CN206388860U - 一种相控阵天线和多面阵列天线装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种相控阵天线和多面阵列天线装置，属于无线电通讯设备领域。该相控阵天线包括液晶盒，液晶盒包括上基板、下基板、液晶层，上基板包括第一衬底基板、设置在第一衬底基板的第一表面上的第一偏压电极、设置在第一衬底基板的第二表面上的辐射元件，下基板包括第二衬底基板、设置在第二衬底基板的第二表面上的第二偏压电极、设置在第二衬底基板的第一表面上的接地电极，通过将液晶盒的第一衬底基板和第二衬底基板设置为弧形板，使多个辐射元件不共面，当辐射元件布置在一个凸面上时，会使得多个辐射元件辐射电磁波的总的角度范围增大，主波束在扫描到较大角度时，增益降低的程度会减小，因此可以增大相控阵天线的扫描范围。

Description

一种相控阵天线和多面阵列天线装置
技术领域
本实用新型涉及无线电通讯设备领域，特别涉及一种相控阵天线和多面阵列天线装置。
背景技术
大部分的无线电设备都设置有天线，以进行电磁信号的发射或接收，为了增强天线发射或接收电磁信号的能力，通常会将多个天线阵列布置，以形成阵列天线。
随着阵列天线的发展，出现了相控阵天线，相控阵天线主要包括移相器和阵列布置的多个辐射元件，移相器可以对接收到的电磁信号进行移相，辐射元件则可以将移相后的电磁信号向外辐射，多个辐射元件辐射的信号之间有一定的相位差，通过控制多个辐射元件辐射的信号之间的相位差的大小，就可以合成不同指向的主波束进行扫描。
目前的相控阵天线，其移相器包括一个液晶盒，液晶盒包括对盒的两块平面基板，多个辐射元件设置在其中一块平面基板的外壁上，电磁信号导入液晶盒中，通过液晶发生偏转后，产生相位变化，再通过多个辐射元件向外辐射。天线工作时，主波束在扫描到一定角度时，会出现增益大幅度降低，为了避免增益大幅度降低，相控阵天线的扫描范围通常控制在阵面法线-45°～+45°内，狭小的扫描范围极大程度地限制了相控阵天线的应用和发展。
实用新型内容
为了解决现有的相控阵天线扫描角度小的问题，本实用新型实施例提供了一种相控阵天线和多面阵列天线装置。所述技术方案如下：
一方面，本实用新型实施例提供了一种相控阵天线，所述相控阵天线包括液晶盒，所述液晶盒包括：对盒的上基板和下基板、以及填充在所述上基板和所述下基板之间的液晶层；
所述上基板包括第一衬底基板、设置在所述第一衬底基板的第一表面上的第一偏压电极、设置在所述第一衬底基板的第二表面上的多个辐射元件，所述第一衬底基板的第一表面和第二表面相对；
所述下基板包括第二衬底基板、设置在所述第二衬底基板的第二表面上的第二偏压电极、设置在所述第二衬底基板的第一表面上的接地电极，所述第二衬底基板的第一表面和第二表面相对；
所述第一衬底基板和所述第二衬底基板均为弧形板，且所述第一衬底基板的第一表面和所述第二衬底基板的第一表面均为凹面，所述第一衬底基板的第二表面和所述第二衬底基板的第二表面均为凸面，其中，所述第一衬底基板的第一表面与所述第二衬底基板的第二表面相对。
进一步地，所述第一衬底基板上设置有至少一列所述第一偏压电极，每列所述第一偏压电极包括多个沿第一方向间隔布置的多个第一电极；
所述第二衬底基板上设置有至少一列所述第二偏压电极，每列所述第二偏压电极包括多个沿第一方向间隔布置的多个第二电极；
当所述第一偏压电极有多列时，多列所述第一偏压电极沿第二方向间隔布置，所述第一方向和所述第二方向相互垂直；
每列所述第一偏压电极对应设有一列所述第二偏压电极，对应设置的所述第一偏压电极和所述第二偏压电极在所述第二衬底基板的第二表面的切平面上的投影位于同一直线上，且对应设置的一列所述第一偏压电极和所述第二偏压电极中，所述多个第一电极和所述多个第二电极在所述第一方向上交替布置，相邻两个所述第一电极之间的间距小于一个所述第二电极在所述第一方向上的长度，相邻两个所述第二电极之间的间距小于一个所述第一电极在所述第一方向上的长度。
优选地，所述第一衬底基板上设置有第一导电层，所述多个第一电极均布置在所述第一导电层上，所述第二衬底基板上设置有第二导电层，所述多个第二电极均布置在所述第二导电层上。
优选地，所述第一导电层为氧化铟锡层。
可选地，所述第二导电层为氧化铟锡层或金属层。
优选地，在所述第一方向上任意相邻的两个所述第一电极之间的间隔处对应设有一个所述辐射元件。
可选地，所述辐射元件为贴片天线或缝隙天线。
可选地，所述贴片天线为圆形、椭圆形或多边形。
可选地，所述第一偏压电极和所述第二偏压电极为金属电极。
另一方面，本实用新型实施例还提供了一种多面阵列天线装置，所述多面阵列天线装置包括装载台和安装在所述装载台上的至少两个相控阵天线，所述至少两个相控阵天线中的至少一个为前述的任一种相控阵天线。
进一步地，所述装载台具有至少两个安装面，且所述装载台上至少有两个所述安装面相交，每个所述安装面上设置有至少一个所述相控阵天线。
可选地，所述装载台呈棱台形或圆台形。
可选地，所述装载台呈球形或半球形。
优选地，所述多面阵列天线装置还包括可转动的转台，所述装载台固定在所述转台上。
本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过将相控阵天线中的液晶盒的第一衬底基板和第二衬底基板设置为弧形板，从而使多个辐射元件不共面，由于每个辐射元件辐射电磁波的范围是固定的，当多个辐射元件布置在一个凸面上时，会使得多个辐射元件辐射电磁波的总的角度范围增大，主波束在扫描到较大角度时，增益降低的程度会减小，因此可以增大相控阵天线的扫描范围，使相控阵天线在较低仰角范围内也可以进行扫描。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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本实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例提供的一种相控阵天线的结构示意图；
图2是本实用新型实施例提供的一种相控阵天线的截面视图；
图3是本实用新型实施例提供的另一种相控阵天线的结构示意图；
图4是本实用新型实施例提供的一种多面阵列天线装置的结构示意图；
图5是本实用新型实施例提供的另一种多面阵列天线装置的结构示意图；
图6是本实用新型实施例提供的另一种多面阵列天线装置的结构示意图；
图7是本实用新型实施例提供的另一种多面阵列天线装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。
图1是本实用新型实施例提供的一种相控阵天线的结构示意图，如图1所示，该相控阵天线包括液晶盒。该液晶盒包括对盒的上基板10和下基板20、以及填充在上基板和下基板之间的液晶层(未示出)。
其中，上基板10包括第一衬底基板110、设置在第一衬底基板110的第一表面110a上的第一偏压电极111a、设置在第一衬底基板110的第二表面110b上的多个辐射元件30，其中，第一衬底基板110的第一表面110a和第二表面110b相对。下基板20包括第二衬底基板210、设置在第二衬底基板210的第二表面210b上的第二偏压电极212a、设置在第二衬底基板210的第一表面210a上的接地电极211，其中，第二衬底基板210的第一表面210a和第二表面210b相对。
第一衬底基板110和第二衬底基板210均为弧形板，且第一衬底基板110的第一表面110a和第二衬底基板210的第一表面210a均为凹面，第一衬底基板110的第二表面110b和第二衬底基板210的第二表面210b均为凸面，其中，第一衬底基板110的第一表面110a与第二衬底基板210的第二表面210b相对。
通过将相控阵天线中的液晶盒的第一衬底基板和第二衬底基板设置为弧形板，从而使多个辐射元件不共面，由于每个辐射元件辐射电磁波的范围是固定的，当多个辐射元件布置在一个凸面上时，会使得多个辐射元件辐射电磁波的总的角度范围增大，主波束在扫描到较大角度时，增益降低的程度会减小，因此可以增大相控阵天线的扫描范围，使相控阵天线在较低仰角范围内也可以进行扫描。
实现时，第一衬底基板110和第二衬底基板210的边缘可以通过封框胶40连接，封框胶40可以是紫外线固化型封框胶，也可以是热固化型封框胶。
如图1所示，第一衬底基板110上设置有多列第一偏压电极111a，每列第一偏压电极111a包括多个沿第一方向(图中箭头a所示方向)间隔布置的多个第一电极111，第二衬底基板210上设置有多列第二偏压电极212a，每列第二偏压电极212a包括多个沿第一方向间隔布置的多个第二电极212。当第一偏压电极111a有多列时，多列第一偏压电极111a沿第二方向(图中箭头b所示方向)间隔布置，第一方向和第二方向相互垂直。每列第一偏压电极111a对应设有一列第二偏压电极212a，对应设置的第一偏压电极111a和第二偏压电极212a在第二衬底基板210的第二表面210b的切平面上的投影位于同一直线上，且对应设置的一列第一偏压电极111a和第二偏压电极212a中，多个第一电极111和多个第二电极212在第一方向上交替布置，相邻两个第一电极111之间的间距小于一个第二电极212在第一方向上的长度，相邻两个第二电极212之间的间距小于一个第一电极111在第一方向上的长度。
在本实用新型的另一种实施例中，也可以只设置有一列第一偏压电极111a和一列第二偏压电极212a。
通过将多个第一电极111和多个第二电极212沿着第一方向布置，由于相邻两个第一电极111之间的间距小于一个第二电极212在第一方向上的长度，相邻两个第二电极212之间的间距小于一个第一电极111在第一方向上的长度，使得除了在第一方向上最外侧的第一电极111或第二电极212，每一块第一电极111上都会有部分区域正对两块相邻的第二电极212，每一块第二电极212上都会有部分区域正对两块相邻的第一电极111，第一电极111和第二电极212正对的区域构成电容，电磁波在液晶盒内传播时，会沿着第一电极111—电容—第二电极212—电容—第一电极111的方式传播，即沿第一方向传播，电磁波在第一电极111和第二电极212正对的区域中由于液晶的作用而发生偏转，从而产向相位变化，从多个第一电极111之间的多个间隔中辐射出去的电磁波，由于经过的电容个数不同，因此电磁波偏转的次数也不同，从而使得从相邻的间隔中辐射出去的电磁波具有一定的相位差。设置一列第一偏压电极111a和第二偏压电极212a时，可以构成线阵，通过设置多列第一偏压电极111a和多列第二偏压电极212a，从而构成面阵，面阵相比线阵，在空间中扫描的范围更大。
实现时，相控阵天线还包括控制电路(未示出)，第一电极111和第二电极212分别与控制电路电连接，第一电极111和第二电极212具体可以分别通过金属引线与控制电路连接。控制电路通过改变第一电极111与第二电极212之间的电压差，从而改变液晶层中液晶分子的转向，以实现对电磁波的相位调节。
具体地，第一偏压电极111a和第二偏压电极212a可以为金属电极，金属电极制作简单方便，易于与引线连接。
可选地，第一衬底基板110和第二衬底基板210可以为玻璃基板、硅基板或塑料基板。
图2是本实用新型实施例提供的一种相控阵天线的截面视图，如图2所示，在第一方向上任意相邻的两个第一电极111之间的间隔处对应设有一个辐射元件30。通过在任意相邻的两个第一电极111之间的间隔处对应设置一个辐射元件30，可以使从相邻第一电极111之间的间隔中辐射出的电磁波耦合到辐射元件30上，并通过辐射元件30向外辐射。
可选地，辐射元件30可以为贴片天线或缝隙天线。根据不同的设计要求可以选用不同的辐射元件30，以满足不同的设计要求，在本实施例中，辐射元件30选用的是贴片天线。
进一步地，贴片天线可以为圆形、椭圆形或多边形，贴片天线的形状对电磁波的辐射也会有影响，将贴片天线设置为不同的形状，可以满足不同的设计要求。
实现时，贴片天线可以为金属贴片天线。
需要说明的是，本实用新型中所指的仰角为扫描波束与图2中的第一衬底基板110的第二表面110b的中心处的法线α之间的夹角的余角，当扫描波束与法线α的夹角越大时，则仰角越低。
图3是本实用新型实施例提供的另一种相控阵天线的结构示意图，如图3所示，该相控阵天线与图1所示的相控阵天线的结构基本相同，不同之处在于，图3中所示的相控阵天线中，第一衬底基板110上设置有第一导电层51，多个第一电极111均布置在第一导电层51上，第二衬底基板210上设置有第二导电层52，多个第二电极212均布置在第二导电层52上。
通过将第一电极111布置在第一导电层51上，第二电极212布置在第二导电层52上，可以使每个电容两端的电压差都相等，从而在第一导电层51和第二导电层52上施加电压时，第一电极111和第二电极212正对区域之间的液晶分子的偏转都相同，使电磁波在沿着第一方向传播时，每通过一次电容，电磁波产生的相位变化都相同，且通过改变第一导电层51与第二导电层52之间的电压差就可以使每次产生的相位变化量发生相应的变化。此外，设置第一导电层51和第二导电层52后，可以将第一导电层51和第二导电层52与控制电路通过引线连接，而不用在每一个第一电极111与控制电路、第二电极212与控制电路之间布置引线，从而可以便于布线，降低工艺难度，提高生产效率。
可选地，第一导电层51为氧化铟锡层或金属层。优选地，第一导电层51为氧化铟锡层，由于输入到液晶盒中的电磁波通常为射频信号，氧化铟锡对射频信号具有较高的透过率，因此采用氧化铟锡可以减少对电磁波的吸收。
可选地，第二导电层52为氧化铟锡层或金属层，由于液晶盒只需要向天线贴片一侧辐射电磁波，因此第二导电层52可以为金属导电层，当然也可以采用氧化铟锡层。在实际选择第二导电层52的材料时，可以从降低生产成本的角度出发，选择材料成本和制作成本都较低的材料制作第二导电层52。
图4是本实用新型实施例提供的一种多面阵列天线装置的结构示意图，如图4所示，多面阵列天线装置包括装载台200和安装在装载台上的至少两个相控阵天线100，至少两个相控阵天线100中的至少一个为前述的任一种相控阵天线100。
通过将相控阵天线中的液晶盒的第一衬底基板和第二衬底基板设置为弧形板，从而使多个辐射元件不共面，由于每个辐射元件辐射电磁波的范围是固定的，当多个辐射元件布置在一个凸面上时，会使得多个辐射元件辐射电磁波的总的角度范围增大，主波束在扫描到较大角度时，增益降低的程度会减小，因此可以增大相控阵天线的扫描范围。
如图4所示，装载台200呈四棱台形，四棱台形的装载台200具有一个顶面、一个底面和四个侧面，该装载台200具有5个安装面200a(顶面和四个侧面)，且装载台200上至少有两个安装面200a相交，每个安装面200a上设置有一个相控阵天线100。由于装载台200上的安装面200a相交，从而可以便于控制相控阵天线100的朝向，以增大多面阵列天线装置的扫描范围。
实现时，装载台200上可以至少设置2个安装面200a，以使得相控阵天线100可以朝向不同的方向，其中相控阵天线100的朝向为该相控阵天线100的第一衬底基板110的第二表面110b的中心处的法线的方向。
图5是本实用新型实施例提供的另一种多面阵列天线装置的结构示意图，如图5所示，该多面阵列天线装置的结构与图4所示的多面阵列天线装置的结构基本相同，不同之处在于，图5所示的多面阵列天线装置中，每个安装面200a上分别设置有多个相控阵天线100。
图6是本实用新型实施例提供的另一种多面阵列天线装置的结构示意图，如图6所示，该多面阵列天线装置的结构与图5所示的多面阵列天线装置的结构基本相同，不同之处在于，图4和图5所示的多面阵列天线装置中，装载台200呈四棱台形，而图6所示的多面阵列天线装置中，装载台300呈圆台形。
需要说明的是，虽然图5所示的装载台200呈棱台形，图6所示的装载台300呈圆台形，但是在其他实施例中，装载台还可以有其他几何形状，装载台的具体形状可以根据需要设置，以满足不同的设计要求，本实用新型并不以此为限。
在本实用新型的另一种实施例中，装载台还可以呈球形，球形的装载台具有球形的外壁，在球形的外壁上设置相控阵天线时，可以进一步提高扫描的范围。在本实用新型的又一种实现方式中，装载台也可以呈半球形。
图7是本实用新型实施例提供的另一种多面阵列天线装置的结构示意图，如图7所示，多面阵列天线装置还可以包括可转动的转台400，装载台200固定在转台400上，转台400可以绕转轴β转动，通过转动转台400可以改变天线的朝向，从而进一步提高相控阵天线扫描的范围。
实现时，转台400可以包括支撑座和动力机构，动力机构驱动支撑座绕转轴β转动，从而带动固定在支撑座上的多面阵列天线装置转动。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种相控阵天线，所述相控阵天线包括液晶盒，其特征在于，所述液晶盒包括：对盒的上基板和下基板、以及填充在所述上基板和所述下基板之间的液晶层；
所述上基板包括第一衬底基板、设置在所述第一衬底基板的第一表面上的第一偏压电极、设置在所述第一衬底基板的第二表面上的多个辐射元件，所述第一衬底基板的第一表面和第二表面相对；
所述下基板包括第二衬底基板、设置在所述第二衬底基板的第二表面上的第二偏压电极、设置在所述第二衬底基板的第一表面上的接地电极，所述第二衬底基板的第一表面和第二表面相对；
所述第一衬底基板和所述第二衬底基板均为弧形板，且所述第一衬底基板的第一表面和所述第二衬底基板的第一表面均为凹面，所述第一衬底基板的第二表面和所述第二衬底基板的第二表面均为凸面，其中，所述第一衬底基板的第一表面与所述第二衬底基板的第二表面相对。
2.根据权利要求1所述的相控阵天线，其特征在于，所述第一衬底基板上设置有至少一列所述第一偏压电极，每列所述第一偏压电极包括多个沿第一方向间隔布置的多个第一电极；
所述第二衬底基板上设置有至少一列所述第二偏压电极，每列所述第二偏压电极包括多个沿第一方向间隔布置的多个第二电极；
当所述第一偏压电极有多列时，多列所述第一偏压电极沿第二方向间隔布置，所述第一方向和所述第二方向相互垂直；
每列所述第一偏压电极对应设有一列所述第二偏压电极，对应设置的所述第一偏压电极和所述第二偏压电极在所述第二衬底基板的第二表面的切平面上的投影位于同一直线上，且对应设置的一列所述第一偏压电极和所述第二偏压电极中，所述多个第一电极和所述多个第二电极在所述第一方向上交替布置，相邻两个所述第一电极之间的间距小于一个所述第二电极在所述第一方向上的长度，相邻两个所述第二电极之间的间距小于一个所述第一电极在所述第一方向上的长度。
3.根据权利要求2所述的相控阵天线，其特征在于，所述第一衬底基板上设置有第一导电层，所述多个第一电极均布置在所述第一导电层上，所述第二衬底基板上设置有第二导电层，所述多个第二电极均布置在所述第二导电层上。
4.根据权利要求3所述的相控阵天线，其特征在于，所述第一导电层为氧化铟锡层。
5.根据权利要求3所述的相控阵天线，其特征在于，所述第二导电层为氧化铟锡层或金属层。
6.根据权利要求2～5任一项所述的相控阵天线，其特征在于，在所述第一方向上任意相邻的两个所述第一电极之间的间隔处对应设有一个所述辐射元件。
7.根据权利要求1～5任一项所述的相控阵天线，其特征在于，所述辐射元件为贴片天线或缝隙天线。
8.根据权利要求7所述的相控阵天线，其特征在于，所述贴片天线为圆形、椭圆形或多边形。
9.根据权利要求1～5任一项所述的相控阵天线，其特征在于，所述第一偏压电极和所述第二偏压电极为金属电极。
10.一种多面阵列天线装置，其特征在于，所述多面阵列天线装置包括装载台和安装在所述装载台上的至少两个相控阵天线，所述至少两个相控阵天线中的至少一个为权利要求1～9任一项所述的相控阵天线。
11.根据权利要求10所述的多面阵列天线装置，其特征在于，所述装载台具有至少两个安装面，且所述装载台上至少有两个所述安装面相交，每个所述安装面上设置有至少一个所述相控阵天线。
12.根据权利要求11所述的多面阵列天线装置，其特征在于，所述装载台呈棱台形或圆台形。
13.根据权利要求10所述的多面阵列天线装置，其特征在于，所述装载台呈球形或半球形。
14.根据权利要求10～13任一项所述的多面阵列天线装置，其特征在于，所述多面阵列天线装置还包括可转动的转台，所述装载台固定在所述转台上。
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