CN115699456A - 可转向天线和可转向天线的加热和/或退火方法 - Google Patents

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Abstract

公开了可转向天线(10)，包括多个辐射元件(12)和多个修改器元件(14)，所述多个修改器元件(14)被配置为移动辐射元件(12)将发射的信号的相位和/或调整所述信号的振幅。辐射元件(12)中的每个都耦合到修改器元件(14)中的一个，其中修改器元件(14)每个都包括液晶介质，并且其中修改器元件(14)被配置为使得相位和/或振幅的调整取决于液晶介质的状态。可转向天线(10)进一步包括信号发生器(20)，信号发生器(20)连接到修改器元件(14)，并且被配置为产生适合于修改器元件(14)的液晶介质的电介质加热的信号。本发明的进一步的方面涉及一种用于对这样的可转向天线(10)的液晶介质进行加热和/或控制该液晶介质的温度的方法。

Description

可转向天线和可转向天线的加热和/或退火方法
本发明涉及一种包括多个辐射元件和多个修改器元件的可转向天线，所述多个修改器元件被配置为移动辐射元件将发射的信号的相位和/或调整该信号的振幅，其中辐射元件中的一个或多个耦合到修改器元件中的一个或多个，其中修改器元件每个都包括液晶介质，并且其中修改器元件被配置为使得相位和/或振幅的调整取决于液晶介质的状态。此外，本发明涉及一种用于对这样的可转向天线的液晶介质进行加热和对该液晶介质的温度进行控制的方法。
尤其是在卫星通信和微波地面通信系统中，可转向天线对于确保天线连续地指向卫星或地面通信伙伴是有用的。可转向天线可以被机械地移动，以便移动天线射束。相控天线阵列在本领域中是已知的，使得可以在不使用移动零部件的情况下使天线的主射束方向转向。这样的相控天线阵列包括几个单个的天线元件，其中单个的元件之间的相对相位可以被控制以便控制天线射束方向。
C.Fritzsch等人所写的文章(2019).77-1：“Invited Paper:Liquid Crystalsbeyond Displays:Smart Antennas and Digital Optics”.SID Symposium Digest ofTechnical Papers.50.1098-1101.DOI:10.1002/sdtp.13120描述了其他技术领域中的液晶的应用。具体地说，公开了电子束转向天线中的液晶的使用。这样的天线可以使它们的天线射束在没有任何机械移动零部件的情况下指向不同的方向。这样的天线包括连接到天线的辐射元件的多个基于液晶的相移元件。通过引入特定的递增相移，被辐射场的相前可以倾斜，因此，天线射束也朝向期望的方向倾斜。
US 2014/0266897 A1公开了二维射束可转向相移阵列天线。所述天线包括多个功率分配器、多个可电调节的相移器和多个辐射元件。所述天线的单个的元件至少包括可电调节的相移器、偏置网络和辐射元件。相移器包括可借助于施加的电场调节的液晶材料。相移器每个都包括挨着液晶材料布置的曲折微带。微带线耦合到入射元件。
H.Maune等人所写的文章“Microwave Liquid Crystal Technology”,Crystals2018,8(9),255,DOI:10.3390/cyrst8090355描述了不同的基于可调节液晶(LC)的微波组件。具体地说，描述了具有介电填充的矩形波导的基于LC的相移器。
A.Gaebler等人所写的文章“Liquid Crystal-Reconfigurable AntennaConcepts for Space Applications at Microwave and Millimeter Waves”,(2009年2月),International Journal of Antennas and Propagation,Vokl 2009,Article ID876989,DOI:10.1155/2009/876989描述了包括形成被填充液晶的微带线的平面低温共烧陶瓷片材的相移器。通过施加偏置电场，传输线的有效介电常数可以被调节。
Tien-Lun Ting所写的文章“Technology of liquid crystal based antenna”2019年6月10日，Optical Express 17138Vol 27,No 12,DOI:10.1364/OE.27.017138描述了几个基于液晶的相移器。一种类型的相移器包括微带线，其中信号线与具有大于100μm的厚度的液晶层相邻布置。另一类型包括与具有通常小于10μm的基元间隙的薄液晶层相邻布置的共面波导。
US 2015/0288063 A1公开了包括波导和作为波导的顶盖耦合到波导的金属材料层的全息金属材料天线。所述天线进一步包括布置在波导的顶盖中的可调节狭槽阵列。所述可调节狭槽可以通过在可调节狭槽内调节电介质材料而被调节。在一个实施例中，所述电介质材料是通过改变施加于整个液晶上的电压而调节的液晶。为了使天线射束转向，确定全息衍射图，并且根据确定的衍射图来驱动可调节狭槽阵列。
所用的液晶介质的性质取决于温度。尤其是如果天线将在低温条件下被操作，则通常需要包括加热元件，以便对液晶进行加热。
US 2019/0229431 A1公开了扫描天线，所述扫描天线按以下次序包括具有贴片电极的TFT基板、液晶层、具有狭槽的狭槽电极、电介质基板和反射导电板。反射导电板和狭槽电极形成用于微波的波导。所述天线包括多个天线单元，每个天线单元具有狭槽电极中的对应的狭槽和对应的贴片电极。通过改变天线单元的液晶电容的静电电容值来改变从每个贴片电极激励的微波的相位。所述天线可以进一步包括用于液晶材料层的加热的加热器电阻膜。
US 2018/0146511 A1公开了具有物理天线孔径的天线，所述物理天线孔径具有射频(RF)天线元件阵列。所述RF天线元件可以包括液晶介质。此外，所述天线包括布置在RF天线元件阵列的多对RF天线元件之间的多个加热元件。所述加热元件被配置为加热导线。为了监视液晶介质的温度，可以使用温度传感器。在另一个实施例中，液晶的电容可以被用于温度测量。
附加的加热元件(例如，导线加热器或电阻膜的形式的电阻加热元件)通常布置在天线元件的外部。因此，天线元件的液晶介质的加热被延迟，因为加热元件引入的热量必须通过热传导传播到液晶介质。此外，液晶介质不被均匀加热，使得在LC介质内达到热均衡需要长的等待时间。因此，将可取的是直接对液晶介质进行加热。
电介质加热是交变电场对电介质(诸如液晶介质)进行加热的处理。该加热由电介质内的分子偶极旋转引起。极性分子具有电偶极矩。这些偶极矩在交变电场中自行对齐，结果是旋转分子通过电场力推动、拉动其他分子和与其他分子碰撞，从而将能量分发给材料中的相邻的分子和原子。因为温度与材料中的原子和分子的平均动能有关，所以该处理使材料的温度升高。
交变电场可以在液晶中引起电介质加热。在M.Schadt所写的文章(1981年)“Dielectric Heating and Relaxations in Nematic Liquid Crystals”,MolecularCrystals and Liquid Crystals,66:1,319-336,DOI:10.1080/00268948108072683中，描述了使用电介质加热来在向列型液晶层中引入温度变化的实验。
还已知使用电介质加热来控制光学装置中的液晶层的温度。EP 0 370 627 A2公开了可以在不透明状态和透明状态之间切换的光学装置。所述装置包括包含分散的液晶液滴的光学材料。所述光学材料布置在铟-锡-氧化物涂布板之间。为了使所述装置的温度升高，高频加热电场被施加于所述光学材料，从而在所述光学材料中引起电介质加热。
EP 3 349 208 A1公开了包括上基板、下基板和在这两个基板之间的液晶层的液晶显示装置。使用电流传感器来检测液晶层的电容变化，并且使用检测的电容来确定液晶层的温度。根据温度来控制驱动信号，以便补偿液晶层的温度相关的性质。查找表可以用于推导温度和确定所需的校正。
存在对于如下的可转向天线的需要，所述可转向天线可以在工业应用和汽车应用中所需的整个温度范围上(特别是对于大约-40℃到0℃的范围内的低温)被操作，并且可以快速地且可靠地被退火到所需的操作温度。
提出了一种可转向天线，所述可转向天线包括多个辐射元件和多个修改器元件，所述多个修改器元件被配置为移动辐射元件将发射的天线信号的相位和/或调整所述天线信号的振幅，其中辐射元件中的一个或多个耦合到修改器元件中的一个或多个，其中修改器元件每个都包括液晶介质，并且其中修改器元件被配置为使得相位和/或振幅的调整取决于液晶介质的状态。所述可转向天线进一步包括信号发生器，所述信号发生器连接到修改器元件，并且被配置为产生适合于修改器元件的液晶介质的电介质加热的加热信号。
在优选实施例中，辐射元件中的每个都耦合到多个修改器元件。
在另一优选实施例中，多个辐射元件耦合到每个修改器元件。
优选地，所述辐射元件以网格的形式或同心环的形式布置。此外，优选的是将辐射元件布置在平面中，以使得包括辐射元件的可转向天线的有源部分基本上是平坦的。
修改器元件用于调整连接到相应的修改器元件的辐射元件发射的辐射的相位和/或振幅。相位和/或振幅的这个调整取决于液晶介质的状态。可以借助于电场来控制液晶介质的状态。因此，修改器元件包括被配置为向液晶介质施加电场的电极。可以通过向相应的电极施加控制信号来控制电场。
优选地，所述修改器元件被配置为相移器。相移器是改变信号相位并且理想地在天线信号的频率上具有平坦的相位响应的装置。当修改器元件被配置为相移器时，可转向天线被配置为相控阵列天线。基于液晶的相移器的相位响应可以取决于天线信号的频率。然而，通过考虑到频率响应，基于液晶的相移器可以被用于相控阵列天线。
在相控阵列天线中，天线信号被分发给连接到辐射元件的相移器。如果所有的相移器都被配置为生成同相输出，则被辐射信号的相前平行于天线表面对齐，因此引导天线射束垂直于天线表面。当引入特定的递增相移时，被辐射场的相前倾斜，因此，天线射束也朝向期望的方向倾斜。同样的原理经必要修改适用于相控阵列天线接收的信号。
相移器包括作为用于调整信号的相位的有源组件的液晶介质。此外，相移器优选地具有被配置为发射天线信号的波导。
优选地，所述天线包括被配置为可变衰减器的修改器元件，非常优选地，配置为可变衰减器的每个修改器元件分别连接到被配置为相移器的修改器元件。
包括辐射元件的可转向天线的有源部分的尺寸，例如，直径或长度和宽度，取决于辐射(天线将发送或接收的信号)的频率。理论上，两个辐射元件之间的距离为λ/2，其中λ分别是发射或接收的辐射的波长。就具有“N×N”个辐射元件的正方形天线来说，“N”为整数，优选在从10到100的范围内，可转向天线的有源部分的大小对于长度和宽度来说，大约为N(λ/2)×N(λ/2)。
所述天线的有源部分的总体尺寸影响天线增益。因此，根据期望的天线增益来选择有源部分的总体尺寸。例如，正方形可转向天线可以包括具有5cm到500cm的范围内的边缘长度的有源部分，并且辐射元件的数量可以在从2×2(4个元件)到100×100(10 000个元件)的范围内选择。对于卫星通信，有源部分的典型的总体尺寸(孔径大小)在从40cm×40cm到80cm×80cm的范围内。
优选地，所述波导被配置为与液晶层相邻布置的微带线或共面波导、或至少部分被填充液晶介质的中空波导。
在微带线中，承载天线将发射或接收的天线信号的信号线与接地层相邻布置，其中信号线和接地层被一间隙或电介质基板隔开。微带线的几个变体对于本领域专家是已知的。优选地，微带线被配置为倒置微带线，其中接地层和传导线每个都布置在单独的基板上，并且基板被布置为使得接地层和信号线这二者都面对被填充液晶介质的间隙。这样的配置中的间隙宽度通常大于100μm。
接地层优选地被用作用于施加电场来控制液晶介质的状态的电极之一。信号线可以被用作用于借助于控制信号来施加电场的第二电极。当电场被施加时，液晶介质中的液晶的方位被改变，因此，传播通过微带线的信号感知到的寄生电容发生变化。
在共面波导中，承载天线将发射或接收的天线信号的信号线与布置在信号线的任一侧的一对地线一起布置在第一基板上。为了形成用于封装液晶介质的腔体，第二基板被布置为面对第一基板的承载信号线的侧。所述腔体被填充液晶介质。间隙宽度、以及因此液晶层的厚度通常小于10μm。
顶部电极可以布置在第二基板的面向腔体的表面上。为了施加用于控制液晶介质的状态的电场，信号线可以被用作第一电极。顶部电极和/或地线可以被用作用于施加用于控制液晶介质的状态的电场的第二电极。顶部电极和地线可以电连接。
被配置为微带线或共面波导的相移器例如在Tien-Lun Ting所写的文章“Technology of liquid crystal based antenna”2019年6月10日，Optics Express17138Vol 27,No.12,DOI:10.1364/OE.27.017138中有所描述。
在包括中空波导的相移器中，偏置电极布置在中空波导的两个相对的表面上，所述中空波导可以例如被配置为金属矩形波导。中空波导至少部分被填充液晶介质，并且借助于可以通过向两个偏置电极施加控制信号而控制的电场来控制液晶介质的方位状态。
这样的相移器例如在H.Maune等人所写的文章“Microwave Liquid CrystalTechnology”,Crystals 2018,8(9),355,DOI:10.3390/cryst8090355中有所描述。
在本发明的另一个实施例中，所述可转向天线被配置为全息天线。在这样的全息天线中，形成全息发射图。可以通过修改全息形式来修改发射的天线信号的射束方向和射束形状。
这样的全息可转向天线中的辐射发射元件优选地是金属材料层的一部分，其中借助于修改器元件来控制全息图。具有波导和耦合到波导的金属材料层的这样的全息可转向天线例如从US 2015/0288063 A1获知。
修改器元件可以例如被配置为共振元件，其中共振频率取决于液晶介质的状态。修改器元件可以包括至少部分被填充液晶介质的腔体，并且具有用于施加电场来控制液晶介质的方位状态的电极。为了控制电场，可以向电极施加控制信号。
在这样的全息可转向天线中，优选的是可转向天线进一步包括具有多个狭槽的公共波导，其中修改器元件布置在公共波导和狭槽之间。修改器元件被配置为使得它们通过调整相应的狭槽的电抗来至少控制相应的辐射元件发射的辐射的振幅。
优选地，所述可转向天线包括金属材料层，所述金属材料层包括多个狭槽和修改器元件。所述多个狭槽中的每个都耦合到辐射元件，并且辐射元件优选地以阵列的形式布置。借助于修改器元件，辐射元件阵列可以被配置为形成全息衍射图来使天线发射的天线信号转向。
将被发射的天线信号借助于公共波导被馈送，并且通过可调节狭槽被引导到辐射元件，其中借助于修改器元件，可以根据施加于相应的修改器元件的液晶介质的电场来调整可调节狭槽中的每个的电抗。
辐射元件的间隔优选地小于λ/2，以使得包括辐射元件的天线的有源部分充当相对于发射或接收的信号的金属材料层。此外，天线的有源部分的总体尺寸(诸如直径或边缘长度)优选地被制定为长度为许多个波长。
液晶介质优选地被选择为使得在对于天线信号的期望的频率范围内提供良好的可调节性，并且进一步使得液晶介质对于天线将发射或接收的天线信号具有低吸收或损耗。对于所用的液晶介质的两个关键的参数是可调节性和电介质损耗正切。
可以通过以下方程来计算可调节性τ：
Figure BDA0003987203310000081
其中ε||是平行于分子轴的介电常数，ε⊥是垂直于分子轴的介电常数。可调节性τ描述液晶介质的最高的可能的相对介电常数变化。
电介质损耗正切tanδ由相应的信号频率处的介电常数的虚部和实部之比定义，并且通过以下方程给出：
Figure BDA0003987203310000082
电介质损耗正切tanδ是用于电介质吸收的数值，因此描述天线信号的吸收损耗。因此，液晶介质被选择为使得对于天线信号的期望的频率，可调节性τ最大化并且电介质损耗正切tanδ最小化。
液晶介质的性质，特别是可调节性τ、电介质损耗正切tanδ和旋转粘度(γ1)，是温度相关的，其中旋转粘度影响响应时间。因此，液晶介质的温度优选地被控制为设置的操作温度。具体地说，液晶介质被加热，以便实现期望的操作温度，尤其是考虑到响应时间。快速的响应需要低旋转粘度。
在本发明的可转向天线中，提供信号发生器，所述信号发生器连接到修改器元件，并且被配置为产生适合于修改器元件的液晶介质的电介质加热的加热信号。
电介质加热是施加的信号引起对液晶介质进行加热的交变电场的处理。该加热由介质内的分子偶极旋转引起。液晶介质中的液晶分子是具有电偶极矩的极性分子。这些偶极矩在交变电场中自行对齐，结果是旋转分子通过电场力推动、拉动其他分子和与其他分子碰撞，从而将能量分发给材料中的相邻的分子和原子。因为温度与材料中的原子和分子的平均动能有关，所以该处理使液晶介质的温度升高。
适合于电介质加热的加热信号的频率优选地被选为比可转向天线将发射的天线信号的频率小几个数量级。例如，用于电介质加热的频率在从10Hz到1MHz的范围内选择，而天线信号的频率在从1GHz到110GHz的范围内选择。信号发生器被相应地配置为供应选择的频率的加热信号。
液晶介质和/或加热信号的频率优选地被选择为使得损耗正切tanδ对于加热信号的频率具有最大值。
如本文中所使用的，用于电介质加热的最佳频率是这样的频率，在该频率处，损耗正切tanδ对于液晶介质的给定的温度和方位状态具有最大值。
根据本发明的天线中使用的介质优选地具有90℃或更高的清亮点，更优选地100℃或更高，更优选地110℃或更高，更优选地120℃或更高，更优选地130℃或更高，特别优选地140℃或更高，非常特别优选地150℃或更高。
根据本发明的天线中使用的介质的向列相优选地至少从0℃或更低延伸到90℃或更高。对于根据本发明的介质有利的是表现出甚至更宽的向列相范围，优选地至少从-10℃或更低到120℃或更高，非常优选地至少从-20℃或更低到140℃或更高，特别是至少从-30℃或更低到150℃或更高，非常特别优选地至少从-40℃或更低到170℃或更高。
根据本发明的天线中使用的液晶介质的介电各向异性(Δε)，在1kHz和20℃下，优选地为3或更大，更优选地7或更大，非常优选地10或更大。
根据本发明的天线中使用的液晶介质的双折射率(Δn)，在589nm(NaD)和20℃下，优选地为0.280或更大，更优选地0.300或更大，甚至更优选地0.320或更大，非常优选地0.330或更大，特别是0.350或更大。
根据本发明的天线中使用的液晶介质的Δn，在589nm(NaD)和20℃下，优选地在从0.200到0.900的范围内，更优选地在从0.250到0.800的范围内，甚至更优选地在从0.300到0.700的范围内，非常特别优选地在从0.350到0.600的范围内。
合适的液晶介质从现有技术获知。在例如WO2013/034227、EP2982730、EP3312251、EP 3543313和WO 2019/243223中公开了优选的介质。
非常优选地，根据本发明的天线包括液晶介质，所述液晶介质包括选自分子式I、II和III的组中的一种或多种化合物。
Figure BDA0003987203310000101
其中
R1表示H、具有1个到17个C原子的未氟化烷基或未氟化烷氧基、或具有2个到15个C原子的未氟化烯基、未氟化烯氧基或未氟化烷氧基烷基，其中一个或多个CH2基可以被替换为
Figure BDA0003987203310000102
Figure BDA0003987203310000103
n为0、1或2，
Figure BDA0003987203310000104
到
Figure BDA0003987203310000106
在每次出现时，彼此独立地表示
Figure BDA0003987203310000105
Figure BDA0003987203310000111
其中RL在每次相同地或不同地出现时，表示H或具有1个到6个C原子的烷基，
并且其中
Figure BDA0003987203310000112
可替代地表示
Figure BDA0003987203310000113
Figure BDA0003987203310000114
R2表示H、具有1个到17个C原子的未氟化烷基或未氟化烷氧基、或具有2个到15个C原子的未氟化烯基、未氟化烯氧基或未氟化烷氧基烷基，其中一个或多个CH2基可以被替换为
Figure BDA0003987203310000115
Figure BDA0003987203310000116
Z21表示trans-CH＝CH-、trans-CF＝CF-或-C≡C-、以及
Figure BDA0003987203310000117
彼此独立地表示
Figure BDA0003987203310000118
其中RL在每次相同地或不同地出现时，表示具有1个到6个原子的H或烷基；
R3表示H、具有1个到17个C原子的未氟化烷基或未氟化烷氧基、或具有2个到15个C原子的未氟化烯基、未氟化烯氧基或未氟化烷氧基烷基，其中一个或多个CH2基可以被替换为
Figure BDA0003987203310000121
Figure BDA0003987203310000122
Z31和Z32中的一个表示trans-CH＝CH-、trans-CF＝CF-或-C≡C-，Z31和Z32中的另一个独立于Z31和Z32中的所述一个，表示-C≡C-、trans-CH＝CH-、trans-CF＝CF-或单键，并且
Figure BDA0003987203310000123
到
Figure BDA0003987203310000127
彼此独立地表示
Figure BDA0003987203310000124
其中RL在每次相同地或不同地出现时，表示H或具有1个到6个C原子的烷基，
并且其中
Figure BDA0003987203310000125
可替代地表示
Figure BDA0003987203310000126
将电介质加热用于修改器元件的液晶介质的退火在可转向天线在低温环境(特别是对于低于0℃的温度)内被上电的冷启动情况下是特别有用的。电介质加热使得可以快速地对其性质是温度相关的液晶介质进行加热。达到操作温度比借助于邻近修改器元件的液晶介质布置的常规电加热器(诸如电阻加热器)快得多。借助于电介质加热，热量直接在将被加热的液晶介质内产生。由于从外部加热器到液晶介质的热传导，没有时间延迟。
优选地，所述修改器元件中的每个都具有至少两个电极，其中第一电极被配置为施加用于调整液晶介质的状态的电场，第二电极连接到信号发生器，并且被配置为施加用于液晶介质的电介质加热的电场。
可替代地，修改器元件中的每个都具有至少一个电极，所述至少一个电极被配置为既施加用于调整液晶介质的状态的电场，又进一步连接到信号发生器，并且被配置为施加用于液晶介质的电介质加热的电场。
为了产生控制信号和加热信号，可以使用信号发生器。可以以两个独立的信号发生器的形式提供这些信号发生器。可替代地，可以提供用于控制信号和加热信号这二者的共同的信号发生器。
优选地，所述可转向天线进一步包括温度传感器，所述温度传感器被配置为测量修改器元件的液晶介质的温度。这使得可以测量液晶介质的温度。测量可以例如被用于控制温度、或者用于提供与可转向天线的操作状态相关的反馈。
优选地，所述可转向天线进一步包括控制单元，所述控制单元被配置为根据修改器元件的液晶介质的温度来调整适合于电介质加热的加热信号的频率。因此，控制单元连接到信号发生器，信号发生器被配置为使得可以根据控制单元提供的控制信号来调整输出信号的频率。
控制单元可以例如包括用于将液晶介质的温度控制为期望的温度设置点的温度控制器，诸如比例-积分-微分(PID)控制器。
优选地，所述天线包括用于测量电介质加热的功率输入的手段和跟踪系统，所述跟踪系统被配置为基于功率输入值来跟踪随着LC的温度变化的最佳频率。这是有用的，因为当温度改变(例如，在加热后上升)时，可以在最佳频率处操作电介质加热。
所述可转向天线当然可以进一步包括被布置为覆盖辐射元件以便提供免于受环境影响的保护的组件，诸如，举例来说，天线罩或保护层。此外，所述可转向天线可以包括进一步的加热器，例如，电加热元件，以除了修改器元件的相应的液晶介质的电介质加热之外，还提供进一步的加热。
在本发明的进一步的方面，提供一种可转向天线的加热和/或退火方法。所述可转向天线包括多个辐射元件和多个修改器元件，所述多个修改器元件被配置为移动辐射元件将发射的天线信号的相位和/或调整该信号的振幅，其中辐射元件中的每个都耦合到修改器元件中的一个，其中修改器元件每个都包括液晶介质，并且其中修改器元件被配置为使得相位和/或振幅的调整取决于液晶介质的状态。所述方法向修改器元件的液晶介质施加具有适合于液晶介质的电介质加热的频率的交变电场。
所述可转向天线优选地是本文中描述的可转向天线中的一个。
优选地，加热信号被施加于邻近或靠近液晶介质布置的电极，以便施加用于电介质加热的交变电场。为了施加所述电场，加热信号可以被施加于所述电极。
为用于电介质加热的加热信号选择的频率优选地被选择为使得液晶介质对于选择的频率具有吸收最大值。
因为液晶介质的物理性质是温度相关的，所以所述方法优选地进一步包括：测量液晶介质的温度，并且根据测得的温度来调整加热信号的频率并因此调整交变电场。
用于电介质加热的吸收最大值对温度的相关性可以例如用实验来确定。
优选地，借助于查找表，从测得的温度确定加热信号的频率。可以例如基于实验数据来准备查找表。
损耗正切取决于温度和加热信号的频率。
图4a示出垂直于液晶的指向矢的损耗正切的温度和频率相关性，以及
图4b示出关于示例性液晶介质的、平行于液晶的指向矢的损耗正切的温度和频率相关性。
对于液晶的不同方位状态提供多个查找表。方位取决于被施加来控制液晶的状态的控制信号。
在优选的实施例中，液晶被充分切换，以使得在加热信号被施加之前或在加热信号被施加的同时，液晶平行于电场对齐。
借助于查找表，在实现用于电介质加热的频率的调整的控制单元中，只需要几个计算资源。对于查找表的两个条目之间的温度，可以使用插值。
优选地，根据天线的电介质加热的功率输入来调整加热信号的频率。功率输入值与用于液晶的给定方位的每个频率值相关联。高功率输入对应于高损耗正切，并且有利地引起天线和液晶的快速加热。用于加热的操作频率可以被选为具有最高的功率输入的频率值。
优选地，通过以下步骤来确定最佳频率：
i)在监视天线(10)的功率输入的同时，遍历预定频率范围来扫描所述频率，
ii)确定功率输入具有最大值时的频率。
优选地，所述方法另外还包括一种用于跟踪最佳频率的方法，所述方法包括以下步骤：
i)测量天线的加热的功率输入
ii)确定改变是否在所述功率输入中发生，如果是，
iii)响应于所述改变，改变加热信号的频率，以使得功率输入随着频率的改变被调整以维持预定值，优选地维持预定值零。
可选地，结果被电子地存储以供未来参考。
优选地，经由布置在液晶介质内的或邻近液晶介质布置的温度传感器来测量液晶介质的温度。
另外或可替代地，经由测量液晶介质的电容来确定温度。
可以例如使用用于施加用于控制液晶介质的状态和/或用于施加用于电介质加热的信号的电场的相同的电极来测量液晶介质的电容。电容对温度的相关性可以例如用实验来确定。
优选地，查找表用于从测得的电容确定温度。再次，查找表的使用只需要几个计算资源来执行温度控制。对于查找表的两个条目之间的电容值，可以使用插值。
优选地，对于40℃或低于40℃、优选地在从-40℃到40℃的范围内、更优选地在从-35℃到20℃的范围内、尤其优选地在从-30℃到10℃的范围内、特别是从-30℃到0℃的液晶介质的温度，执行液晶介质的加热。
优选地，执行温度控制，并且将液晶介质的温度控制为预定的温度设置点。
附图说明
附图示出：
图1具有四个辐射元件的可转向天线的示意性框图，
图2被配置为相移器的修改器元件的示意图，
图3关于示例性液晶介质的、介电常数的实部的温度和频率相关性，以及
图4a关于示例性液晶介质的、垂直于液晶的指向矢的损耗正切的温度和频率相关性，
图4b关于示例性液晶介质的、平行于液晶的指向矢的损耗正切的温度和频率相关性。
附图仅仅是本发明的示意性的、非限制性的表示。
在图1中，示出了具有四个辐射元件12的可转向天线10的示意性框图。可转向天线10具有用于供应可转向天线10将发射的天线信号的天线信号输入16。此外，可转向天线10包括控制单元50。
图1的可转向天线10被配置为相控阵列天线，其中辐射元件12中的每个都经由被配置为相移器的修改器元件14和分发网络18连接到天线信号输入16。辐射元件12在图1的例子中按2×2阵列布置。
馈送给天线信号输入16的天线信号被分发网络18分发给连接到辐射元件12的相移器。如果所有的相移器都被配置为生成同相输出，则被辐射信号的相前平行于天线表面对齐，从而引导天线射束垂直于天线表面。当生成特定的递增相移时，被辐射场的相前倾斜，因此，天线射束也朝向期望的方向倾斜。
被配置为相移器的修改器元件14每个都包括液晶介质，相移取决于液晶介质的状态。借助于使用布置在修改器元件14中的电极施加的电场来控制液晶介质的状态。所述电场取决于施加于所述电极的控制信号。
在图1所示的示例实施例中，控制单元50可以用于控制使天线射束转向所需的相移。控制单元50连接到控制信号发生器22，控制信号发生器22连接到被配置为相移器的修改器元件14中的每个。
因为液晶介质的物理性质是温度相关的，所以需要确保至少可转向天线10的修改器元件14的液晶介质具有操作温度范围内的温度。这对于温度低于0℃的低温环境是特别重要的。为了对修改器元件14的液晶层进行加热，可转向天线10进一步包括加热信号发生器20，加热信号发生器20也连接到修改器元件14。加热信号发生器20被配置为提供适合于产生用于液晶层的电介质加热的电场的加热信号。因此，修改器元件14包括电极，当加热信号被施加于所述电极时，所述电极可以用于在液晶介质内产生电场。
在图1所示的实施例中，加热信号发生器20和控制信号发生器22被配置为产生组合信号的共同的信号发生器。组合信号然后被施加于挨着修改器元件14中的每个中的液晶介质布置的一对电极。
在图1所示的实施例中，控制单元50被进一步配置为控制修改器元件14的液晶介质的温度。因此，控制单元50连接到加热信号发生器20，并且还连接到温度传感器40，温度传感器40邻近修改器元件14中的一个中的液晶介质布置。在另一个实施例中，可以为修改器元件14中的每个布置温度传感器40。
控制单元50可以例如包括用于使用温度传感器40提供的反馈来将修改器元件14的液晶介质的温度控制为期望的温度设置点的温度控制器，诸如比例-积分-微分(PID)控制器。
为了选择用于加热信号的最佳频率，控制单元50可以包括具有存储的查找表的存储器单元。查找表的条目提供将用于液晶介质的相应温度的电介质加热的正确的频率。
图2用示意图示出被配置为相移器的修改器元件14。
相移器包括被配置为共面波导30的微带线。共面波导30包括布置在第一基板141上的信号线142，第一基板141连接到分发网络18和辐射元件12中的相应的一个，参见图1。
信号线142与布置在信号线142的任一侧的一对地线146一起布置在第一基板141上。为了以液晶层143的形式形成用于封装液晶介质的腔体，第二基板145被布置为面对第一基板141的承载信号线142的侧。间隙宽度、以及因此液晶层143的厚度通常小于10μm。
在图2所示的实施例中，顶部电极144布置在第二基板145的面向液晶层143的表面上。为了施加用于控制液晶层143的液晶介质的状态的电场，信号线142可以被用作第一电极。顶部电极144和/或地线146可以被用作第二电极，所述第二电极用于施加用于控制液晶介质的状态的电场、以及用于施加用于液晶介质的加热的电场。
介质N1和N2具有以下成分和物理性质。
示例N1
Figure BDA0003987203310000181
Figure BDA0003987203310000191
Figure BDA0003987203310000192
示例N2
Figure BDA0003987203310000193
Figure BDA0003987203310000201
Figure BDA0003987203310000202
图3示出关于示例液晶介质N1的、对于从100Hz到100kHz的范围内的不同频率的、介电常数ε’对温度的实部。
第一曲线201描绘平行于分子轴的介电常数。第二曲线202示出对于100Hz的频率的、垂直于分子轴的介电常数。只有对于100Hz的第二曲线202被示为例子，因为对于一直到100kHz的进一步的频率的曲线仅略有不同。第三曲线203示出平行于分子轴的介电常数和垂直于分子轴的介电常数之间的差值Δε。
从图3的示图可以看出，介电常数的最大值随着温度移动。
图4a示出关于示例N2的液晶混合物的、垂直于指向矢的损耗正切的温度和频率相关性。例如，在0℃下，有利的是将1Hz的加热信号施加于液晶的垂直方位，因为这里观察到损耗正切的最高值(tanδ＝3.61)。在加热到20℃后，最大值移到1.58Hz(tanδ＝5.67)。
图4b示出关于液晶介质N2的、平行于指向矢的损耗正切的温度和频率相关性。例如，在-30℃下，在631Hz的频率处观察到对于平行方位的损耗正切的最高值(tanδ＝0.685)，631Hz的频率是这种情况下的用于电介质加热的最佳频率。在加热到例如-10℃后，最佳频率(即，最大损耗)移到10kHz(tanδ＝0.717)。
标号列表
10 可转向天线
12 辐射元件
14 修改器元件
16 天线信号输入
18 分发网络
20 加热信号发生器
22 控制信号发生器
30 (共面)波导
40 温度传感器
50 控制单元
141 第一基板
142 信号线
143 液晶层
144 顶部电极
145 第二基板
146 地线
201 第一曲线
202 第二曲线
203 第三曲线

Claims (23)

1.一种可转向天线(10)，所述可转向天线(10)包括多个辐射元件(12)和多个修改器元件(14)，所述多个修改器元件(14)被配置为移动所述辐射元件(12)将发射的信号的相位和/或调整所述信号的振幅，其中所述辐射元件(12)中的一个或多个耦合到所述修改器元件(14)中的一个或多个，其中所述修改器元件(14)每个都包括液晶介质，并且其中所述修改器元件(14)被配置为使得所述相位和/或振幅的调整取决于所述液晶介质的状态，其特征在于，所述可转向天线(10)进一步包括信号发生器(20)，所述信号发生器(20)连接到所述修改器元件(14)，并且被配置为产生适合于所述修改器元件(14)的液晶介质的电介质加热的信号。
2.根据权利要求1所述的可转向天线(10)，其中所述辐射元件(12)以网格的形式或者以同心环的形式布置。
3.根据权利要求1或2所述的可转向天线(10)，其中所述修改器元件(14)被配置为相移器。
4.根据权利要求3所述的可转向天线(10)，其中所述天线另外还包括被配置为可变衰减器的修改器元件(14)。
5.根据权利要求3或4所述的可转向天线(10)，其中所述相移器具有波导(30)。
6.根据权利要求5所述的可转向天线(10)，其中所述波导(30)被配置为与液晶层相邻布置的微带线或共面波导、或者至少部分被填充液晶介质的中空波导。
7.根据权利要求1或2所述的可转向天线(10)，其中所述可转向天线(10)进一步包括具有多个狭槽的共同的波导，其中所述修改器元件(14)布置在所述共同的波导和所述狭槽之间。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的可转向天线(10)，其中所述修改器元件(14)中的每个都具有至少两个电极，其中第一电极被配置为施加用于调整所述液晶介质的方位状态的电场，并且第二电极连接到所述信号发生器(20)，并被配置为施加用于所述液晶介质的电介质加热的电场。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的可转向天线(10)，其中所述修改器元件(14)中的每个都具有至少一个电极(144)，所述至少一个电极(144)被配置为既施加用于调整所述液晶介质的方位状态的电场，又进一步连接到所述信号发生器(20)并且被配置为施加用于所述液晶介质的电介质加热的电场。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的可转向天线(10)，其中所述可转向天线(10)进一步包括温度传感器(40)，所述温度传感器(40)被配置为测量所述修改器元件(14)的液晶介质的温度。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的可转向天线(10)，其中提供控制单元(50)，所述控制单元(50)被配置为根据所述修改器元件(14)的液晶介质的温度来调整适合于电介质加热的、所述信号的频率。
12.一种可转向天线(10)的加热和/或退火方法，所述可转向天线(10)包括多个辐射元件(12)和多个修改器元件(14)，所述多个修改器元件(14)被配置为移动所述辐射元件(12)将发射的天线信号的相位和/或调整所述天线信号的振幅，其中所述辐射元件(12)中的一个或多个耦合到所述修改器元件(14)中的一个或多个，其中所述修改器元件(14)每个都包括液晶介质，并且其中所述修改器元件(14)被配置为使得所述相位和/或振幅的调整取决于所述液晶介质的状态，其特征在于，向所述修改器元件(14)的液晶介质施加具有适合于所述液晶介质的电介质加热的频率的交变电场。
13.根据权利要求12所述的方法，其中测量所述液晶介质的温度，并且根据测得的温度来调整所述交变电场的频率。
14.根据权利要求13所述的方法，其中借助于查找表从测得的温度确定所述频率。
15.根据权利要求12所述的方法，其中根据所述天线(10)的电介质加热的功率输入来调整所述交变电场的频率。
16.根据权利要求15所述的方法，其中通过以下步骤来确定所述频率：
i)在监视所述天线(10)的功率输入的同时，遍历预定频率范围来扫描所述频率，
ii)确定所述功率输入具有最大值时的所述频率。
17.根据权利要求16所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：
i)测量所述天线的电介质加热的功率输入，
ii)确定改变是否在所述功率输入中发生，如果是，
iii)响应于所述改变，改变加热信号的频率，以使得所述功率输入随着所述频率的改变被调整以维持预定值。
18.根据权利要求13或14所述的方法，其中经由温度传感器(40)测量所述温度，所述温度传感器(40)布置在所述液晶介质内或邻近所述液晶介质布置。
19.根据权利要求13或14所述的方法，其中经由测量所述液晶介质的电容来确定所述温度。
20.根据权利要求19所述的方法，其中查找表用于从测得的电容确定温度。
21.根据权利要求12至20中任一项所述的方法，其中对于40℃或低于40℃的、优选地从-40℃到40℃的范围内的所述液晶介质的温度，执行所述液晶介质的加热。
22.根据权利要求12至21中任一项所述的方法，其中执行温度控制，并且将所述液晶介质的温度控制为预定的温度设置点。
23.根据权利要求12至22中任一项所述的方法，其中所述可转向天线(10)是根据权利要求1至11中任一项所述的可转向天线(10)。
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