【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于微波天線，具體涉及一種基于液晶的圓極化介質諧振器二維波束掃描相控陣天線。
技術介紹
1、隨著全球信息產業的加速發展，國防、商業、民生等領域對衛星通信系統的需求越來越大，各個行業都加大了對衛星互聯網技術的投資，期望建成具有全球覆蓋能力的衛星互聯網系統。其中陣列天線因具有高增益、窄波束等優點被廣泛采用，常規的陣列天線只能輻射定向波束，但在每個單元的饋電端口加上移相器等電調器件后，就可以實現輻射波束的空間掃描，這樣的天線稱為相控陣天線。對于傳統的有源相控陣，雖然其性能優異，但也存在一些不足限制了應用場景，比如高昂的成本、笨重的體積(剖面高)、散熱難、工程化難度大，基于液晶移相技術的相控陣天線具有成本低、輕量化、剖面低、功耗低、調控靈活性高、利于實現智能可重構特性等諸多優勢。然而，目前液晶相控陣天線的工作帶寬、掃描角度范圍等性能離實用要求還有一定差距。
2、現有技術“liquid?crystal?based?phased?array?antenna?with?improved?beamscanning?capability”公開了一種基于液晶的介質諧振器相控陣天線，將輻射元件從傳統的微帶貼片換成了介質諧振器，當波束掃描范圍為±30°時，增益下降僅1.5db，但它只能實現一維波束掃描，沒有實現圓極化，并且在玻璃基板上放置介質諧振器的工藝復雜。現有技術“30ghz?liquid?crystal?phased?array”公開了一種工作在30ghz的4*4液晶相控陣，每四個天線由一個液晶移相器控制。因而只能實現一維波
技術實現思路
1、本專利技術的目的是克服上述現有技術的缺陷，提供一種基于液晶的圓極化介質諧振器二維波束掃描相控陣天線，在液晶相控陣天線架構的基礎上提升天線的阻抗帶寬和軸比帶寬性能，同時簡化了使用順序旋轉后的耦合饋電結構。
2、本專利技術所提出的技術問題是這樣解決的：
3、一種基于液晶的圓極化介質諧振器二維波束掃描相控陣天線，包括介質諧振器輻射單元層1、柔性印刷電路板2、饋電網絡3、tape膠4、第一玻璃基板5、接地板6、液晶層7、倒置螺旋微帶線移相器層8、封膠框9和第二玻璃基板10；
4、介質諧振器輻射單元層1位于柔性印刷電路板2的上表面，由2n×2n二維周期排布的介質諧振器101組成，n為正整數；饋電網絡3位于柔性印刷電路板2的下表面，饋電網絡3是一分2n+1的t形微帶功分器；接地板6為銅金屬板，覆蓋在第一玻璃基板5的下表面，面積覆蓋介質諧振器輻射單元1對應位置；倒置螺旋微帶線移相器層8位于第二玻璃基板9的上表面，由2n×2n二維排布的倒置螺旋微帶線801組成；tape膠4涂抹在柔性印刷電路板2的下表面四周邊緣，并與第一玻璃基板5上表面粘接起來，中間形成一個空腔；第二玻璃基板10的上表面與第一玻璃基板5的下表面之間通過封膠框9連接，形成密封盒體，內部充滿液晶作為液晶層7；接地板6在饋電網絡3和倒置螺旋微帶線801尾部處開有耦合縫隙。
5、進一步的，介質諧振器101呈橢圓柱形，用于實現圓極化輻射；將2n×2n的介質諧振器101劃分為若干個2×2子陣；對于每個子陣，記其左上角點位為原點，d為介質諧振器101的周期，位于左上方位的介質諧振器101與柔性印刷電路板2的邊呈45°夾角，2×2子陣中右上方位、右下方位和左下方位的介質諧振器101分別由左上方位的介質諧振器101以(d，d)為中心順時針旋轉90°、180°和270°得來的；2×2子陣以子陣周期2d延拓構成介質諧振器輻射單元層1。
6、進一步的，饋電網絡3為n+1級一分二t形結微帶功分器結構，是一個一分2n+1的微帶功分器。其中，每一級一分二t形結微帶功分器的輸出微帶線長度相同，輸入端和輸出端的微帶線特性阻抗采用100ω，t形結分支處采用1/4導波波長阻抗變換器進行阻抗變換；第一級一分二t形結微帶功分器的輸入端微帶線級聯有阻抗匹配微帶線，作為饋電網絡3的輸入端；接地板6在饋電網絡3中的第n+1級一分二t形結微帶功分器的輸出微帶線處開有與其相互垂直的第一耦合縫隙。
7、進一步的，倒置螺旋微帶線移相器層8包括偏置網絡和2n×2n個倒置螺旋微帶線801；2n×2n個倒置螺旋微帶線801劃分為若干個2×2的倒置螺旋微帶線組；對于每個倒置螺旋微帶線組，記其左上角點位為原點，右上方位、右下方位和左下方位的倒置螺旋微帶線801分別由左上方位的倒置螺旋微帶線801以(d，d)為中心順時針旋轉90°、180°和270°得來的；對于左上方位的倒置螺旋微帶線801，由長度為4λg～6λg的微帶線呈順時針旋轉而成，λg為波導波長；倒置螺旋微帶線801的起始端連接有l形微帶線，水平方向相鄰的兩個l形微帶線呈垂直軸對稱結構，垂直方向相鄰的兩個l形微帶線呈水平軸對稱結構；接地板6在倒置螺旋微帶線801的末端位置開有與其相互垂直的第二耦合縫隙；偏置網絡為2n×2n的交流偏置線802，分別與對應的倒置螺旋微帶線801連接；交流偏置線802上設有長度為λg/4的開路傳輸線作為射頻隔離結構，開路傳輸線的一端連接至交流偏置線802上距離與倒置螺旋微帶線801連接點λg/4處，另一端開路；控制電路通過2n×2n的交流偏置線802分別與2n×2n的倒置螺旋微帶線801連接，用于控制倒置螺旋微帶線801的偏置電壓，控制電路由fpga實現。
8、進一步的，n＝2。
9、進一步的，第一玻璃基板5和第二玻璃基板9均采用的玻璃基板的介電常數為5.8。
10、進一步的，液晶層7使用的液晶相對介電常數調節范圍為2.5～3.52。
11、進一步的，液晶層7經過配向處理，在未施加偏置電壓時，液晶分子指向一致，液晶材料具有最小的介電常數；當通過偏置線在倒置螺旋微帶線801上施加偏置電壓時，液晶分子發生偏轉，液晶材料的介電常數發生變化，對應倒置螺旋微帶線801等效移相器的移相量發生變化，從而實現移相量的調節。
12、進一步的，為2×2子陣配置0°、90°、180°和270°的初始極化相位；根據平面相控陣波束指向原理和需要的天線波束方位角計算出每個倒置螺旋微帶線801所需的掃描相位，將掃描相位和初始極化相位進行疊加，并計算出液晶對應的偏置電壓值，通過偏置網絡為每個倒置螺旋微帶線801等效移相器施加偏置電壓。
13、本專利技術的有益效果是：
14、本專利技術所述天線在液晶相控陣天線領域首次采用微擾結構的介質諧振器輻射結構，介質諧振器天線由低損耗的微波介質材料構成的輻射器，通過除地面以外的整個諧振器表面輻射，且沒有導體和表面波損耗，具有較寬的阻抗帶寬、軸比帶寬，以及較高的輻射效率，介質諧本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于液晶的圓極化介質諧振器二維波束掃描相控陣天線，其特征在于，包括介質諧振器輻射單元層(1)、柔性印刷電路板(2)、饋電網絡(3)、tape膠(4)、第一玻璃基板(5)、接地板(6)、液晶層(7)、倒置螺旋微帶線移相器層(8)、封膠框(9)和第二玻璃基板(10)；
2.根據權利要求1所述的基于液晶的圓極化介質諧振器二維波束掃描相控陣天線，其特征在于，介質諧振器(101)呈橢圓柱形，用于實現圓極化輻射；將2N×2N的介質諧振器(101)劃分為若干個2×2子陣；對于每個子陣，記其左上角點位為原點，d為介質諧振器101的周期，位于左上方位的介質諧振器(101)與柔性印刷電路板(2)的邊呈45°夾角，2×2子陣中右上方位、右下方位和左下方位的介質諧振器(101)分別由左上方位的介質諧振器(101)以(d，d)為中心順時針旋轉90°、180°和270°得來的；2×2子陣以子陣周期2d延拓構成介質諧振器輻射單元層(1)。
3.根據權利要求1所述的基于液晶的圓極化介質諧振器二維波束掃描相控陣天線，其特征在于，饋電網絡(3)為N+1級一分二T形結微帶功分器結構，是
4.根據權利要求2所述的基于液晶的圓極化介質諧振器二維波束掃描相控陣天線，其特征在于倒置螺旋微帶線移相器層(8)包括偏置網絡和2N×2N個倒置螺旋微帶線(801)；2N×2N個倒置螺旋微帶線(801)劃分為若干個2×2的倒置螺旋微帶線組；對于每個倒置螺旋微帶線組，記其左上角點位為原點，右上方位、右下方位和左下方位的倒置螺旋微帶線(801)分別由左上方位的倒置螺旋微帶線(801)以(d，d)為中心順時針旋轉90°、180°和270°得來的；對于左上方位的倒置螺旋微帶線(801)，由長度為4λg～6λg的微帶線呈順時針旋轉而成，λg為波導波長；倒置螺旋微帶線(801)的起始端連接有L形微帶線，水平方向相鄰的兩個L形微帶線呈垂直軸對稱結構，垂直方向相鄰的兩個L形微帶線呈水平軸對稱結構；接地板(6)在倒置螺旋微帶線(801)的末端位置開有與其相互垂直的第二耦合縫隙；偏置網絡為2N×2N的交流偏置線(802)，分別與對應的倒置螺旋微帶線(801)連接；交流偏置線(802)上設有長度為λg/4的開路傳輸線作為射頻隔離結構，開路傳輸線的一端連接至交流偏置線(802)上距離與倒置螺旋微帶線(801)連接點λg/4處，另一端開路；控制電路通過2N×2N的交流偏置線(802)分別與2N×2N的倒置螺旋微帶線(801)連接，用于控制倒置螺旋微帶線(801)的偏置電壓，控制電路由FPGA實現。
5.根據權利要求1所述的基于液晶的圓極化介質諧振器二維波束掃描相控陣天線，其特征在于，N＝2。
6.根據權利要求1所述的基于液晶的圓極化介質諧振器二維波束掃描相控陣天線，其特征在于，第一玻璃基板(5)和第二玻璃基板(9)均采用的玻璃基板的介電常數為5.8。
7.根據權利要求1所述的基于液晶的圓極化介質諧振器二維波束掃描相控陣天線，其特征在于，液晶層(7)使用的液晶相對介電常數調節范圍為2.5～3.52。
8.根據權利要求1所述的基于液晶的圓極化介質諧振器二維波束掃描相控陣天線，其特征在于，液晶層(7)經過配向處理，在未施加偏置電壓時，液晶分子指向一致，液晶材料具有最小的介電常數；當通過偏置線在倒置螺旋微帶線(801)上施加偏置電壓時，液晶分子發生偏轉，液晶材料的介電常數發生變化，對應倒置螺旋微帶線(801)等效移相器的移相量發生變化，從而實現移相量的調節。
9.根據權利要求4所述的基于液晶的圓極化介質諧振器二維波束掃描相控陣天線，其特征在于，為2×2子陣配置0°、90°、180°和270°的初始極化相位；根據平面相控陣波束指向原理和需要的天線波束方位角計算出每個倒置螺旋微帶線(801)所需的掃描相位，將掃描相位和初始極化相位進行疊加，并計算出液晶對應的偏置電壓值，通過偏置網絡為每個倒置螺旋微帶線(801)等效移相器施加偏置電壓。
...【技術特征摘要】
1.一種基于液晶的圓極化介質諧振器二維波束掃描相控陣天線，其特征在于，包括介質諧振器輻射單元層(1)、柔性印刷電路板(2)、饋電網絡(3)、tape膠(4)、第一玻璃基板(5)、接地板(6)、液晶層(7)、倒置螺旋微帶線移相器層(8)、封膠框(9)和第二玻璃基板(10)；
2.根據權利要求1所述的基于液晶的圓極化介質諧振器二維波束掃描相控陣天線，其特征在于，介質諧振器(101)呈橢圓柱形，用于實現圓極化輻射；將2n×2n的介質諧振器(101)劃分為若干個2×2子陣；對于每個子陣，記其左上角點位為原點，d為介質諧振器101的周期，位于左上方位的介質諧振器(101)與柔性印刷電路板(2)的邊呈45°夾角，2×2子陣中右上方位、右下方位和左下方位的介質諧振器(101)分別由左上方位的介質諧振器(101)以(d，d)為中心順時針旋轉90°、180°和270°得來的；2×2子陣以子陣周期2d延拓構成介質諧振器輻射單元層(1)。
3.根據權利要求1所述的基于液晶的圓極化介質諧振器二維波束掃描相控陣天線，其特征在于，饋電網絡(3)為n+1級一分二t形結微帶功分器結構，是一個一分2n+1的微帶功分器；每一級一分二t形結微帶功分器的輸出微帶線長度相同，輸入端和輸出端的微帶線特性阻抗采用100ω，t形結分支處采用1/4導波波長阻抗變換器進行阻抗變換；第一級一分二t形結微帶功分器的輸入端微帶線級聯有阻抗匹配微帶線，作為饋電網絡(3)的輸入端；接地板(6)在饋電網絡(3)中的第n+1級一分二t形結微帶功分器的輸出微帶線處開有與其相互垂直的第一耦合縫隙。
4.根據權利要求2所述的基于液晶的圓極化介質諧振器二維波束掃描相控陣天線，其特征在于倒置螺旋微帶線移相器層(8)包括偏置網絡和2n×2n個倒置螺旋微帶線(801)；2n×2n個倒置螺旋微帶線(801)劃分為若干個2×2的倒置螺旋微帶線組；對于每個倒置螺旋微帶線組，記其左上角點位為原點，右上方位、右下方位和左下方位的倒置螺旋微帶線(801)分別由左上方位的倒置螺旋微帶線(801)以(d，d)為中心順時針旋轉90°、180°和270°得來的；對于左上方位的倒置螺旋微帶線(801)，由長度為4λg～6λg...
【專利技術屬性】
技術研發人員：梁鋒，伍春笛，汪相如，王秉中，
申請(專利權)人：電子科技大學，
類型：發明
國別省市：
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