CN115036684B - 一种基于液晶的Ka波段二维波束扫描反射阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于液晶的Ka波段二维波束扫描反射阵天线，属于微波天线技术领域。本发明所述天线包括辐射结构和馈源结构，辐射结构包括辐射单元、液晶层、接地板、控制电路、偏置网络及射频直流隔离结构；控制电路由FPGA实现，通过偏置网络与辐射单元连接；射频直流隔离结构用于隔离直流与射频信号；馈源结构采用角锥喇叭作为馈源，通过阵列单元的相位补偿，形成指定方向的波束；利用多比特量化方法在满足相位补偿要求的同时降低了单元设计的难度，并设计了阵列的偏置线排布，加入了射频直流隔离设计，解决了液晶反射阵天线结构复杂、直流偏置信号导致器件效率降低、液晶层过厚响应时间过长的问题。

Description

一种基于液晶的Ka波段二维波束扫描反射阵天线
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种基于液晶的Ka波段二维波束扫描反射阵天线。
背景技术
随着信息技术的飞速发展，无线通信系统需要具备大容量、多功能以及超宽带等特性。在此需求下，可重构天线的概念被提出，即一副天线通过某种方式可以实现多个天线的特性。而在可重构天线当中，关注最多的是方向图可重构天线。方向图可重构天线具备波束扫描的能力，不仅可以减少通信系统中天线数量，也具有低成本、小型化的优点，并且可以适应更加复杂多变的应用环境。
现阶段的二维波束扫描天线主要是采用机械扫描或相控阵电扫的方式实现。相控阵天线具有良好的波束扫描能力，但是其馈电网络复杂，需要大量的移相器等设备，导致成本较高，并且其单元间距通常为半个波长，使得阵列面积很大。而近年来，随着人工电磁表面的发展，使得具有亚波长阵元间距的平面阵列天线成为了现实，反射阵列天线是反射面天线和相控阵天线的混合体，结合了上述两种天线的一些有利特性，同时减轻了它们的缺点。
现有平面反射阵天线波束扫描多通过加载电子调谐器件来实现的。电子调谐器件如PIN二极管开关等，通常适用于10GHz以下的频率范围，随着频率的升高，射频开关的损耗急剧增大；而且射频开关的可切换状态少，一般只适用于1bit或2bit相位量化，难以实现更高精度的相位量化。因此电子调谐技术难以应用毫米波、太赫兹等高频应用场景，也难以实现需要高精度相位量化的应用场景。由此可见，现有的波束扫描技术已难以满足现代通信系统对天线高频段、低损耗、高辐射性能等需求。而液晶材料这种普遍应用于光学显示器件的材料提供了另一种可行的技术方案。液晶作为一种可调材料设计理念，通过表面取向、施加电场或磁场可改变其分子指向，从而改变其介电常数。液晶材料与电子调谐器件相比，具有更低的插入损耗，且随着频率的升高，液晶材料介电损耗几乎保持不变，具备高频段低损耗优势，其应用范围跨越微波频段直至光频段。同时，液晶材料作为无源介质，密度小、质量轻，且具有较大的功率容量和良好的调谐性。
中国专利申请“一种反射阵天线及其设计方法”和“平面反射阵天线及其形成方法”公开了两种多谐振液晶反射阵单元结构，四臂阿基米德螺旋单元结构和液晶延迟线结构；现有技术“A Novel Electronically Controlled Two-Dimensional Terahertz Beam-Scanning Reflectarray Antenna Based on Liquid Crystals”采用双偶极子谐振结构以实现液晶反射阵；这些结构虽然拓展了带宽但偶极子结构和延迟线结构会增大单元的反射损耗，偶极子单元S11在-8dB以下，损耗较大。现有技术“The Design and Analysis ofElectronically Reconfigurable Liquid Crystal-Based Reflectarray Metasurfacefor 6G Beamforming,Beamsteering,and Beamsplitting”采用1-bit量化技术来实现液晶反射阵波束扫描，采用20*20阵列在垂直波束方向旁瓣电平为-13.3dB，阵列方向图综合效果欠佳。
现有的液晶反射阵天线大多工作在太赫兹频段(100GHz及以上)，液晶盒厚太厚(不低于75微米)导致响应时间过长。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于液晶的Ka波段二维波束扫描反射阵天线，采用液晶反射阵单元，利用相位补偿，并采用空间馈电的方式，形成指定方向波束，解决了液晶反射阵天线结构复杂、直流偏置信号导致器件效率降低、液晶层过厚响应时间过长的问题。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种基于液晶的Ka波段二维波束扫描反射阵天线，包括辐射结构和馈源结构。
辐射结构包括第一介质基板1、辐射单元2、封胶框3、液晶层4、接地板5、第二介质基板6、控制电路、偏置网络及射频直流隔离结构；第一介质基板1和第二介质基板6相互平行且之间留有间距；辐射单元2位于第一介质基板1的下表面，由N×N二维周期排布的金属贴片201组成，N为≥2的正整数；接地板5为金属板，满覆第二介质基板6的上表面；封胶框3围绕第二介质基板6的上表面四周边缘且与第一介质基板1连接，形成密封的液晶盒；液晶盒内填充有液晶层4；
控制电路由FPGA实现，偏置网络为N×N的直流偏置线；控制电路通过N×N的直流偏置线分别与N×N的金属贴片201连接，用于控制金属贴片201的偏置电压；射频直流隔离结构为N×N的长度为λg/4的开路传输线202，λg为波导波长；开路传输线202的一端连接至直流偏置线上距离与金属贴片连接点λg/4处，另一端开路；
馈源结构位于辐射结构的上方且留有间距，采用角锥喇叭天线7，包括依次连接的波导端口701和喇叭口702，喇叭口702朝向辐射结构的上表面中心位置。
进一步的，金属贴片201为正方形，在每个方向上等距分布，相邻金属贴片201的中心距离为λ/2.5，λ为天线工作频段中心频率对应的波长。
进一步的，第一介质基板1和第二介质基板6为玻璃或印刷电路板基板。
进一步的，第一介质基板1和第二介质基板6均采用Taconic的TLY-5A基板，相对介电常数为2.17，第一介质基板1面积为64mm×80mm，第二介质基板6面积为64mm×64mm，第一介质基板1厚度为1mm，第二介质基板6厚度为1mm。
进一步的，液晶层4的厚度为0.05mm，相对介电常数调节范围为2.93～3.7。
进一步的，N＝16。
进一步的，馈源结构与辐射结构之间的间距为第一介质基板1边长的1.2倍。
进一步地，液晶层4经配向处理，在未施加偏置电压时，液晶分子指向一致，液晶材料具有最小或最大的介电常数；当在金属贴片201上施加偏置电压时，液晶分子发生偏转，液晶材料的介电常数发生变化，对应辐射单元的谐振频率发生改变，从而实现辐射特性的调节。
进一步的，角锥喇叭天线发射出的电磁波以一定角度入射到反射阵面时，由于馈源相位中心到每个金属贴片201之间的距离不同，相邻金属贴片201之间会因距离不同而形成相位差，经过金属贴片201的二次辐射后，会形成偏离阵面法线方向各种角度的反射波。若要形成具有特定波束方向的平面波，只需要每个金属贴片201都具有移相功能，以此补偿因距离差异而造成的相位差。控制电路根据反射阵相位补偿原理和需要的天线波束方位角计算出每个金属贴片201所需的偏移相位及对应的偏置电压值，通过偏置网络为每个金属贴片201施加偏置电压。
进一步的，控制电路采用三比特量化方法，将所有相位量化为8个状态，即0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°，这样在保证波束指向准确的同时大大降低了传输阵列的设计难度。
本发明的有益效果是：
本发明所述天线采用液晶材料结合反射阵天线的形式，通过施加偏置电压改变液晶材料的介电常数，从而调节辐射单元的反射相位，相比于加载二极管等射频开关的波束扫描天线而言，该调节方式使得每个单元的可切换状态更多，相位精度更高，辐射效率更高，并且具有可以在任意方位角下实现俯仰面大角度扫描的优势。
本发明所述天线通过采用三比特量化方法，相较于精确设计每个阵列单元的相位补偿，多比特量化思想允许单元反射相位有一定的量化误差，从而简化了单元结构的设计；另一方面，相较于射频开关的1比特或2比特量化而言，多比特的量化误差更小，有利于提高辐射性能，降低旁瓣。
本发明所述天线采用低液晶盒厚设计，可显著提高响应时间；通过对每个金属贴片独立调控，实现在方位角和俯仰角两个维度上的二维扫描；设计了射频直流隔离结构，避免了直流偏置线路对天线辐射性能的影响；采用矩形贴片结构，反射损耗低，结构简单，可进一步降低液晶盒厚。相比于现有的可重构反射阵天线，本发明所述天线结构简单、损耗低、相位量化精度高、旁瓣电平低，在毫米波及以上频段极具应用价值。
附图说明
图1为本发明所述天线的侧视图；
图2为本发明所述天线的俯视图；
图3为本发明所述天线中控制电路、偏置网络和射频直流隔离结构之间的连接关系示意图；
图4为实施例所述天线在30GHz处波束在俯仰面上的方向图，其中，(a)方位角为45°，(b)方位角为90°。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种基于液晶的Ka波段二维波束扫描反射阵天线，其侧视图如图1所示，俯视图如图2所示，包括辐射结构和馈源结构。
辐射结构包括第一介质基板1、辐射单元2、封胶框3、液晶层4、接地板5、第二介质基板6、控制电路、偏置网络及射频直流隔离结构；第一介质基板1和第二介质基板6相互平行且之间留有间距；辐射单元2位于第一介质基板1的下表面，由N×N二维周期排布的金属贴片201组成，N为正整数；接地板5为金属板，满覆第二介质基板6的上表面；封胶框3围绕第二介质基板6的上表面四周边缘且与第一介质基板1连接，形成密封的液晶盒；液晶盒内填充有液晶层4。
由于接地板5接地，只需调节施加在金属贴片201上的电压，就可以改变液晶的介电常数。图3为控制电路、偏置网络和射频直流隔离结构之间的连接关系示意图。
控制电路由FPGA实现，偏置网络为N×N的直流偏置线；控制电路通过N×N的直流偏置线分别与N×N的金属贴片201连接，用于控制金属贴片201的偏置电压。
液晶器件中既要加直流偏置信号又有射频信号，需要注意直流与射频信号的隔离，若射频信号直接流到直流偏置端口，直流偏置线就会形成很大的电感，引起射频阻抗失配，器件传输或辐射效率降低。因此，本实施例中还设置有射频直流隔离结构，射频直流隔离结构为N×N的长度为四分之一波导波长(λg/4)的开路传输线202(电感)；开路传输线202的一端连接至直流偏置线上距离直流-射频连接点(直流偏置线与金属贴片连接处)λg/4处，另一端开路；开路传输线202与直流偏置线连接处等效为射频短路点，射频信号传到短路点就不再继续沿偏置线传输。
馈源结构位于辐射结构的上方且留有间距，采用角锥喇叭天线7，包括依次连接的波导端口701和喇叭口702，喇叭口702朝向辐射结构的上表面中心位置；当波导端口701馈入射频信号时，将由喇叭口702发射电磁波，该电磁波入射到辐射单元2时，经液晶层被接地板反射回去，再经金属贴片201辐射出去。
本实施例中所述第一介质基板1和第二介质基板6均采用Taconic的TLY-5A基板，其相对介电常数为2.17，第一介质基板1面积为64mm×80mm，第二介质基板6面积为64mm×64mm，第一介质基板1厚度为1mm，第二介质基板6厚度为1mm；液晶层4厚度为0.05mm，相对介电常数调节范围为2.93～3.7；接地板5和金属贴片201厚度均为0.002mm；中心频率f0取为30GHz，辐射单元2中的每个金属贴片边长为0.27倍波长λ，约为2.7mm；水平和竖直方向每两个相邻金属贴片的间距均为4mm，贴片数量为16×16；角锥喇叭天线7距辐射结构76.8mm，其中心与辐射结构中心对应；通过独立调节每个辐射单元中金属贴片201的偏置电压，改变该单元液晶的介电常数，以此调节该辐射单元的谐振频率，进而调节该单元补偿的相位；通过将所有相位量化为8个状态，即0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°，可实现数字化控制相位状态，再结合基于相位补偿原理的波束控制算法，可以快速确定在所需辐射方向下每一个辐射单元的辐射状态；通过控制电路，可以快速改变每一个单元的辐射状态，实现上半空间内波束的二维连续动态扫描。
采用商业电磁仿真软件CST Studio Suite对本实施例所述天线在30GHz处的各个状态的远场辐射特性进行了仿真，结果如图4所示。其中，(a)、(b)分别为方位角
Figure BDA0003683826220000051
为45°、90°时波束在俯仰面上的方向图，展示出本实施例所述天线的二维波束扫描能力。
本实施例所述天线采用矩形贴片结构，在保证反射损耗小于4dB的同时实现了315°以上的移相量；采用3-bit量化，多比特量化可使天线方向图综合效果更好，降低旁瓣，仅16*16阵列规模就使旁瓣电平达到-15dB，同时多比特量化技术可以避开单元反射损耗较大的相位状态，使最终阵列方向图综合效果更好。
本实施例所述天线采用矩形贴片结构并利用多比特量化技术使液晶盒变薄至50微米，同时单元损耗进一步降低，若略微牺牲反射损耗，矩形贴片单元可使液晶盒厚低至10微米。相较于已有液晶反射阵天线，本发明具有旁瓣电平低，单元反射损耗小，液晶响应时间短等优点。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (8)

1.一种基于液晶的Ka波段二维波束扫描反射阵天线，其特征在于，包括辐射结构和馈源结构；
辐射结构包括第一介质基板(1)、辐射单元(2)、封胶框(3)、液晶层(4)、接地板(5)、第二介质基板(6)、控制电路、偏置网络及射频直流隔离结构；第一介质基板(1)和第二介质基板(6)相互平行且之间留有间距；辐射单元(2)位于第一介质基板(1)的下表面，由N×N二维周期排布的金属贴片(201)组成，N为≥2的正整数；接地板(5)为金属板，满覆第二介质基板(6)的上表面；封胶框(3)围绕第二介质基板(6)的上表面四周边缘且与第一介质基板(1)连接，形成密封的液晶盒；液晶盒内填充有液晶层(4)；
控制电路由FPGA实现，偏置网络为N×N的直流偏置线；控制电路通过N×N的直流偏置线分别与N×N的金属贴片(201)连接，用于控制金属贴片(201)的偏置电压；射频直流隔离结构为N×N的长度为λg/4的开路传输线(202)，λg为波导波长；开路传输线(202)的一端连接至直流偏置线上距离与金属贴片连接点λg/4处，另一端开路；
控制电路采用三比特量化方法，将所有相位量化为8个状态，即0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°；
馈源结构位于辐射结构的上方且留有间距，采用角锥喇叭天线(7)，包括依次连接的波导端口(701)和喇叭口(702)，喇叭口(702)朝向辐射结构的上表面中心位置。
2.根据权利要求1所述的基于液晶的Ka波段二维波束扫描反射阵天线，其特征在于，金属贴片(201)为正方形，在每个方向上等距分布，相邻金属贴片(201)的中心距离为λ/2.5，λ为天线工作频段中心频率对应的波长。
3.根据权利要求1所述的基于液晶的Ka波段二维波束扫描反射阵天线，其特征在于，第一介质基板(1)和第二介质基板(6)为玻璃或印刷电路板基板。
4.根据权利要求1所述的基于液晶的Ka波段二维波束扫描反射阵天线，其特征在于，第一介质基板(1)和第二介质基板(6)均采用Taconic的TLY-5A基板，相对介电常数为2.17，第一介质基板(1)面积为64mm×80mm，第二介质基板(6)面积为64mm×64mm，第一介质基板(1)厚度为1mm，第二介质基板(6)厚度为1mm。
5.根据权利要求1所述的基于液晶的Ka波段二维波束扫描反射阵天线，其特征在于，液晶层(4)的厚度为0.05mm，相对介电常数调节范围为2.93～3.7。
6.根据权利要求1所述的基于液晶的Ka波段二维波束扫描反射阵天线，其特征在于，馈源结构与辐射结构之间的间距为第一介质基板(1)边长的1.2倍。
7.根据权利要求1所述的基于液晶的Ka波段二维波束扫描反射阵天线，其特征在于，液晶层(4)经配向处理，在未施加偏置电压时，液晶分子指向一致，液晶材料具有最小或最大的介电常数；当在金属贴片(201)上施加偏置电压时，液晶分子发生偏转，液晶材料的介电常数发生变化，对应金属贴片(201)的谐振频率发生改变，从而实现辐射特性的调节。
8.根据权利要求1所述的基于液晶的Ka波段二维波束扫描反射阵天线，其特征在于进一步的，控制电路根据反射阵相位补偿原理和需要的天线波束方位角计算出每个金属贴片(201)所需的偏移相位及对应的偏置电压值，通过偏置网络为每个金属贴片(201)施加偏置电压。
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