CN117518676B - 一种高增益的液晶相控阵 - Google Patents
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Abstract
一种高增益的液晶相控阵，包括共面波导传输线、一分n功率分配器、液晶移相器、偏置网络和n个端射天线单元，n≥2；其中，所述液晶移相器包括n条传输线，所述共面波导传输线连接所述一分n功率分配器的输入端口，所述一分n功率分配器的n个功率分配端口分别对应连接所述n条传输线，所述偏置网络与所述液晶移相器相连，每个所述端射天线单元包括以远离所述液晶移相器的方向依次布置的微带线、巴伦、偶极子以及一个或多个引向器，所述微带线与所述液晶移相器的对应传输线相连，其中一个或多个引向器上设置有慢波结构。本发明的液晶相控阵具有高增益的显著优点，非常有利于可重构毫米波系统的集成与发展。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种高增益的液晶相控阵。
背景技术
为满足移动终端在 L、C、Ku、Ka 或 W 波段运行的多种服务，如无线互联网、多媒体、通信和广播服务，电子可重构毫米波系统以其小体积、多功能、频谱效率高、灵活性强等优点成为当前的研究热点，应用包括机载，船载或汽车等移动终端。常用于相控阵波束扫描的技术方法包括射频微机电系统(RF MEMS)，半导体解决方案和铁电体，如钛酸钡锶(BST)。另一种方法是使用在高频段具有低损耗的液晶材料。这些方法中，液晶在寿命、连续性和封装方面优于MEMS；在频率范围和偏置电压方面优于BST，是研制波束扫描相控阵的理想材料。受益于液晶显示面板的成熟制造工艺，液晶相控阵在制造成本上也具有独特优势。第三代合作关系和新无线电波段中，具有成本竞争力和高性能的液晶基相控阵模块能够支持波束赋形和波束转向的能力，是新兴小单元基站和客户端设备的关键技术。因此，研究适用于各种移动终端的液晶相控阵对于无线通信系统来说具有十分重要的意义。
液晶相控阵体积小、质量轻、功耗低，满足现代通讯设备的轻薄化和低功耗需求。并且，由于液晶的电调特性，可以实现连续的方向图扫描。然而，普通液晶相控阵的增益一般都很低。因为在方向图扫描时，大角度的扫描通常需要很长的液晶微带线来提供天线辐射单元间较大的相位差，这将给相控阵带来巨大的损耗。低损耗和大相移量是相互矛盾的，降低损耗的同时实现360°的液晶移相是一个技术难点。除此之外，多个液晶直流偏置线的引入也会造成较高的损耗。普通液晶相控阵通常还具有成本高、难集成和响应较慢的缺点。因此，在保证液晶相控阵扫描角度和增益的基础上，同时运用成熟的液晶生产线工艺，实现相控阵的一体化集成加工是各专家研究的重点。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种高增益的液晶相控阵。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高增益的液晶相控阵，包括共面波导传输线、一分n功率分配器、液晶移相器、偏置网络和n个端射天线单元，n≥2；其中，所述液晶移相器包括n条传输线，所述共面波导传输线连接所述一分n功率分配器的输入端口，所述一分n功率分配器的n个功率分配端口分别对应连接所述n条传输线，所述偏置网络与所述液晶移相器相连，每个所述端射天线单元包括以远离所述液晶移相器的方向依次布置的微带线、巴伦、偶极子以及一个或多个引向器，所述微带线与所述液晶移相器的对应传输线相连，其中一个或多个引向器上设置有慢波结构。
进一步地，所述液晶移相器包括液晶介质层、上层液晶取向层、下层液晶取向层、以及对应于各端射天线单元设置的n条慢波传输线和金属缺陷地，所述液晶介质层位于所述上层液晶取向层和所述下层液晶取向层之间，所述慢波传输线和所述金属缺陷地分别位于所述下层液晶取向层的下方和所述上层液晶取向层的上方，所述金属缺陷地上设置有与所述慢波传输线的慢波结构相对应的缺陷。
进一步地，所述偏置网络为直流偏置网络，包括对应于每个慢波传输线设置的直流块和直流偏置线，各直流块连接在对应的慢波传输线与对应的端射天线单元之间，各直流偏置线沿所述液晶移相器的两侧分布。
进一步地，位于中间的一个或多个所述直流偏置线起始于对应的慢波传输线和端射天线单元连接处，并横向穿过靠外侧的慢波传输线与端射天线单元之间的连接处，靠外侧的直流偏置线起始于对应的慢波传输线和所述一分n功率分配器的连接处。
进一步地，n为偶数，各直流偏置线沿所述液晶移相器的两侧分布对称分布。
进一步地，所述金属缺陷地上设置有与所述直流块相对应的缺陷。
进一步地，还包括与所述共面波导传输线共面的共面地，所述共面地与所述金属缺陷地不在同一平面，且交错重叠布置。
进一步地，在所述共面地和/或所述金属缺陷地相交叠的一端进行倒圆角处理。
进一步地，所述共面地包括对称设置在所述共面波导传输线两侧的两部分，与所述共面波导传输线之间设有间隙。
进一步地，仅在靠近所述偶极子的第一个引向器上设置所述慢波结构。
进一步地，所述端射天线单元按间隔0.25λ~1λ的间隔排列成均匀线阵。
在一些具体实施例中，一种高增益的液晶相控阵，包括共面波导传输线、一分四功率分配器、4个慢波液晶移相器、偏置网络和4个端射天线单元，并配置有上、下介质基板，例如石英玻璃基板。
在一些具体实施例中，所述慢波液晶移相器中，2层聚酰亚胺薄膜层作为液晶介质层的取向层，位于液晶介质层的上方和下方。2层聚酰亚胺薄膜层和液晶介质层固定于上层和下层石英玻璃基板之间。
在一些具体实施例中，4个端射天线单元组成高增益端射天线阵。其中，端射天线单元包括微带线、巴伦、偶极子以及加载慢波结构的引向器，位于下层石英玻璃基板上表面。4个慢波液晶移相器分别与一分四功率分配器的输出端口连接。偏置网络为所述直流偏置网络，包括4根直流偏置线，且对称分布。直流块和直流偏置线加载于端射天线单元和慢波液晶移相器之间。中间两个慢波液晶移相器的直流偏置线分别横向穿过两侧两个慢波液晶移相器与端射天线之间的连接处，且中间两个慢波液晶移相器的直流偏置线起始于慢波液晶移相器和端射天线连接处。两侧两个慢波液晶移相器的直流偏置线起始于慢波液晶移相器和一分四功率分配器的连接处。
所述共面波导传输线与一分四功率分配器的输入端口口连接，慢波液晶移相器的四条慢波传输线分别后接于一分四功率分配器的四个功率分配端口，四个端射天线单元分别与四条慢波传输线连接。共面波导传输线的共面地与一分四功率分配器和慢波液晶移相器的金属缺陷地不在同一平面，共面波导传输线的金属缺陷地与上层石英玻璃基板的金属缺陷地交错重叠布置。
可选地，所述慢波结构加载于端射天线单元的一个引向器或多个引向器。较优地，所述慢波结构加载于端射天线单元的第一引向器。
可选地，所述偏置网络加载于慢波液晶移相器的同侧。较优地，所述偏置网络对称布置，分别位于慢波液晶移相器的两侧。
可选地，所述端射天线单元按间隔0.25λ~1λ的间隔排列成均匀线阵；较优地，所述端射天线单元按0.8λ的间隔均匀布置为直线阵。
可选地，所述共面波导传输线与所述上石英玻璃基板的金属缺陷地对称布置；较优地，所述共面波导传输线与所述金属缺陷地交叉布置。
可选地，所述共面波导传输线的共面金属缺陷地不进行倒角处理；较优地，所述共面波导传输线的共面金属缺陷地进行倒圆角处理。
本发明具有如下有益效果：
本发明提出一种高增益的液晶相控阵，将慢波结构加载于端射天线的引向器上，提高了天线单元的增益，进而有效提升了液晶相控阵的增益。进一步地，采用慢波液晶移相器，在小型化的基础上，与共面波导传输线结合，实现灵活波束扫描的同时便于一体化集成加工。进一步地，通过优化偏置网络的布局结构，有效降低了慢波液晶移相器的插入损耗。本发明的液晶相控阵具有高增益的显著优点，非常有利于可重构毫米波系统的集成与发展。
具体地，本发明实施例具备如下显著优点：
1. 本发明提出的将慢波结构加载于引向器的端射天线单元，通过加载慢波结构于天线单元的引向器，使天线单元在频率60GHz的辐射增益达到了11dBi，有效地缓解了现有的液晶相控阵损耗大的难题。
2. 本发明将倒置微带慢波液晶移相器与平面端射天线结合，实现了低剖面的液晶扫描相控阵，有利于液晶相控阵的小型化和一体化集成加工。
3. 本发明实现不同层的共面波导传输线的地和慢波液晶移相器的地很好的衔接。运用共面波导传输线馈电，解决了倒置微带液晶移相器与馈电微带线地不连续的问题。通过将共面波导传输线的共面地与慢波液晶移相器的地交错重叠布置， 有效抑制了不共面地造成的电磁波泄露，解决了经典的倒置微带液晶移相器的地与馈电微带线的地由于不在同一层平面而导致的损耗大问题。
4. 本发明通过优化偏置网络的布局结构，还有效降低了慢波液晶移相器的插入损耗。
本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。
附图说明
图1为本发明实施例的高增益的液晶相控阵的三维图；
图2为本发明实施例的高增益的液晶相控阵的下石英玻璃基板的俯视图；
图3为本发明实施例的高增益的液晶相控阵的上石英玻璃基板的仰视图；
图4为本发明实施例的高增益的液晶相控阵天线单元的结构图；
图5为本发明实施例的高增益的液晶相控阵天线单元的增益图；
图6为本发明实施例的高增益的液晶相控阵端射天线单元的S参数；
图7为本发明实施例的高增益的液晶相控阵的S参数；
图8为本发明实施例的高增益的液晶相控阵的波束扫描增益图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
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，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，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，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参阅图1至图4，本发明实施例提供一种高增益的液晶相控阵，包括共面波导传输线7、一分n功率分配器（例如一分四功率分配器13）、液晶移相器（例如慢波液晶移相器9）、偏置网络11和n个端射天线单元8，n≥2；其中，所述液晶移相器包括n条传输线，所述共面波导传输线7连接所述一分n功率分配器的输入端口，所述一分n功率分配器的n个功率分配端口分别对应连接所述n条传输线，所述偏置网络11与所述液晶移相器相连，每个所述端射天线单元8包括以远离所述液晶移相器的方向依次布置的微带线21、巴伦20、偶极子19以及一个或多个引向器17，所述微带线21与所述液晶移相器的对应传输线相连，其中一个或多个引向器17上设置有慢波结构。该慢波结构可采用（但不限于）本申请人的公开号为CN116960585A的专利申请公开的慢波传输线结构。
以下进一步描述本发明具体实施例。
如图1-图4所示，本发明实施例的一种高增益的液晶相控阵，包括共面波导传输线7、慢波液晶移相器9、端射天线单元8、金属缺陷地6和上石英玻璃基板1及下石英玻璃基板2，还包括分别设置于所述液晶介质4上方与下方的聚酰亚胺薄膜3、5作为液晶介质4分子的取向层；其中，所述端射天线单元8包括：微带线21、巴伦20、偶极子19和三个引向器17，以及加载于其中一个或多个引向器17上的慢波结构18。如图2和图4所示，在第一个引向器17上加载有慢波结构18。
所述慢波液晶移相器9包括：液晶介质4、聚酰亚胺薄膜3、5、偏置网络11、直流焊盘12、直流块14、一分四功率分配器13、慢波传输线10和金属缺陷地6。液晶由所述聚酰亚胺薄膜3、5取向，固定于上石英玻璃基板1及下石英玻璃基板2之间。慢波传输线10可采用（但不限于）本申请人的公开号为CN116960585A的专利申请公开的慢波传输线。
所述共面波导传输线7连接于一分四功率分配器13的前端，慢波液晶移相器9的四条慢波传输线10分别后接于一分四功率分配器13的四个功率分配端口。四个端射天线单元8分别后接于慢波液晶移相器9的四条慢波传输线10，直流块14位于端射天线单元8和慢波传输线10之间。偏置网络11连接慢波传输线10。
所述共面波导传输线7、一分四功率分配器13、慢波液晶移相器9、偏置网络11和端射天线单元8均位于下石英玻璃基板2的上表面。所述金属缺陷地6位于上石英玻璃基板1的下表面。所述金属缺陷地6上设置有与慢波传输线10的慢波结构相对应的缺陷15a以及与直流块14相对应的缺陷15b。
液晶介质4由所述聚酰亚胺薄膜3、5取向，固定于所述上石英玻璃基板1和下石英玻璃基板2之间，且均布于慢波传输线10之上。
各端射天线单元8的增益会随着引向器数量的增加而进一步提升。所述慢波结构18可加载于一个或多个引向器17之上，加载慢波结构的引向器数量的增加也可提升增益，但会提高加工复杂度，且加载慢波结构的引向器的数量越多，阻抗越难实现匹配。本发明优选实施例仅在第一个引向器上加载慢波结构，提升增益的同时便于加工和实现阻抗匹配。
本发明实施例的高增益的液晶相控阵中，偏置网络11既可以加载于所述慢波液晶移相器9的同侧，也可以加载于所述慢波液晶移相器9的两侧。虽然同侧的偏置网络布置方便加工，但当偏置网络加载于慢波液晶移相器的同侧时，需要较大的直流块尺寸，且会存在多条偏置线穿过直流块的情况，这一定程度上增加了系统的损耗。将偏置网络加载于所述慢波液晶移相器的两侧，可以降低直流块的尺寸，并减少穿过直流块偏置线的数量，有效优化了系统的传输损耗。
此外，本发明实施例将共面波导传输线的共面地22与慢波液晶移相器的金属缺陷地6交错重叠布置， 金属缺陷地6的交错重叠可以使得地不在同一平面的情况下平稳的传输电流，解决了经典的倒置微带慢波液晶移相器的金属缺陷地6与系统的金属缺陷地6不连续的问题。
液晶相控阵更为详细的实施例如图1-图4所示，该高增益的液晶相控阵包括共面波导传输线7、一分四功率分配器13、慢波液晶移相器9、端射天线单元8、金属缺陷地6和上石英玻璃基板1及下石英玻璃基板2，还包括设置于所述液晶介质4上方与下方的聚酰亚胺薄膜3、5作为液晶介质4分子的取向层。
如图1所示，所述液晶相控阵由下石英玻璃基板、上石英玻璃基板和液晶介质与铜金属线组成三明治结构。液晶相控阵的整体尺寸为55×32×0.276mm3。其中，上石英玻璃基板为47×22×0.1mm3；金属缺陷地6的尺寸为25×22×0.003mm3；液晶介质的厚度为0.05mm，所有铜金属线的厚度均为0.003mm。共面波导传输线的共面地22的整体尺寸为14×12mm2，其中，共面波导传输线宽0.24mm；共面波导传输线7与共面地22之间的间隙为0.13mm。并且，共面波导传输线7的共面地22与一分四功率分配器和慢波液晶移相器的金属缺陷地6交错的位置倒出半径为3mm的圆角，便于电流更平稳的过渡不在同一平面的金属缺陷地6 。
如图2所示，所述慢波液晶移相器9、偏置网络11、共面波导微带线7、一分四功率分配器13和端射天线单元8均位于下石英玻璃基板2的上表面。偏置网络11对称分布于慢波液晶移相器9的两侧；直流块14设置于慢波液晶移相器9与端射天线单元8之间。从激励端到天线辐射端，包括共面波导传输线7、一分四功率分配器13、慢波液晶移相器9、偏置网络11、直流块14和端射天线单元8。
如图3所示，金属缺陷地6位于上石英玻璃基板1的下表面，且金属缺陷地6设置有对应于慢波液晶移相器9和直流块14的缺陷15a和15b。
如图4所示，所述端射天线单元包括：微带线21、巴伦20、偶极子19和三个引向器17，以及加载于第一引向器的慢波结构18。其中，引向器的长度为0.25λ，各引向器以1.5mm的间距均匀布置；偶极子的长度为0.5λ。
由图5-图6可知，所述端射天线单元在中心频率为60 GHz时的-10dB带宽为7GHz，覆盖了55.8 GHz-63.2 GHz的频带范围，且具有11dBi的高增益。
由图7-图8可知，所述的一种高增益的液晶相控阵的-10dB带宽为5GHz，覆盖了55.3 GHz-60.7 GHz的频带范围。在频带内实现连续的波束扫描，扫描角度的范围可达±25°，且扫描范围内增益为13.1dBi~14.5dBi。
与现有技术相比，本发明提出的高增益的液晶相控阵，将慢波结构加载于端射天线的引向器，提高了天线单元的增益，进而有效提升了液晶相控阵的增益。进一步地，采用慢波液晶移相器，在小型化的基础上，与共面波导传输线结合，实现灵活波束扫描的同时便于一体化集成加工。进一步地，通过优化偏置网络的布局结构，有效降低了慢波液晶移相器的插入损耗。
本发明实施例具备如下显著优点：
1.本发明提出的将慢波结构加载于引向器的端射天线单元，通过加载慢波结构于天线单元的引向器，使天线单元在频率60GHz的辐射增益达到了11dBi，有效地缓解了现有的液晶相控阵损耗大的难题。
2.本发明将倒置微带慢波液晶移相器与平面端射天线结合，实现了低剖面的液晶扫描相控阵，有利于液晶相控阵的小型化和一体化集成加工。
3.本发明实现不同层的共面波导传输线的地和慢波液晶移相器的地很好的衔接。运用共面波导传输线馈电，解决了倒置微带液晶移相器与馈电微带线地不连续的问题。通过将共面波导传输线的共面地与慢波液晶移相器的地交错重叠布置， 有效抑制了不共面地造成的电磁波泄露，解决了经典的倒置微带液晶移相器的地与馈电微带线的地由于不在同一层平面而导致的损耗大问题。
4. 本发明通过优化偏置网络的布局结构，还有效降低了慢波液晶移相器的插入损耗。
本发明的液晶相控阵具有高增益的优点，非常有利于可重构毫米波系统的集成与发展。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。
Claims (10)
1.一种高增益的液晶相控阵，其特征在于，包括共面波导传输线、一分n功率分配器、液晶移相器、偏置网络和n个端射天线单元，n≥2；其中，所述液晶移相器包括n条传输线，所述共面波导传输线连接所述一分n功率分配器的输入端口，所述一分n功率分配器的n个功率分配端口分别对应连接所述n条传输线，所述偏置网络与所述液晶移相器相连，每个所述端射天线单元包括以远离所述液晶移相器的方向依次布置的微带线、巴伦、偶极子以及一个或多个引向器，所述微带线与所述液晶移相器的对应传输线相连，其中一个或多个引向器上设置有慢波结构。
2.如权利要求1所述的液晶相控阵，其特征在于，所述液晶移相器包括液晶介质层、上层液晶取向层、下层液晶取向层、以及对应于各端射天线单元设置的n条慢波传输线和金属缺陷地，所述液晶介质层位于所述上层液晶取向层和所述下层液晶取向层之间，所述慢波传输线和所述金属缺陷地分别位于所述下层液晶取向层的下方和所述上层液晶取向层的上方，所述金属缺陷地上设置有与所述慢波传输线的慢波结构相对应的缺陷。
3.如权利要求2所述的液晶相控阵，其特征在于，所述偏置网络为直流偏置网络，包括对应于每个慢波传输线设置的直流块和直流偏置线，各直流块连接在对应的慢波传输线与对应的端射天线单元之间，各直流偏置线沿所述液晶移相器的两侧分布。
4.如权利要求3所述的液晶相控阵，其特征在于，位于中间的一个或多个所述直流偏置线起始于对应的慢波传输线和端射天线单元连接处，并横向穿过靠外侧的慢波传输线与端射天线单元之间的连接处，靠外侧的直流偏置线起始于对应的慢波传输线和所述一分n功率分配器的连接处。
5.如权利要求4所述的液晶相控阵，其特征在于，n为偶数，各直流偏置线沿所述液晶移相器的两侧分布对称分布。
6.如权利要求3所述的液晶相控阵，其特征在于，所述金属缺陷地上设置有与所述直流块相对应的缺陷。
7.如权利要求2至6任一项所述的液晶相控阵，其特征在于，还包括与所述共面波导传输线共面的共面地，所述共面地与所述金属缺陷地不在同一平面，且交错重叠布置。
8.如权利要求7所述的液晶相控阵，其特征在于，在所述共面地和/或所述金属缺陷地相交叠的一端进行倒圆角处理。
9.如权利要求7所述的液晶相控阵，其特征在于，所述共面地包括对称设置在所述共面波导传输线两侧的两部分，所述两部分与所述共面波导传输线之间分别设有间隙。
10.如权利要求1至6任一项所述的液晶相控阵，其特征在于，仅在靠近所述偶极子的第一个引向器上设置所述慢波结构。
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