数，实现相位更精确可选；结合根据波导传输相位，通过控制特定位置处左右手电极对上偏置线的电压，从而实现控制液晶分子偏转状态，实现金属缝隙处在工作频点处的谐振状态，选择出可以辐射的有效天线单元，进而实现特定相位需求条件下的天线单元辐射，最终实现天线阵列的相控阵特性。

优选的，每组所述天线单元形成在对应的每个所述波导腔11内，每个所述波导腔11与每组金属缝隙231对应并配合进行信号传输。

优选的，每组所述左右手电极对211包括至少两个同心且依次反向开口设置的双C形电极。

优选的，多组所述天线单元21、22、23在波导腔11内形成双极化天线系统，所述双极化天线系统包括依次交替分布的垂直极化式左右手结构单元5和水平极化式左右手结构单元6。

优选的，所述垂直极化式左右手结构单元在波导腔11内上采用纵向平行排布，所述水平极化式左右手结构单元在波导腔11内采用横向平行排布。

通过采用上述技术方案，采用垂直极化式左右手结构单元和水平极化式左右手结构单元依次交替分布，使得在波导腔内可以布局更多的左右手电极对单元数目，从而使得接受和发射信号的左右手电极对单元数目增多，由此来达到实现最大辐射特性。

优选的，所述水平极化式左右手结构单元中的多组左右手电极对211在波导腔11内排列成多行，相邻两行之间的左右手电极对211相互错开分布。

优选的，所述偏置线212在靠近左右手电极对211的位置上设置有用于减少其漏电流的偏置结2121。

通过采用上述技术方案，偏置结的设置可以减少偏置线的漏电流。

优选的，所述偏置结的外形采用细长三角形或扇形或条形。

通过采用上述技术方案，细长三角形或扇形或条形结构的偏置结相对带宽较宽，可以有效阻止有用信号通过偏置线路泄露，也可以阻止控制电源的杂波进入传输线路。

优选的，所述第一电极层21远离所述液晶层22的一侧设置有第一基板3，所述第一基板3形成在波导腔11外；所述第二电极层23远离所述液晶层22的一侧设置有第二基板4，所述第二基板4形成在每个波导腔11内。

优选的，所述第二电极层23为金属地板层，所述金属地板层沉积于所述第二基板4上；金属缝隙231刻蚀于金属地板层背离第二基板4的一侧上。

优选的，所述波导腔体上还设置有扼流槽，所述扼流槽位于相邻的两个所述波导腔之间；所述扼流槽的槽口贴合于第一基板靠近第二基板的一侧。

通过采用上述技术方案：扼流槽用于防止位于波导腔内的极化波在波导间的串扰。

优选的，所述扼流槽的开口形成为贴合第一基板。

优选的，所述第一基板采用一体式基板或分体式基板。

（三）有益效果

本申请的上述技术方案具有如下有益的技术效果：通过设置包含有左右手电极对的具有高集成度的小型化天线单元，既能实现大幅缩小天线单元尺寸的技术效果，也能根据需要在同一空间内布置更多的天线单元，天线单元之间的间距小，数目增多，由此可以选择的有效相位多，进而实现相位精确可调的技术效果；此外，本申请在第一电极层和第二电极层加电压的情况下，液晶层中的液晶谐振点会发生偏移，偏移前后的位置相对明显，由此使得小型化天线单元的辐射效率在液晶分子偏转前后差异明显，因此能够实现单元辐射或通路更为优化的选择，从而进一步提升本申请的整体效率。

附图说明

图1是本发明优选实施例的全剖结构示意图；

图2是本发明优选实施例的结构示意图；

图3是本发明优选实施例的竖向截面示意图；

图4是本发明优选实施例中显示不同形状的偏置结在偏置线上的结构示意图。

附图标记：

1、波导腔体；11、波导腔；12、扼流槽；21、第一电极层；211、左右手电极对；212、偏置线；2121、偏置结；22、液晶层；23、第二电极层；231、金属缝隙；3、第一基板；4、第二基板；5、垂直极化式左右手结构单元；6、水平极化式左右手结构单元。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。

图1是本发明优选实施例的全剖结构示意图。

第一实施方式：

如图1所示，本实施方式提供了一种液晶相控阵天线，包括移除顶部金属面的波导腔体1和多组天线单元，所述波导腔体1中设置有多个波导腔11，多个波导腔11间隔排列且与多组天线单元位置以及数量均一一对应设置。

图2是本发明优选实施例的结构示意图；

图3是本发明优选实施例的竖向截面示意图；

图4是本发明优选实施例中显示不同形状的偏置结在偏置线上的结构示意图。

如图2、3所示，天线单元包括依次设置且相互接触的第一电极层21、液晶层22以及第二电极层23，通过给第一电极层21和第二电极层23施加电压，可以改变液晶层22内的液晶分子的偏转力。第一电极层21包括多组左右手电极对211和多根偏置线212，多根偏置线212与多组左右手电极对211一一对应设置，左右手电极对211采用两个同心设置且反向开口的双C形结构，每一根偏置线212连接一组左右手电极对211。第二电极层23靠近液晶层22的一侧上开设有与多组左右手电极对211位置相对应的金属缝隙231，金属缝隙231与位于其正上方的单个左右手电极对211构成谐振结构。

如图1、3所示，第二电极层23位于波导腔11内，波导腔体1上的移除顶部金属面与每组金属缝隙231构成用于信号传输的完整波导腔，每组金属缝隙231中都含有多个缝隙，信号在波导腔11内传输时，如有缝隙会在缝隙处向外辐射能量。通过将第二电极层23设置于波导腔体1的波导腔11内，实现整体结构紧凑型排布的同时，减慢信号在波导腔11内部的传输速度，实现腔体小型化设计。同时若干小型化左右手结构能够实现各个单元之间的低间距放置，进一步拓展全息液晶相控阵天线的可选相位数。

可选的，如图1、3所示，第一电极层21远离液晶层22的一侧设置有第一基板3，第二电极层23远离液晶层22的一侧设置有第二基板4，第一基板3和第二基板4使用材质包括但不限于玻璃材质平板、石英材质平板、陶瓷片、硅基晶圆片、PCB板材和其他高分子材料的板材例如PET、PI、LCP板等，还可以采用一些前沿柔性产品的电极基板衬底，例如PET、PMMA、PI和柔性玻璃等卷料基板，在本申请文件中以选用玻璃材质为例进行说明。

如图1、图2所示，第一基板3形成在波导腔11外并且贴合于波导腔体1的顶部，左右手电极对211设置于第一基板3靠近液晶层22的一侧上且与波导腔体1上的波导腔11相对设置。第二基板4形成在每个波导腔11内。

可选的，位于第一基板3上的多组左右手电极对211与位于第二电极层23上的金属缝隙231形成双极化天线系统，以实现全息液晶相控阵天线的双极化特性，双极化天线系统能够在实现最大辐射特性的同时增加左右手电极对211单元数目，双极化天线系统是一种新型天线技术，组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线并同时工作在收发双工模式，能够接收两种极化的信号，使用双极化天线系统能够节省单个定向基站的天线数量，在移动通信网络中具有电调谐天线的优点。

双极化天线系统包括依次交替分布的垂直极化式左右手结构单元5和水平极化式左右手结构单元6，垂直极化式左右手结构单元5中的左右手电极对211在第一基板3上采用纵向设置且沿水平方向依次排布，金属缝隙231水平设置且沿纵向方向依次排布，左右手电极对211在第二电极层23上的投影与金属缝隙231相交设置。

水平极化式左右手结构单元6中的左右手电极对211在第一基板3上采用横向设置且沿水平方向依次排布，金属缝隙231纵向设置且沿水平方向依次排布，左右手电极对211在第二电极层23上的投影与金属缝隙231相交设置。多组左右手电极对211在第一基板3上排列成两行，两行之间的左右手电极对211)上下交叉排布。通过该排布方式在空间上可以增加左右手结构单元数目，实现最大辐射特性的同时增加辐射效率。

垂直极化式左右手结构单元5和水平极化式左右手结构单元6的数目及间隔用于控制双极化全息液晶相控阵天线的相位中心，在一个具体的实施例中，为了便于理解，具体的为在A极化周围布置四个角度的B极化，在极化的时候，B极化的中心便会与A极化的中心相重合，由此实现相位中心。

在垂直极化式左右手结构单元5中左右手电极对211和偏置线212之间依次交替分布，每一根偏置线212单独与每一组左右手电极对211导通并进行控制，将偏置线212设置在两个左右手电极对211之间在加电的时候电场由中心向两边扩散，比较均匀。波导腔体1在波导腔11的位置处对加载偏置线212的地方做避让，左右手电极对211单元能够通过调节与偏置线212之间的电压实现谐振控制, 左右手电极对211的双C形开口结构本身为左右手结构，以及由电感和电容构成，通过改变液晶分子偏转状态，改变相对介电常数后，左右手结构中的电容值会发生改变，进而实现调谐。同时还具有较高的开关隔离度，通/断的中间状态能够实现辐射幅度的精确可调，进而实现全息液晶相控阵天线零深及旁瓣位置的控制。偏置线212加电后，左右手电极对211正下方液晶分子发生偏转，液晶介电常数发生改变，天线单元的谐振频点随之发生改变，进而控制该天线单元在所需工作频点是否辐射。

如图2、4所示，可选的，偏置线212上在靠近左右手电极对211的位置处连接有偏置结2121，偏置结2121可以减少偏置线的漏电流。偏置结2121可以采用细长三角形或扇形或条形。此类型结构相对带宽较宽，可以有效阻止有用信号通过偏置线路泄露，也可以阻止控制电源的杂波进入传输线路。在本申请实施例中以扇形结构的偏置结2121为例进行说明，偏置结2121相当于和第二电极层23形成了大电容，偏置结2121和左右手电极对211结构之间的偏置线212有段区域是九十度，在九十度线处接一个大电容相当于左右手电极对211结构与偏置线212交点处处于开路状态（信号就不会泄露）。但同时也不会影响直流控制的电压传送至左右手电极对211结构处。

可选的，第二电极层23为金属地板层，金属地板层沉积于第二基板4靠近液晶层22的一侧上，金属缝隙231刻蚀于金属地板层靠近液晶层22的一侧上。

可选的，波导腔体1上还开设有扼流槽12，扼流槽12位于相邻的两个波导腔11之间，扼流槽12的开口形成为贴合第一基板3，扼流槽12用于防止两种极化波在波导间的串扰。

可选的，第一基板3采用一体式基板，一体式基板结构简单，便于整体排布。

本申请通过将左右手电极对211应用于全息液晶相控阵天线，根据波导传输相位并通过控制特定位置的左右手电极对211上的偏置线212电压，进而控制液晶分子偏转状态，以实现金属缝隙231的缝隙处在工作频点时的谐振状态，从而选择出辐射的有效天线单元，进而实现特定相位需求条件下的天线单元辐射，最终实现天线阵列的相控阵特性。

第二实施例

与第一实施例相似，所不同的是：第一基板3采用分体式基板，分体式基板可根据实际需要排布并可方便灵活地进行组装。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (11)

1.一种液晶相控阵天线，其特征在于，包括：

波导腔体(1)，其内形成有多个波导腔(11)；

多组天线单元，设置于波导腔体(1)上，其包括：

第一电极层(21)，包括多组左右手电极对(211)以及与多组左右手电极对(211)相对应且电连接的偏置线(212)；

液晶层(22)，设置在所述第一电极层(21)下面；

第二电极层(23)，设置在所述液晶层(22)下面，形成为多组与每组左右手电极对(211)位置相对应且构成谐振结构的金属缝隙(231)；

多组所述天线单元在波导腔(11)内形成双极化天线系统，所述双极化天线系统包括依次交替分布的垂直极化式左右手结构单元(5)和水平极化式左右手结构单元(6)；

在垂直极化式左右手结构单元（5）中左右手电极对（211）和偏置线（212）之间依次交替分布；

所述水平极化式左右手结构单元(6)中的多组左右手电极对(211)在波导腔(11)内排列成多行，相邻两行之间的左右手电极对(211)相互交叉分布。

2.根据权利要求1所述的天线，其中，

每组所述天线单元形成在对应的每个所述波导腔(11)内，每个所述波导腔(11)与每组金属缝隙(231)对应并配合进行信号传输。

3.根据权利要求1所述的天线，其中，

每组所述左右手电极对(211)包括至少两个同心且依次反向开口设置的双C形电极。

4.根据权利要求1所述的天线，其中，

所述垂直极化式左右手结构单元(5)在波导腔(11)内采用纵向平行排布，所述水平极化式左右手结构单元(6)在波导腔(11)内采用横向平行排布。

5.根据权利要求1所述的天线，其中，所述偏置线(212)在靠近左右手电极对(211)的位置上设置有用于减少其漏电流的偏置结(2121)。

6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，所述偏置结(2121)的外形采用细长三角形或扇形或条形。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的天线，其中，

所述第一电极层(21)远离所述液晶层(22)的一侧设置有第一基板(3)，所述第一基板(3)形成在波导腔(11)外；

所述第二电极层(23)远离所述液晶层(22)的一侧设置有第二基板(4)，所述第二基板(4)形成在每个波导腔(11)内。

8.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，

所述第二电极层(23)为金属地板层，所述金属地板层沉积于所述第二基板(4)上；

金属缝隙(231)刻蚀于金属地板层背离第二基板(4)的一侧上。

9.根据权利要求8所述的天线，其中，

所述波导腔体(1)上还设置有扼流槽(12)，所述扼流槽(12)位于相邻的两个所述波导腔(11)之间。

10.根据权利要求9所述的天线，其中，

所述扼流槽(12)的开口形成为贴合第一基板(3)。

11.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，所述第一基板(3)采用一体式基板或分体式基板。

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