一種液晶移相單元及其構成的相控天線制造技術

本發明專利技術公開了一種液晶移相單元及其構成的相控天線，其特征是由相互平行的上層介質基板和下層介質基板形成夾層，夾層中封閉有向列型液晶形成液晶層，在上層介質基板和下層介質基板的表面形成有金屬微帶結構，利用金屬微帶結構施加偏置電壓，并在液晶層中形成偏置電場，使液晶層中液晶分子的排列方向發生改變，從而改變液晶層介電常數，改變反射波的相位；在由液晶移相單元形成的陣列中，通過在每個單元上施加不同的電壓獲得需要的相位分布，從而獲得相應的波束指向或者實現波前賦形。本發明專利技術采用電控的方式改變移相特性，能工作在100?1000GHz頻段，其易于加工、小型化、低成本。

Liquid crystal phase shifter and its phase control antenna

The invention discloses a liquid crystal phase shifter unit and a phased antenna, which is characterized by parallel upper and lower dielectric substrate dielectric substrate to form an interlayer, interlayer is sealed to form a liquid crystal layer of nematic liquid crystal, a metal microstrip structure is formed on the upper substrate and the lower substrate surface by metal microstrip structure bias, and the bias field formed in the liquid crystal layer, the arrangement direction of liquid crystal molecules in the liquid crystal layer is changed, thereby changing the liquid crystal layer dielectric constant, the phase change of the reflected wave; in the array formed by the liquid crystal phase shifter unit, by applying different voltages in each unit to obtain the phase distribution needs thus, to obtain the corresponding beam pointing or wavefront shaping. The invention adopts the electric control way change the phase characteristics, can work in 100 1000GHz band, its easy processing, small size and low cost.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于太赫茲電子學的成像和雷達領域，特別涉及一種液晶反射移相單元及其組成的相控反射式陣列天線。
技術介紹
與傳統的機械掃描式天線相比，相控陣天線具有更加迅速精確的波束掃描能力。可以實現更遠的目標搜索以及更加穩定可靠的性能。微帶反射陣列天線綜合了傳統的拋物面反射式天線和微帶陣列天線的優點。具有很高的輻射效率以及較寬的波束掃描角度。微帶反射陣列研究的核心在于如何設計每個單元的結構和尺寸，使之對入射波實現特定的相位補償，從而形成特定的波束。傳統的微帶反射陣列天線主要有以下幾種設計方法，一是通過改變微帶貼片的結構尺寸來實現相位補償；二是通過在不同貼片上加載不同長度的相位延遲線來補償相位；三是通過對貼片單元旋轉不同的角度來獲得不同的相位補償；四是通過在貼片下的基板上加載縫隙來實現相移。上述方法中當微帶陣列的結構已經確定便不再能改變，天線的波束指向也就確定了，無法實現相控。若需要通過電控等方式控制移相單元的相移變化，可以通過給每個陣元添加一個移相器來實現。傳統的移相器有變容二極管移相器、鐵氧體移相器、PIN二極管移相器、MEMS移相器等。其中，變容二極管在高頻段的寄生特性比較嚴重，僅能運用于低頻段；鐵氧體移相器的移相特性易隨外界環境遷移，難以精確控制；MEMS移相器有需要精密的加工技術，實現難度大、制造成本過高等缺點；而基于PIN二極管的高位移相器需占用較大面積，必然會加大陣元之間的間距，惡化天線的柵瓣指標。因器件高頻性能(變容二極管)、加工難度(MEMS)、電路面積(PIN二極管)等多種因素的制約，以上幾種反射式相控陣列的工作頻率一般在W波段以下，難以勝任更高頻率的工作。
技術實現思路
本專利技術是為避免上述現有技術存在的不足之處，提供一種加工難度小、小型化、低成本的液晶移相單元及其構成的相控天線，以期采用電控的方式改變移相特性，使其能工作在100-1000GHz頻段。本專利技術為解決技術問題采用如下技術方案：本專利技術液晶移相單元的結構特點是：由相互平行的上層介質基板和下層介質基板形成夾層，在所述夾層中封閉有向列型液晶形成液晶層，在所述上層介質基板和下層介質基板的表面形成有金屬微帶結構，利用所述金屬微帶結構施加偏置電壓，并在所述液晶層中形成偏置電場，使液晶層中液晶分子的排列方向發生改變，從而改變液晶層介電常數，改變反射波的相位。本專利技術液晶移相單元的結構特點也在于：所述上層介質基板和下層介質基板的形狀大小相同。本專利技術液晶移相單元的結構特點也在于：所述上層介質基板和下層介質基板都是邊長為D，厚度為t1的正方體結構。本專利技術液晶移相單元的結構特點也在于：所述金屬微帶結構包括：處在所述上層介質基板的上表面的上層金屬貼片和處在上層介質基板的下表面的中間層金屬貼片，所述上層金屬貼片和中間層金屬貼片大小和形狀相同，處在上下相對的位置上，是長度為L、寬度為W、厚度為t0的長條形狀；在所述上層介質基板的下表面、與所述下層金屬貼片呈“十”字交叉刻蝕一條寬度為w、厚度為t0、并與所述下層金屬貼片電連接的連接線；在所述下層介質基板的上表面全覆蓋一層下層金屬貼片作為接地電極。本專利技術液晶移相單元的結構特點也在于：通過連接線在中間層金屬貼片上施加偏置電壓，利用所述中間層金屬貼片上施加的偏置電壓和接地電極在液晶層中形成偏置電場，偏置電場使液晶層中液晶分子的排列方向發生改變，從而改變液晶層介電常數，改變反射波的相位。利用本專利技術液晶移相單元構成的相控天線的結構特點是：在由所述液晶移相單元形成的陣列中，通過在每個單元上施加不同的電壓獲得需要的相位分布，從而獲得相應的波束指向或者實現波前賦形。與已有技術相比，本專利技術有益效果體現在：本專利技術利用液晶反射單元可以通過電控連續改變反射波的相位的特性，采用電控的方式改變移相特性，相位連續可調，可以在100-1000GHz頻段工作，其加工難度小、小型化、低成本。附圖說明圖1為本專利技術結構示意圖；圖2為本專利技術中由液晶移相單元組成的陣列示意圖；圖3為本專利技術中液晶移相單元結構的主視圖；圖4為本專利技術中第一層基底下表面的貼片結構示意圖；圖5為本專利技術液晶移相單元縱切面示意圖；圖6是頻率為315GHz時液晶移相單元的移相曲線；圖中標號：1上層介質基板，2下層介質基板，3液晶層，4上層金屬貼片，5中間層金屬貼片，6下層金屬貼片，7連接線。具體實施方式參見圖1、圖3、圖4和圖5，本實施例中液晶移相單元的結構形式是：由相互平行的上層介質基板1和下層介質基板2形成夾層，在所述夾層中封閉有向列型液晶形成液晶層3，在所述上層介質基板和下層介質基板的表面形成有金屬微帶結構，利用所述金屬微帶結構施加偏置電壓，并在所述液晶層中形成偏置電場，使液晶層中液晶分子的排列方向發生改變，從而改變液晶層介電常數，改變反射波的相位。具體實施中，相應的結構設置也包括：上層介質基板和下層介質基板的形狀大小相同。上層介質基板和下層介質基板都是邊長為D，厚度為t1的正方體結構。處在所述上層介質基板的上表面的上層金屬貼片4和處在上層介質基板的下表面的中間層金屬貼片5，所述上層金屬貼片和中間層金屬貼片大小和形狀相同，處在上下相對的位置上，是長度為L、寬度為W、厚度為t0的長條形狀；在所述上層介質基板的下表面、與所述下層金屬貼片6呈“十”字交叉刻蝕一條寬度為w、厚度為t0、并與所述下層金屬貼片電連接的連接線7；在所述下層介質基板的上表面全覆蓋一層下層金屬貼片作為接地電極。通過連接線在中間層金屬貼片上施加偏置電壓，利用所述中間層金屬貼片上施加的偏置電壓和接地電極在液晶層中形成偏置電場，偏置電場使液晶層中液晶分子的排列方向發生改變，從而改變液晶層介電常數，改變反射波的相位。參見圖2，利用本實施例中液晶移相單元構成的相控天線是在由所述液晶移相單元形成的陣列中，通過在每個單元上施加不同的電壓獲得需要的相位分布，從而獲得相應的波束指向或者實現波前賦形。具體實施中，液晶層的厚度為t2，在液晶層的周圍用環氧樹脂進行密封，并在液晶層的上表面和下表面用聚酰亞胺膜定向；下層金屬貼片是制作在上層介質基板的下表面上的偶極子金屬貼片，連接線與下層金屬貼片在同一平面上呈“十”字交叉，厚度均為t0，上層介質基板和下層介質基板采用石英制成。本專利技術通過連接線在金屬貼片上施加電壓，從而在液晶層中形成電場。向列型液晶分子的指向在電場中作用下會改變，液晶的介電常數也會因此改變。通過在液晶層上施加偏壓可以改變液晶材料的電特性，從而改變移相單元表面的反射波的相位。通過對液晶移相單元進行仿真測試后獲得相應的相移曲線，便可以通過控制電壓來獲得需要的相位補償。在液晶移相單元形成的陣列中通過在每個單元上施加不同的電壓來獲得需要的相位分布，從而獲得相應的波束指向。本專利技術中采用偶極子金屬貼片結構，在獲得了需要的性能的同時簡化了結構，使得制作工藝更加簡單。利用上層金屬貼片更進一步優化了移相單元的移相特性，增加了單元的移相范圍，優化移相單元的性能。具體應用中設置：D＝420um，t1＝250um；液晶層中液晶選擇型號為GT3-23001的向列型液晶，液晶層厚度t2為25um；上層金屬貼片、中間層金屬貼片、下層金屬貼片以及連接線均以金屬銅為材質，厚度均為1um；L＝225um，W＝35um，w＝5um，移相單元的中心工作頻率為31本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種液晶移相單元，其特征是：由相互平行的上層介質基板和下層介質基板形成夾層，在所述夾層中封閉有向列型液晶形成液晶層，在所述上層介質基板和下層介質基板的表面形成有金屬微帶結構，利用所述金屬微帶結構施加偏置電壓，并在所述液晶層中形成偏置電場，使液晶層中液晶分子的排列方向發生改變，從而改變液晶層介電常數，改變反射波的相位。

【技術特征摘要】
1.一種液晶移相單元，其特征是：由相互平行的上層介質基板和下層介質基板形成夾層，在所述夾層中封閉有向列型液晶形成液晶層，在所述上層介質基板和下層介質基板的表面形成有金屬微帶結構，利用所述金屬微帶結構施加偏置電壓，并在所述液晶層中形成偏置電場，使液晶層中液晶分子的排列方向發生改變，從而改變液晶層介電常數，改變反射波的相位。2.根據權利要求1所述的液晶移相單元，其特征是，所述上層介質基板和下層介質基板的形狀大小相同。3.根據權利要求1所述的液晶移相單元，其特征是：所述上層介質基板和下層介質基板都是邊長為D，厚度為t1的正方體結構。4.根據權利要求1所述的液晶移相單元，其特征是：所述金屬微帶結構包括：處在所述上層介質基板的上表面的上層金屬貼片和處在上層介質基板的下表面的中間層金屬貼片，所述上層金屬貼片和中間層...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊軍，蔡成剛，葉明旭，尹治平，鄧光晟，陸紅波，阮久福，
申請(專利權)人：合肥工業大學，
類型：發明
國別省市：安徽;34