CN116031621A - 一种圆极化天线的谐振单元、其制备方法及圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆极化天线的谐振单元、其制备方法及圆极化天线，通过谐振单元中的第一基板和第二基板封装液晶，接地电极、第二基板上的面状电极和两者之间的导波介质构成平板波导，天线工作时，馈源从平板波导馈入，辐射能量通过面状电极上刻蚀的两条缝隙产生与缝隙相互垂直的两种正交的电场模式，实现圆极化辐射，面状电极和贴片电极构成谐振结构且加载的电场可以控制液晶层中液晶分子偏转，改变液晶的介电常数，控制辐射能量的开与断，通过对谐振单元的辐射强度进行调控，实现阵列天线的波束扫描功能。通过本发明中提出的具有开十字缝隙的谐振单元结构，增大了有效辐射面积，使得圆极化天线能够实现高增益、低轴比。

Description

一种圆极化天线的谐振单元、其制备方法及圆极化天线

技术领域

本发明涉及微波射频器件技术领域，尤指一种圆极化天线的谐振单元、其制备方法及圆极化天线。

背景技术

天线的极化通常是指天线辐射的电磁波的电场矢量方向，即电磁波的大小不变，方向随时间变化，时变电场矢量末端的运动轨迹垂直于传播方向的平面上投影。根据投影的形状不同，天线可分为线极化，椭圆极化和圆极化。

在卫星通信，电子侦察，地下通信等技术应用中，线极化天线已经无法满足其要求，因此圆极化天线正日益受到关注。圆极化波具有旋向正交性，它是指左旋圆极化天线只能接收左旋圆极化波，右旋圆极化天线只能接收右旋圆极化波。在同一空间同一频率下的左旋圆极化波和右旋圆极化并不会互相千扰，这就实现了频率的复用，增加系统容量。圆极化天线利于天线抵抗其他信号的干扰。通常情况下，单个天线的半功率波束宽度很宽，也就是说能量较为分散增益较低，而在很多应用中，需要的是高增益、窄波束且方向性好的天线。

发明内容

本发明实施例提供一种圆极化天线的谐振单元、其制备方法及圆极化天线，用以增大圆极化天线的有效辐射面积，实现圆极化天线的高增益、低轴比。

本发明实施例提供的一种圆极化天线的谐振单元，包括：相对而置的第一基板和第二基板，位于所述第一基板与所述第二基板之间的液晶层，位于所述第一基板面向所述液晶层一侧的贴片电极，以及位于所述第二基板面向所述液晶层一侧的面状电极；

其中，所述面状电极具有交叉设置的两条缝隙，所述两条缝隙相交且夹角大致为90度，所述贴片电极在所述第二基板的正投影至少覆盖所述两条缝隙的交叉点。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述谐振单元中，所述两条缝隙相互垂直，且所述两条缝隙中任意缝隙在所述交叉点两侧的长度相同。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述谐振单元中，所述贴片电极的中心点与所述交叉点在所述第二基板上的正投影相互重合。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述谐振单元中，所述贴片电极在所述第二基板上的正投影覆盖所述两条缝隙的比例相同。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述谐振单元中，所述贴片电极的形状为轴对称图形。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述谐振单元中，所述两条缝隙的长度与从所述两条缝隙谐振出的电磁波波长具有正比关系。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述谐振单元中，所述缝隙的宽度为所述电磁波波长的1/10-1/20。

另一方面，本发明实施例还提供了一种圆极化天线，包括：本发明实施例提供的上述谐振单元，位于所述谐振单元的第二基板背离所述第一基板一侧的接地电极，以及填充于所述接地电极与所述第二基板之间的导波介质。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述圆极化天线中，所述导波介质中传播的电磁波前进方向与所述两条缝隙中任意缝隙的延伸方向之间的夹角为锐角。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述圆极化天线中，所述两条缝隙中任意缝隙的延伸方向与所述导波介质中传播的电磁波前进方向之间的夹角为45度。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述圆极化天线中，所述谐振单元为多个且呈阵列排布。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述圆极化天线中，所述导波介质包括至少一层介质层。

另一方面，本发明实施例还提供了一种圆极化天线的谐振单元的制备方法，包括：

在第一基板上形成贴片电极；

在第二基板上形成面状电极，并在所述面状电极上形成交叉设置的两条缝隙；

将所述第一基板具有贴片电极的一侧与所述第二基板具有面状电极的一侧对盒后灌入液晶，形成谐振单元。

本发明有益效果如下：

本发明实施例提供的圆极化天线的谐振单元、其制备方法及圆极化天线，通过谐振单元中的第一基板和第二基板封装液晶，接地电极、第二基板上的面状电极和两者之间的导波介质构成平板波导，天线工作时，馈源从平板波导馈入，辐射能量通过面状电极上刻蚀的两条缝隙产生与缝隙相互垂直的两种正交的电场模式，实现圆极化辐射，面状电极和贴片电极构成谐振结构且加载的电场可以控制液晶层中液晶分子偏转，改变液晶的介电常数，控制辐射能量的开与断，通过对谐振单元的辐射强度进行调控，实现阵列天线的波束扫描功能。通过本发明中提出的具有开十字缝隙的谐振单元结构，增大了有效辐射面积，使得圆极化天线能够实现高增益、低轴比。

附图说明

图1为本发明实施例提供的圆极化天线的谐振单元的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的谐振单元中面状电极的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的谐振单元中面状电极与贴片电极之间相对位置关系的一种示意图；

图4为本发明实施例提供的谐振单元中面状电极与贴片电极之间相对位置关系的另一种示意图；

图5为本发明实施例提供的谐振单元的制备方法的流程示意图；

图6为本发明实施例提供的圆极化天线的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的圆极化天线的一种俯视结构示意图；

图8为本发明实施例提供的圆极化天线的另一种俯视结构示意图；

图9为本发明实施例提供的圆极化天线中行波传输的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

需要注意的是，附图中各图形的尺寸和形状不反映真实比例，目的只是示意说明本发明内容。并且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。

由许多谐振单元按照一定的规律排列组成天线阵列可以提高增益，因此圆极化天线的谐振单元可以是圆极化单元，也可以是线极化单元。如果不考虑辐射效率的情况下，对于谐振单元的选择没有特别要求，但是如果希望得到比较高的辐射效率，圆极化单元是更好的选择。

传统实现圆极化的方法大致可以分为四种：单馈法、多馈法、多元法、极化重构法。单馈法以空腔模型为理论基础，当馈点位置合适时，会激励起两个极化正交的简并模，扰动尺寸满足特定条件时会使得两谐振频率处的相位相差90°，从而形成圆极化。多馈法采用多个馈点且相位满足一定条件来对天线单元进行馈电。多元法采用多个线极化或圆极化单元。极化重构法是指利用超表面来实现对天线极化方式的调制，一般是以线极化天线为辐射源，在其上方或下方加载一层超表面，线极化电磁波在超表面反射或透射时会产生两个幅度相等，相互垂直，相位相差90°的电场，从而实现圆极化。本发明正是基于极化重构法实现圆极化波。

具体地，本发明实施例提供的一种圆极化天线的谐振单元，如图1所示，包括：相对而置的第一基板1和第二基板2，位于第一基板1与第二基板2之间的液晶层3，位于第一基板1面向液晶层3一侧的贴片电极4，以及位于第二基板2面向液晶层3一侧的面状电极5；其中，如图2所示，面状电极5具有交叉设置的两条缝隙51和52，两条缝隙51和52相交且夹角大致为90度，例如夹角在85度-95度之间均属于夹角在90度的范围内，可以认为两条缝隙51和52构成了类似于“+”形的图案或者可以认为两条缝隙51和52构成十字型缝隙，如图3和图4所示，贴片电极4在第二基板2的正投影至少覆盖两条缝隙51和52的交叉点50。

具体地，在本发明实施例提供的上述圆极化天线的谐振单元中，第一基板1和第二基板2用来封装液晶，辐射能量通过在面状电极5上刻蚀的两条缝隙51和52实现谐振单元的馈电，在面状电极5上刻蚀的两条缝隙51和52可以产生与两条缝隙51和52相互垂直的两种正交的电场模式，实现圆极化辐射；面状电极5和贴片电极4构成谐振结构且加载的电场可以控制液晶层3中液晶分子偏转，改变液晶的介电常数，以调整上层辐射贴片的谐振频率，控制辐射能量的开与断，通过对谐振单元的辐射强度进行调控，实现阵列天线的波束扫描功能。通过本发明中提出的具有开十字缝隙的谐振单元结构，增大了有效辐射面积，使得圆极化天线能够实现高增益、低轴比。

可选地，在本发明实施例提供的谐振单元中，如图2所示，两条缝隙51和52一般相互垂直，且两条缝隙51和52中任意缝隙在交叉点50两侧的长度相同，可以使两条缝隙51和52产生的两种正交的电场模式的馈电幅度相等，相位相差90度，即满足圆极化辐射的条件。

可选地，在本发明实施例提供的谐振单元中，可以通过调节两条缝隙51和52的长度，来调节谐振出的电磁波的波长或者频率。具体地，两条缝隙51和52的长度a与从两条缝隙51和52谐振出的电磁波波长具有正比关系，且与电磁波频率具有反比关系，即缝隙越长，则谐振出的电磁波波长越长，电磁波频率越低。

可选地，在本发明实施例提供的谐振单元中，缝隙51和52的宽度b一般随着狭缝缝隙51和52的长度a的变化而变化，具体地，缝隙51和52的宽度b一般为电磁波波长的1/10-1/20。

可选地，在本发明实施例提供的谐振单元中，贴片电极4的形状一般为轴对称图形，例如贴片电极4的形状可以为圆形、矩形，菱形等形状。具体地，如图3和图4所示，本发明以贴片电极4的形状为矩形为例进行说明。

具体地，在本发明实施例提供的谐振单元中，贴片电极4作为谐振结构的偏置电极，起到控制液晶层3中液晶分子偏转的作用，实现对谐振单元辐射强度的调控作用，为了保证贴片电极4可以有效的调控辐射强度，如图3和图4所示，贴片电极4的中心点一般与交叉点50在第二基板2上的正投影相互重合。

具体地，在本发明实施例提供的谐振单元中，贴片电极4具有一定的面积，其面积越大对液晶的调控能力越强，但其面积也会遮挡面状电极上的缝隙而影响辐射强度，因此，贴片电极4的面积应根据所需的辐射强度、工作频率以及面状电极5上的缝隙大小进行设计，即贴片电极4在第二基板2上的正投影遮挡的缝隙51和52的比例可调节，例如贴片电极4可以完全覆盖两个缝隙51和52，也可以覆盖两个缝隙51和52的部分，在此不做限定。并且，为了保证贴片电极4对两条缝隙51和52产生的两种正交的电场模式的馈电幅度影响相同，如图3和图4所示，贴片电极4在第二基板2上的正投影覆盖两条缝隙51和52的比例应尽量相同。

具体地，在本发明实施例提供的谐振单元中，如图3和图4所示，两个互相垂直的缝隙51和52可以与贴片电极4之间呈任意旋转角度，可以认为图4中示出的贴片电极4相对于图3示出的贴片电极4旋转了45度，即同一面积的贴片电极4通过调整与两条缝隙51和52的相对角度，改变贴片电极4覆盖两条缝隙51和52的比例，从而可以改变谐振单元的谐振频点。

可选地，在本发明实施例提供的谐振单元中，在第一基板1和贴片电极4之间以及在第二基板2和面状电极5之间还可以设置驱动线，驱动线可以采用透明导电材料制作，用于为贴片电极4和面状电极5提供电信号。在后续的仿真和实测过程中证实驱动线对天线的辐射特性具有一定的恶化影响，因此在设计时，驱动线应避开缝隙51和52和贴片电极4的位置，以减小影响。

可选地，在本发明实施例提供的谐振单元中，在第一基板1和第二基板2之间一般还会设置支撑柱，可以更好的实现液晶盒厚度的均一性，保证液晶盒的厚度。并且，支撑柱在设计的过程中要避开缝隙51和52和贴片电极4的位置，避免支撑柱对天线的辐射特性构成影响。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种圆极化天线的谐振单元的制备方法，如图5所示，包括以下步骤：

S1、在第一基板上形成贴片电极。

具体地，贴片电极可以采用铜、金、银等低电阻、低损耗金属形成，具体可以采用磁控溅射、热蒸发、电镀等方法制备。第一基板可以是聚四氟乙烯玻璃纤维压板、酚醛纸层压板、酚醛玻璃布层压板等常用PCB绝缘板材，也可以是石英、玻璃等具有较低微波损耗的硬性材质，厚度为100微米至10毫米。

S2、在第二基板上形成面状电极，并在面状电极上形成交叉设置的两条缝隙。

具体地，面状电极可以采用铜、金、银等低电阻、低损耗金属形成，具体可以采用磁控溅射、热蒸发、电镀等方法制备。第二基板可以是聚四氟乙烯玻璃纤维压板、酚醛纸层压板、酚醛玻璃布层压板等常用PCB绝缘板材，也可以是石英、玻璃等具有较低微波损耗的硬性材质，厚度为100微米至10毫米。

S3、将第一基板具有贴片电极的一侧与第二基板具有面状电极的一侧对盒后灌入液晶，形成谐振单元。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种圆极化天线，由于该圆极化天线解决问题的原理与前述一种圆极化天线的谐振单元相似，因此该圆极化天线的实施可以参见谐振单元的实施，重复之处不再赘述。

具体地，本发明实施例提供的一种圆极化天线，如图6所示，包括：本发明实施例提供的上述谐振单元100，位于谐振单元100的第二基板2背离第一基板1一侧的接地电极200，以及填充于接地电极200与第二基板2之间的导波介质300。其中，接地电极200、第二基板2上的面状电极5和导波介质300构成平板波导，天线工作时，馈源从平板波导馈入，通过面状电极5上刻蚀的两条缝隙51和52产生与缝隙相互垂直的两种正交的电场模式，实现圆极化辐射。

可选地，在本发明实施例提供的圆极化天线中，谐振单元100可以为多个，多个谐振单元100可以分别共同一个第一基板1、第二基板2、液晶层3和面状电极5，即在一整块第一基板1上形成各谐振单元100对应的贴片电极4，并在一整块第二基板2上形成面状电极5后，在面状电极5上刻蚀出各谐振单元100对应的交叉设置的两条缝隙51和52，之后将第一基板1和第二基板2对盒后灌入液晶，形成圆极化天线。具体地，如图7所示，谐振单元100可以呈一维阵列排布，即谐振单元100可以沿着平板波导的延伸方向排列，或者如图8所示，谐振单元100也可以呈二维阵列排布，即谐振单元100也可以沿着平板波导的延伸方向和与延伸方向垂直的方向排列。

可选地，在本发明实施例提供的圆极化天线中，如图9所示，可以在平板波导沿着延伸方向的一端设置馈电口，激励通过馈电口进入圆极化天线，并在平板波导延伸方向的终端添加匹配负载，以实现行波传输。即可以认为在平板波导中传播的电磁波前进方向与导波介质300的延伸方向相同。为了增大圆极化天线的辐射效率，应尽量使面状电极5中两条缝隙51和52的延伸方向与电磁波前进方向的夹角最大化，避免两条缝隙51和52与电磁波前进方向平行，如图7和图8所示，电磁波前进方向(即箭头所示)与两条缝隙51和52中任意缝隙的延伸方向之间的夹角为锐角。

并且，为了满足圆极化条件，即激励的两个正交的电场模式幅度应该相同，两条缝隙51和52与电磁波前进方向的夹角应该设置为相等，如图7和图8所示，两条缝隙51和52中任意缝隙的延伸方向与电磁波前进方向之间的夹角应为45度。

可选地，在本发明实施例提供的圆极化天线中，如图6所示，导波介质300可以包括至少一层介质层310，介质层310可用FR4、罗杰斯4350B介质基板等，该介质层310的介电常数较大，以实现慢波传输。

可选地，在本发明实施例提供的圆极化天线中，如图6所示，导波介质300还可以包括空气层320，具体空气层320可以采用泡棉实现其功能。

本发明实施例提供的上述圆极化天线的谐振单元、其制备方法及圆极化天线，通过谐振单元中的第一基板和第二基板封装液晶，接地电极、第二基板上的面状电极和两者之间的导波介质构成平板波导，天线工作时，馈源从平板波导馈入，辐射能量通过面状电极上刻蚀的两条缝隙产生与缝隙相互垂直的两种正交的电场模式，实现圆极化辐射，面状电极和贴片电极构成谐振结构且加载的电场可以控制液晶层中液晶分子偏转，改变液晶的介电常数，控制辐射能量的开与断，通过对谐振单元的辐射强度进行调控，实现阵列天线的波束扫描功能。通过本发明中提出的具有开十字缝隙的谐振单元结构，增大了有效辐射面积，使得圆极化天线能够实现高增益、低轴比。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种圆极化天线的谐振单元，其特征在于，包括：相对而置的第一基板和第二基板，位于所述第一基板与所述第二基板之间的液晶层，位于所述第一基板面向所述液晶层一侧的贴片电极，以及位于所述第二基板面向所述液晶层一侧的面状电极；

其中，所述面状电极具有交叉设置的两条缝隙，所述两条缝隙相交且夹角大致为90度，所述贴片电极在所述第二基板的正投影至少覆盖所述两条缝隙的交叉点。

2.如权利要求1所述的谐振单元，其特征在于，所述两条缝隙相互垂直，且所述两条缝隙中任意缝隙在所述交叉点两侧的长度相同。

3.如权利要求1所述的谐振单元，其特征在于，所述贴片电极的中心点与所述交叉点在所述第二基板上的正投影相互重合。

4.如权利要求3所述的谐振单元，其特征在于，所述贴片电极在所述第二基板上的正投影覆盖所述两条缝隙的比例相同。

5.如权利要求4所述的谐振单元，其特征在于，所述贴片电极的形状为轴对称图形。

6.如权利要求1-5任一项所述的谐振单元，其特征在于，所述两条缝隙的长度与从所述两条缝隙谐振出的电磁波波长具有正比关系。

7.如权利要求6所述的谐振单元，其特征在于，所述缝隙的宽度为所述电磁波波长的1/10-1/20。

8.一种圆极化天线，其特征在于，包括：如权利要求1-7任一项所述的谐振单元，位于所述谐振单元的第二基板背离所述第一基板一侧的接地电极，以及填充于所述接地电极与所述第二基板之间的导波介质。

9.如权利要求8所述的圆极化天线，其特征在于，所述导波介质中传播的电磁波前进方向与所述两条缝隙中任意缝隙的延伸方向之间的夹角为锐角。

10.如权利要求9所述的圆极化天线，其特征在于，所述两条缝隙中任意缝隙的延伸方向与所述导波介质中传播的电磁波前进方向之间的夹角为45度。

11.如权利要求8-10任一项所述的圆极化天线，其特征在于，所述谐振单元为多个且呈阵列排布。

12.如权利要求8-10任一项所述的圆极化天线，其特征在于，所述导波介质包括至少一层介质层。

13.一种圆极化天线的谐振单元的制备方法，其特征在于，包括：

在第一基板上形成贴片电极；

在第二基板上形成面状电极，并在所述面状电极上形成交叉设置的两条缝隙；

将所述第一基板具有贴片电极的一侧与所述第二基板具有面状电极的一侧对盒后灌入液晶，形成谐振单元。

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