CN108539331B - 基于液晶的太赫兹开槽移相单元及其构成的相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于液晶的太赫兹开槽移相单元及其构成的相控阵天线，开槽移相单元包括有上、下两层介质基板，上、下两层介质基板的间隙中注入有液晶层，上层介质基板下侧设有金属微带贴片电极，下层介质基板上侧设有金属接地电极；金属微带贴片电极包括金属层，金属层的中部开设有矩形开槽，位于矩形开槽两端的金属层的边缘上对称开设有条形分割开槽；相控阵天线包括多个开槽移相单元，开槽移相单元以上、下两层介质基板的边长为周期平铺，组成相控阵天线。本发明具有加载电路简单、小型化、制造成本低、相位连续可调等特点。

Description

基于液晶的太赫兹开槽移相单元及其构成的相控阵天线
技术领域
本发明属于太赫兹领域的成像、雷达、卫星通信领域，特别涉及一种基于液晶的太赫兹开槽移相单元及其构成的相控阵天线。
背景技术
与传统得机械扫描式天线相比，电扫描相控阵天线具有更加迅速精确的波束扫描能力。可以实现更远的目标搜索以及更加稳定可靠的性能。
微带阵列反射面天线综合了传统的抛物面天线和微带阵列天线的优点。可在亚毫米波和太赫兹范围内产生准直波束。具有很高的辐射效率以及较宽的波束扫描角度。微带阵列反射面天线研究的核心在于如何设计每个单元的结构和尺寸，使之对入射波实现特定的相位补偿，从而形成特定的波束。传统的微带反射阵列天线主要有以下几种设计方法，一是通过改变微带贴片的结构尺寸来实现相位补偿；二是通过在不同贴片上加载不同长度的相位延迟线来补偿相位；三是通过对贴片单元旋转不同的角度来获得不同的相位补偿；四是通过在贴片下的基板上加载缝隙来实现相移。
上述的方法中微带阵列的结构选定后无法调整，使得天线的波束指向也就确定了，无法令扫描角度发生变化。通常通过给每个阵元添加一个移相器，实现通过电控等方式控制移相单元的相移。传统的移相器有变容二极管移相器、铁氧体移相器、PIN二极管移相器、MEMS移相器等。变容二极管在高频段的寄生特性比较严重，仅能运用于低频段；铁氧体移相器的移相特性易随外界环境迁移，难以精确控制；MEMS移相器有需要精密的加工技术，实现难度大、制造成本过高等缺点；而基于PIN二极管的高位移相器需占用较大面积，必然会加大阵元之间的间距，恶化天线的栅瓣指标。因器件高频性能（变容二极管）、加工难度（MEMS）、电路面积（PIN二极管）等多种因素的制约，以上几种反射式相控阵列的工作频率一般在W波段以下，难以胜任更高频率的工作。
随着太赫兹领域的发展，反射阵列作为功能强大的波束形成平台，得到了广泛的研究。太赫兹频率下，可调电磁材料如铁电膜，液晶，甚至石墨烯等新材料都可以用作构建反射阵列元件的一部分，以达到相同的移相效果。可调电磁材料设计的反射阵列，采用了相对应的简单结构而实现了高增益，同时提供相控阵列的快速自适应波束成形能力。由于不需要像传统相控阵列那样的传输线馈电网络，调控也是方便的。收发器数量的大大减少，得到比传统相控阵列更低的成本。
目前的液晶电可控移向结构通常先设计移相单元，后通过连接线来对移相结构馈电。此过程中如果采用宽的连接线则会对移向性能造成很大影响，无法在大范围内实现很好的移相性能。而采用窄的连接线则会使得加工难度提高，成品率下降，以及加载电阻增加，电压分布不均匀等。此外，对于移相单元，如果结构过小，对液晶覆盖面不足，则会导致液晶层中的电场分布不均匀。
发明内容
本发明提供了一种基于液晶的太赫兹开槽移相单元及其构成的相控阵天线，该液晶移相单元可以工作在高达100GHz以上的太赫兹频段，并具有优异的性能，移相单元构成的反射面天线实现一维大角度连续扫描。
本发明采用的技术方案是：
基于液晶的太赫兹开槽移相单元，包括有上、下两层介质基板，上、下两层介质基板的间隙中注入有液晶层，其特征在于：所述上、下两层介质基板为大小相同的正方形结构，所述上层介质基板下侧设有金属微带贴片电极，下层介质基板上侧设有金属接地电极；所述金属微带贴片电极包括金属层，金属层的中部开设有矩形开槽，位于矩形开槽两端的金属层的边缘上对称开设有条形分割开槽，所述矩形开槽的长、宽度均小于上层介质基板的边长，所述条形分割开槽的长度与上层介质基板的边长相等、宽度小于上层介质基板的边长。
所述的基于液晶的太赫兹开槽移相单元，其特征在于：所述液晶层的周围用环氧树脂密封，并在上下表面用聚酰亚胺膜定向。
所述的基于液晶的太赫兹开槽移相单元，其特征在于：所述上、下两层介质基板均采用石英制成。
所述的基于液晶的太赫兹开槽移相单元，其特征在于：所述金属微带贴片电极、金属接地电极采用金属铜制成。
相控阵天线，其特征在于：包括多个开槽移相单元，所述开槽移相单元以上、下两层介质基板的边长为周期平铺，组成相控阵天线。
本发明的工作原理是：
本发明通过在液晶上下表面的金属层之间加偏压，使得液晶层中出现偏置电场，使得向列型液晶分子发生偏转。由于液晶分子水平与垂直时的介电常数不同，在液晶分子偏转后，其介电常数发生改变。这使得开槽处的谐振频点发生改变，从而实现不同频点处的相位发生变化。由于分割线开槽使得对单行添加电压不会对相邻行造成影响。通过对不同行添加不同电压来，改变每行单元的反射相位，使得反射阵列天线形成特定的波束指向或者实现波前赋形。通过调整电压，使得辐射方向在大范围变化，广角度扫描，实现相控阵天线。
本发明具有以下优点：
1、本发明中采用平面开槽的结构，在获得了需要的性能的同时简化了结构，使得制作工艺更加简单，在第一层介质基底的下表面的开槽贴片结构优化了移相单元的移相特性，增加了单元的移相范围；
2、偏置电压加载电路简单，实现方便，同时降低了工艺难度，通过增加谐振开槽的数量可以实现宽频带内的360度以上的相位差；
3、可以采用电控的方式改变移相特性，具有小型化、制造成本低、相位连续可调等特点，可以在100G以上频率范围内工作。
附图说明
图1是本发明提供的结构示意图。
图2是本发明提供的由液晶移相单元组成的阵列示意图。
图3是本发明提供的液晶移相单元结构的正视图。
图4是本发明提供的第一层基底下表面的贴片结构示意图。
图5是本发明提供的液晶移相单元结构的截面图。
图6是本发明提供的液晶移相单元谐振频点随介电常数变化图。
图7是本发明提供的液晶移相单元介电常数变化产生的移相曲线。
图8是频率为370GHz时液晶移相单元的移相曲线。
具体实施方式
实施例
基于液晶的太赫兹开槽移相单元，其结构如图1、3、4所示。包括有上、下两层介质基板1、2，上、下两层介质基板1、2的间隙中注入有液晶层3，两层介质基板1、2采用石英制成，上、下两层介质基板1、2为大小相同的正方形结构，介质基板的边长为360um，厚度为250um。液晶材料设置为SLC103014-200（石家庄诚志永华显示材料有限公司）的向列型液晶，液晶层的厚度为45um。所述上层介质基板下侧设有金属微带贴片电极，下层介质基板上侧设有金属接地电极5，电极结构为铜材料，厚度为0.25um。金属微带贴片电极包括金属层4，金属层的中部开设有矩形开槽6，位于矩形开槽两端的金属层的边缘上对称开设有条形分割开槽7，所述矩形开槽6的长、宽度分别设为180um和20um，条形分割开槽7的长、宽度分别设为360um和40um。
液晶层3的周围用环氧树脂密封，并在上下表面用聚酰亚胺膜定向。
为了实现由上述液晶移相单元构成的相控阵天线，开槽移相单元以上、下两层介质基板的边长为周期平铺，在第一层介质基板上采用光刻方法制作需要的贴片结构组成的阵列单元以及连接线，如图2、5所示。在第二层介质基板上镀出金属接地电极。两层介质平面的接触面采用聚酰亚胺膜给液晶层定向。两层介质基板之间的空隙用环氧树脂密封，再注入向列型液晶，液晶完全覆盖上表面的开槽口。
在上述技术方案中，开槽的尺寸关系到液晶移相单元的工作频率和相移范围。调节贴片的尺寸可以改变工作频率。在上述技术方案中，移相单元的中心工作频率在370GHZ。
在CST中对液晶移相单元进行仿真，得到结构工作频率下反射幅值如图6，以及此频率下的相移曲线图7所示。可见在364-371GHz频率范围内相移角度大于180。理论最大相移角度为202度。在370GHz时随着介电常数改变的移相曲线如图8所示。

Claims (5)

1.基于液晶的太赫兹开槽移相单元，包括有上、下两层介质基板，上、下两层介质基板的间隙中注入有液晶层，其特征在于：所述上、下两层介质基板为大小相同的正方形结构，所述上层介质基板下侧设有金属微带贴片电极，下层介质基板上侧设有金属接地电极；所述金属微带贴片电极包括金属层，金属层的中部开设有矩形开槽，位于矩形开槽两端的金属层的边缘上对称开设有条形分割开槽，所述矩形开槽的长、宽度均小于上层介质基板的边长，所述条形分割开槽的长度与上层介质基板的边长相等、宽度小于上层介质基板的边长。
2.根据权利要求1所述的基于液晶的太赫兹开槽移相单元，其特征在于：所述液晶层的周围用环氧树脂密封，并在上下表面用聚酰亚胺膜定向。
3.根据权利要求1所述的基于液晶的太赫兹开槽移相单元，其特征在于：所述上、下两层介质基板均采用石英制成。
4.根据权利要求1所述的基于液晶的太赫兹开槽移相单元，其特征在于：所述金属微带贴片电极、金属接地电极采用金属铜制成。
5.相控阵天线，其特征在于：包括多个如权利要求1所述的基于液晶的太赫兹开槽移相单元，所述太赫兹开槽移相单元以上、下两层介质基板的边长为周期平铺，组成相控阵天线。
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