CN114094338B - 基于液晶波导移相器的4×4太赫兹相控阵天线 - Google Patents

基于液晶波导移相器的4×4太赫兹相控阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于液晶波导移相器的4×4太赫兹相控阵天线，喇叭天线模块和一分十六功分器分别设置于所述液晶波导移相器模块的两侧，采用非辐射介质波导结构设计出易调控的液晶移相器，波导移相器再与喇叭天线单元紧密连接实现低损耗，同时利用现有波导一体化加工设计了低插入损耗、高隔离度的所述一分十六波导功分器，极大地降低了相控阵天线的成本，保证了太赫兹频段内的稳定介电性能，实现了小型化和电磁波的全绝缘传导。集成了液晶波导移相器结构、一分十六波导功分器、喇叭天线，兼具了液晶移相器体积小、重量轻、高频性的特点和喇叭天线优良的电性能，并利用波导功分器实现了低损耗和均匀分配。

Description

基于液晶波导移相器的4×4太赫兹相控阵天线
技术领域
本发明涉及相控阵天线技术领域，尤其涉及一种基于液晶波导移相器的4×4太赫兹相控阵天线。
背景技术
随着高分辨率成像雷达和宽带无线通信的发展，越来越多的人致力于研究太赫兹移相结构，其具有瞬时带宽大和高分辨率的优点。要克服的主要障碍是在太赫兹频率下遇到的高路径损耗。高增益天线可以补偿这种损失，但它们的主波束变得越来越窄。这需要波束偏转以调整发射机和接收机的空间失准或跟踪移动终端。相控阵天线可以提供高增益，并能够通过在每个天线元件之间提供不同的相移来引导其主波束，该相位差由可调谐移相器提供，可以根据天线单元的期望相位分布来调整其相移。
传统实现波束控制的相控阵天线多数是基于机械式波束控制器技术，然而其无法实现高分辨率的波束控制，且体积过于笨重，很难实现小型化。在相控阵天线的设计中，常用变容二极管，PIN二极管，微电子机械开关等作为数控移相器。但是，变容二极管在高频段的寄生特性比较严重，PIN二极管需要大量的微带匹配线，占用面积大；微电子机械开关需要精密的加工技术，因此实现难度大。因此，传统的相控阵天线难以满足小型化、高分辨率的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于液晶波导移相器的4×4太赫兹相控阵天线，旨在解决现有技术中传统的相控阵天线难以满足小型化、高分辨率的需求的问题。
为实现上述目的，本发明采用的一种基于液晶波导移相器的4×4太赫兹相控阵天线，包括喇叭天线模块、液晶波导移相器模块和一分十六功分器，所述喇叭天线模块和所述一分十六功分器分别设置于所述液晶波导移相器模块的两侧，所述液晶波导移相器模块包括四组垂直排列的液晶波导移相器单元，每组所述液晶波导移相器单元包括两个金属波导板、两个基板和四根介质条，每个所述金属波导板与对应的所述基板可拆卸连接，并位于对应的所述基板的远离所述介质条的侧面，四根所述介质条设置于两个所述基板之间，两个所述基板与所述介质条贴合的侧面均具有四个偏置电极，且每个所述偏置电极与对应的所述介质条的侧面贴合，每个所述介质条的内部具有五个均匀排布的液晶腔，每个所述液晶腔的内部填充有液晶。
所述液晶波导移相器单元采用两个所述金属波导板实现液晶介质条与偏置电极网络的紧凑设计。
其中，每个所述偏置电极包括四个电极本体和焊盘，四个所述电极本体和所述焊盘依次通过馈线连接，每个所述电极本体呈椭圆形，且每个所述电极本体具有多个均匀分布的凹槽。
使用四个所述电极本体来实现平行和正交的电场方向。
其中，所述喇叭天线模块包括金属托盘十六个喇叭天线，所述金属托盘与所述液晶波导移相器模块可拆卸连接，并位于所述液晶波导移相器模块的左侧面，十六个喇叭天线分别与对所述金属托盘的左端可拆卸连接，并分别位于对应的所述介质条的左端，每个所述喇叭天线通过所述金属托盘上的圆孔与对应的所述介质条连接。
所述一分十六功分器旨在实现低插入损耗、高隔离度、十六路功率均分。
其中，每个所述喇叭天线包括喇叭和底座，所述喇叭呈圆柱形，所述喇叭的上底面与所述底座固定连接，并位于所述底座的左侧，所述底座与所述金属托盘可拆卸连接，并位于所述金属托盘的左侧。
其中，所述一分十六功分器包括五个一分四功分器，其中四个所述一分四功分器垂直排列，且每个所述一分四功分器的输出端分别与对应的所述液晶波导移相器单元中的所述介质条键合，另一个所述一分四功分器的输出端分别与四个所述一分四功分器的输入端键合，且垂直于四个所述一分四功分器。
其中，每个所述一分四功分器包括两个第一波导功分器和第二波导功分器，两个第一波导功分器的输出端分别与对应的所述介质条的右端键合，两个所述第一波导功分器的输入端分别与所述第二波导功分器的输出端键合。
其中，每个所述第一波导功分器包括第一波导功分器本体和第一阻抗匹配器，所述第一波导功分器本体的输出端分别与对应的所述介质条的右端键合，所述第一波导功分器本体的输入端与所述第一阻抗匹配器的一端键合，所述第一阻抗匹配器的另一端与对应的所述第二波导功分器键合。
其中，每个所述第二波导功分器包括第二波导功分器本体、第二阻抗匹配器和输入端口，所述第二波导功分器本体的输入端分别与对应的所述第一阻抗匹配器键合，所述第二波导功分器本体的输入端通过第二阻抗匹配器与所述输入端口键合。
其中，所述第一波导功分器和所述第二波导功分器均为T形，T形的两个端口作为输出端，另一个端口作为输入端。
本发明的有益效果为：针对液晶材料在移相器中的应用与相控阵天线高性能需求，本发明提出的基于液晶波导移相器的4×4太赫兹相控阵天线与传统的相控阵相比，具有集成化、高增益、高分辨率、低功耗、低成本等优势。采用非辐射介质波导结构设计出易调控的液晶移相器，波导移相器再与喇叭天线单元紧密连接实现低损耗，同时利用现有波导一体化加工设计了低插入损耗、高隔离度的所述一分十六波导功分器，极大地降低了相控阵天线的成本，保证了太赫兹频段内的稳定介电性能，实现了小型化和电磁波的全绝缘传导。本发明集成了液晶波导移相器结构、一分十六波导功分器、喇叭天线，兼具了液晶移相器体积小、重量轻、高频性的特点和喇叭天线优良的电性能，并利用波导功分器实现了低损耗和均匀分配。本发明所提出的基于液晶波导移相器的太赫兹相控阵天线具有小型化、高增益、低损耗、低成本等优势，拓宽了相控阵天线在无线通信领域的应用范围。
附图说明
为了更清楚地说明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是本发明的基于液晶波导移相器的4×4太赫兹相控阵天线的结构示意图。
图2是本发明的液晶波导移相器单元的结构示意图。
图3是本发明的偏置电极网络的结构示意图。
图4是本发明的介质条的结构示意图。
图5是本发明的液晶波导移相器单元的结构示意图。
图6是本发明的液晶波导移相单元的电场分布的示意图。
图7是本发明的喇叭天线的结构示意图。
图8是本发明的一分四功分器的结构示意图。
图9是本发明的一分十六功分器的结构示意图。
1-喇叭天线模块、2-液晶波导移相器模块、3-一分十六功分器、4-液晶波导移相器单元、5-金属波导板、6-基板、7-介质条、8-偏置电极、9-液晶腔、10-电极本体、11-焊盘、12-馈线、13-凹槽、14-输入端口、15-金属托盘、16-喇叭天线、17-喇叭、18-底座、19-一分四功分器、20-第一波导功分器、21-第二波导功分器、22-第一波导功分器本体、23-第一阻抗匹配器、24-第二波导功分器本体、25-第二阻抗匹配器。
具体实施方式
下面详细描述发明的实施例，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，旨在用于解释发明，而不能理解为对发明的限制。
在发明的描述中，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，因此不能理解为对发明的限制。此外，在发明的描述中，“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9，本发明提供了一种基于液晶波导移相器的4×4太赫兹相控阵天线，包括喇叭天线16模块1、液晶波导移相器模块2和一分十六功分器3，所述喇叭天线16模块1和所述一分十六功分器3分别设置于所述液晶波导移相器模块2的两侧，所述液晶波导移相器模块2包括四组垂直排列的液晶波导移相器单元4，每组所述液晶波导移相器单元4包括两个金属波导板5、两个基板6和四根介质条7，每个所述金属波导板5与对应的所述基板6可拆卸连接，并位于对应的所述基板6的远离所述介质条7的侧面，四根所述介质条7设置于两个所述基板6之间，两个所述基板6与所述介质条7贴合的侧面均具有四个偏置电极8，且每个所述偏置电极8与对应的所述介质条7的侧面贴合，每个所述介质条7的内部具有五个均匀排布的液晶腔9，每个所述液晶腔9的内部填充有液晶。
进一步地，每个所述偏置电极8包括四个电极本体10和焊盘11，四个所述电极本体10和所述焊盘11依次通过馈线12连接，每个所述电极本体10呈椭圆形，且每个所述电极本体10具有多个均匀分布的凹槽13。
进一步地，所述喇叭天线16模块1包括金属托盘15十六个喇叭天线16，所述金属托盘15与所述液晶波导移相器模块2可拆卸连接，并位于所述液晶波导移相器模块2的左侧面，十六个喇叭天线16分别与对所述金属托盘15的左端可拆卸连接，并分别位于对应的所述介质条7的左端，每个所述喇叭天线16进一步地，每个所述喇叭天线16包括喇叭17和底座18，所述喇叭17呈圆柱形，所述喇叭17的上底面与所述底座18固定连接，并位于所述底座18的左侧，所述底座18与所述金属托盘15可拆卸连接，并位于所述金属托盘15的左侧。
进一步地，所述一分十六功分器3包括五个一分四功分器19，其中四个所述一分四功分器19垂直排列，且每个所述一分四功分器19的输出端分别与对应的所述液晶波导移相器单元4中的所述介质条7键合，另一个所述一分四功分器19的输出端分别与四个所述一分四功分器19的输入端键合，且垂直于四个所述一分四功分器19。
进一步地，每个所述一分四功分器19包括两个第一波导功分器20和第二波导功分器21，两个第一波导功分器20的输出端分别与对应的所述介质条7的右端键合，两个所述第一波导功分器20的输入端分别与所述第二波导功分器21的输出端键合。
进一步地，每个所述第一波导功分器20包括第一波导功分器本体22和第一阻抗匹配器23，所述第一波导功分器本体22的输出端分别与对应的所述介质条7的右端键合，所述第一波导功分器本体22的输入端与所述第一阻抗匹配器23的一端键合，所述第一阻抗匹配器23的另一端与对应的所述第二波导功分器21键合。
进一步地，每个所述第二波导功分器21包括第二波导功分器本体24、第二阻抗匹配器25和输入端口14，所述第二波导功分器本体24的输入端分别与对应的所述第一阻抗匹配器23键合，所述第二波导功分器本体24的输入端通过第二阻抗匹配器25与所述输入端口14键合。
进一步地，所述第一波导功分器20和所述第二波导功分器21均为T形，T形的两个端口作为输出端，另一个端口作为输入端。
具体的，所述液晶波导移相器单元4采用两个所述金属波导板5实现液晶介质条7与偏置电极网络的紧凑设计。所述液晶波导移相器单元4整体尺寸为20mm×30mm×4.5mm，所述金属波导板5对所述介质条7和偏置电极网络的空间进行挖槽处理以便包裹。上下两个所述基板6以及上下所述金属波导板5通过螺丝进行固定，所述液晶波导移相器单元4的结构如图2所示，所述基板6采用FR-4基板6，其厚度为0.5mm，两板间隔1mm，所述金属波导板5厚度为4.5mm。
液晶偏置场旨在构建一个可控电场实现液晶分子的偏转从而达到液晶介电常数改变的目的。一方面，需要保证在施加电压后液晶偏置场能实现场内电场精准可控；另一方面，应最大程度地减小对横穿偏置场的电磁波产生的干扰。综合考虑上述两个因素，使用四个所述电极本体10来实现平行和正交的电场方向，设计了如图3所示的偏置电极网络。
由于所述偏置电极8被放置在非辐射介质波导内，传播的电磁波耦合到偏置电极8中，造成严重影响传播的谐振和泄漏，进而传输效率降低，因此它们对传播射频模式的影响必须最小化。对于简单的直偏置线，寄生模式被激发。为了避免这种情况，设计了一种使用全波模拟的模式抑制电极结构，通过仿真优化，得到实现最佳性能的形状——椭圆，并开槽，得到所述凹槽13，以进一步抑制共振。
所述基板6上的所述焊盘11使用低频连接线与外接电压源相连接，以提供偏置电压，所述焊盘11、所述馈线12、所述电极本体10均为厚度为0.035mm的金属贴片，并刻蚀在FR-4基板6上，上所述基板6的下侧和下所述基板6的上侧刻蚀的所述偏置电极8为旋转180°关系，以避免所述焊盘11位于同一方位，从而可能造成短路。
以Rexolite1422作为所述介质条7的材料，Rexolite介质条7尺寸为20mm×2mm×1mm，两端尺寸为3mm×1mm×0.5mm。Rexolite介质条7如图4所示，其中，五个间隔1mm尺寸为2mm×0.75mm×0.3mm的所述液晶腔9由液晶灌注液晶。鉴于Rexolite1422材料质地较脆弱，无法实现外界挖槽，故对Rexolite1422介质棒采用一体式分块打磨后粘接的办法实现液晶槽的获取。
对于液晶取向，外部偏置场是必要的，无论是电的还是磁的，液晶分子会沿着加载的偏置场对齐。所述液晶波导移相器单元4(非辐射介质波导)的结构如图5所示，上下两块所述金属波导板5中有两层间隔为1mm的FR-4基板6，FR-4基板6内侧刻蚀电极，整个非辐射介质波导移相器最中间是中心装有液晶的Rexolite介质条7。
根据偏置方案，使用电极来实现平行和正交的电场方向，所述液晶波导移相器单元4的电场分布如图6所示。当上层电极施加正电压，下层电极接地时，在基板6间形成正交方向的电场，电场强度与施加的正电压大小有关，当施加电压达到液晶的偏转阈值电压Von时，液晶分子开始偏转，当施加电压继续增大，直至最大电压Vmax时，液晶分子停止偏转，此时液晶介电常数不再变化，继续增大电压，已无用。通过电压数值变化，即可实现液晶介电常数的连续变化，进而实现连续可调的优良相移特性。
太赫兹电磁波在经过所述液晶波导移相器单元4后，需经天线辐射单元向外界进行发射。设计了一种圆口渐变结构的所述喇叭天线16，如图7所示，渐变结构可实现天线与空气阻抗的良好匹配，减小电磁波的反射，从而提高天线的辐射能力，拓宽波束。使得沿所述液晶波导移相器单元4行进的波从被束缚的状态逐渐转换为自由空间波并辐射出去。经仿真优化得到，所述喇叭天线16的所述底座18为正方形贴片，其尺寸为4mm×4mm，上底半径0.5mm，下底半径1mm，整个所述喇叭天线16的高度仅为3mm，每个所述喇叭天线16底部通过四个半径0.3mm的定位销孔固定在所述金属托盘15上，所述金属托盘15还开有半径0.5mm的16个圆孔，这些圆形孔即为所述喇叭天线16的馈源端。
功率分配器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，在该相控阵天线系统中的所述一分十六功分器3旨在实现低插入损耗、高隔离度、十六路功率均分。如果直接设计一路转十六路功分器需要分析与考虑的影响参数过多，所以本设计方案采用级联的方式，先设计性能指标优异的所述一分四功分器19，再级联形成所述一分十六功分器3。
首先设计了如图8所示的所述一分四功分器19，所述液晶波导移相器单元4具有极低的插入损耗，故以T型结波导功分器为基础设计，输入端与输出端的阻抗失配导致端口耦合严重，隔离度较低，在输入端引入阻抗匹配器有效提高了端口隔离度。在进行功分器级联时，利用弯曲波导口，将一级功分器弯折，实现了结构体积的缩减。最后再通过波导一体化加工，进一步控制了插入损耗。
输入端口14尺寸为0.5mm×1mm，能通过190GHz-290GHz的电磁波，所设计的所述一分十六波导功分器如图9示，其具有低插入损耗、高隔离度的优良性能，并能实现十六路功率均分的基本要求。
针对液晶材料在移相器中的应用与相控阵天线高性能需求，本发明提出的基于液晶波导移相器的4×4太赫兹相控阵天线与传统的相控阵相比，具有集成化、高增益、高分辨率、低功耗、低成本等优势。采用非辐射介质波导结构设计出易调控的液晶移相器，波导移相器再与喇叭天线单元紧密连接实现低损耗，同时利用现有波导一体化加工设计了低插入损耗、高隔离度的所述一分十六波导功分器，极大地降低了相控阵天线的成本，保证了太赫兹频段内的稳定介电性能，实现了小型化和电磁波的全绝缘传导。本发明集成了液晶波导移相器结构、一分十六波导功分器、喇叭天线，兼具了液晶移相器体积小、重量轻、高频性的特点和喇叭天线优良的电性能，并利用波导功分器实现了低损耗和均匀分配。本发明所提出的基于液晶波导移相器的太赫兹相控阵天线具有小型化、高增益、低损耗、低成本等优势，拓宽了相控阵天线在无线通信领域的应用范围。
以上所揭露的仅为发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定发明之权利范围，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 (9)

1.一种基于液晶波导移相器的4×4太赫兹相控阵天线，其特征在于，
包括喇叭天线模块、液晶波导移相器模块和一分十六功分器，所述喇叭天线模块和所述一分十六功分器分别设置于所述液晶波导移相器模块的两侧，所述液晶波导移相器模块包括四组垂直排列的液晶波导移相器单元，每组所述液晶波导移相器单元包括两个金属波导板、两个基板和四根介质条，每个所述金属波导板与对应的所述基板可拆卸连接，并位于对应的所述基板的远离所述介质条的侧面，四根所述介质条设置于两个所述基板之间，两个所述基板与所述介质条贴合的侧面均具有四个偏置电极，且每个所述偏置电极与对应的所述介质条的侧面贴合，每个所述介质条的内部具有五个均匀排布的液晶腔，每个所述液晶腔的内部填充有液晶。
2.如权利要求1所述的基于液晶波导移相器的4×4太赫兹相控阵天线，其特征在于，
每个所述偏置电极包括四个电极本体和焊盘，四个所述电极本体和所述焊盘依次通过馈线连接，每个所述电极本体呈椭圆形，且每个所述电极本体具有多个均匀分布的凹槽。
3.如权利要求2所述的基于液晶波导移相器的4×4太赫兹相控阵天线，其特征在于，
所述喇叭天线模块包括金属托盘和十六个喇叭天线，所述金属托盘与所述液晶波导移相器模块可拆卸连接，并位于所述液晶波导移相器模块的左侧面，十六个喇叭天线分别与对所述金属托盘的左端可拆卸连接，并分别位于对应的所述介质条的左端，每个所述喇叭天线通过所述金属托盘上的圆孔与对应的所述介质条连接。
4.如权利要求3所述的基于液晶波导移相器的4×4太赫兹相控阵天线，其特征在于，
每个所述喇叭天线包括喇叭和底座，所述喇叭呈圆柱形，所述喇叭的上底面与所述底座固定连接，并位于所述底座的左侧，所述底座与所述金属托盘可拆卸连接，并位于所述金属托盘的左侧。
5.如权利要求1所述的基于液晶波导移相器的4×4太赫兹相控阵天线，其特征在于，
所述一分十六功分器包括五个一分四功分器，其中四个所述一分四功分器垂直排列，且每个所述一分四功分器的输出端分别与对应的所述液晶波导移相器单元中的所述介质条键合，另一个所述一分四功分器的输出端分别与四个所述一分四功分器的输入端键合，且垂直于四个所述一分四功分器。
6.如权利要求5所述的基于液晶波导移相器的4×4太赫兹相控阵天线，其特征在于，
每个所述一分四功分器包括两个第一波导功分器和第二波导功分器，两个第一波导功分器的输出端分别与对应的所述介质条的右端键合，两个所述第一波导功分器的输入端分别与所述第二波导功分器的输出端键合。
7.如权利要求6所述的基于液晶波导移相器的4×4太赫兹相控阵天线，其特征在于，
每个所述第一波导功分器包括第一波导功分器本体和第一阻抗匹配器，所述第一波导功分器本体的输出端分别与对应的所述介质条的右端键合，所述第一波导功分器本体的输入端与所述第一阻抗匹配器的一端键合，所述第一阻抗匹配器的另一端与对应的所述第二波导功分器键合。
8.如权利要求7所述的基于液晶波导移相器的4×4太赫兹相控阵天线，其特征在于，
每个所述第二波导功分器包括第二波导功分器本体、第二阻抗匹配器和输入端口，所述第二波导功分器本体的输入端分别与对应的所述第一阻抗匹配器键合，所述第二波导功分器本体的输入端通过第二阻抗匹配器与所述输入端口键合。
9.如权利要求8所述的基于液晶波导移相器的4×4太赫兹相控阵天线，其特征在于，
所述第一波导功分器和所述第二波导功分器均为T形，T形的两个端口作为输出端，另一个端口作为输入端。
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