一種基于液晶材料的頻率和方向圖可重構(gòu)天線的制作方法
【專利摘要】該發(fā)明屬于一種基于液晶材料的頻率和方向圖可重構(gòu)天線，屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于液晶材料的頻率和方向圖可重構(gòu)天線。該頻率可重構(gòu)天線包括液晶移相器、液晶微帶天線、一分四功分器。該發(fā)明將液晶材料的電調(diào)控特性與頻率和方向圖可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)相結(jié)合，制作出一種基于液晶材料的頻率和方向圖可重構(gòu)天線，使得天線頻率能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)調(diào)控，并且可調(diào)諧范圍大，波束可偏轉(zhuǎn)。提高了頻率和方向圖可重構(gòu)天線在小型化，寬頻帶的實(shí)際應(yīng)用。
【專利說明】
一種基于液晶材料的頻率和方向圖可重構(gòu)天線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于液晶材料的頻率和方向圖可重構(gòu)天線。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代雷達(dá)和通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)通信、導(dǎo)航、制導(dǎo)、警戒、武器尋的等目的，飛機(jī)、輪船、衛(wèi)星等所需的天線數(shù)量越來越多。這使得平臺上所負(fù)載的重量不斷增加，而且搭建天線所需的費(fèi)用也不斷上升，同時，各天線之間的電磁干擾也非常大，嚴(yán)重影響天線的正常工作。為了減輕平臺上所負(fù)載的天線重量、降低成本、減小平臺的雷達(dá)散射截面、實(shí)現(xiàn)良好的電磁兼容特性，希望能用一個天線來實(shí)現(xiàn)多個天線的功能。采用同一個天線或天線陣，通過動態(tài)改變其物理結(jié)構(gòu)或尺寸，使其具有多個天線的功能，相當(dāng)于多個天線共用一個物理口徑，這種天線就稱為可重構(gòu)天線。
[0003]可重構(gòu)天線的概念最早是在1983年D.Schaubert的專利“Frequency-Agile ,Polarizat1n Diverse Microstrip Antenna and Frequency Scanned Arrays” 中提出的。1999年，美國國防部高級研究計(jì)劃局(DARPA)制定了名為“Reconfigurable ApertureProgramUECAP)”的計(jì)劃。在這一計(jì)劃的資助下，一些實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)進(jìn)行了可重構(gòu)天線的初步研究，用一些形式的天線實(shí)現(xiàn)了一定程度上的可重構(gòu)，證明了可重構(gòu)天線的可行性。近年來國內(nèi)可重構(gòu)天線的研究也得到了很大的重視，王秉中等人研究較早并獲得了一定的成果。鑒于可重構(gòu)天線概念新、難度大、相關(guān)基礎(chǔ)研究少，還沒有能夠有效分析和設(shè)計(jì)可重構(gòu)天線的電磁理論。DARPA的首期研究計(jì)劃是在10倍頻程的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)方向圖的動態(tài)可重構(gòu)的。可重構(gòu)天線將主要應(yīng)用在高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)、低頻通信系統(tǒng)、電子情報(bào)、雷達(dá)(合成孔徑雷達(dá)(SAR))、地面移動目標(biāo)識別(GMTI)等諸多方面。
[0004]可重構(gòu)天線按功能一般可分為以下幾類:第一類是方向圖形狀不變，而頻率可以改變的天線，能寬頻帶或多頻段工作;第二類是頻率不變，方向圖形狀可以改變的天線;第三類是能夠同時改變頻率和方向圖的可重構(gòu)天線；另外還有其它諸如可以改變極化方向的極化可重構(gòu)天線。而按照重構(gòu)的實(shí)現(xiàn)途徑，又可分為電子器件可重構(gòu)、機(jī)械可重構(gòu)及改變天線的材料特性的可重構(gòu)等形式。
[0005]雖然早在20世紀(jì)80年代初，就已提出了可重構(gòu)天線的概念，但直到前些年，隨著高性能、低功耗的微電子機(jī)械(MEMS)開關(guān)的發(fā)展，對可重構(gòu)天線的研究才進(jìn)一步深人。目前大多數(shù)可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)采用MEMS開關(guān)。MEMS開關(guān)具有理想的開關(guān)特性，開關(guān)比非常高，可實(shí)現(xiàn)從直流到高于40GHZ射頻信號的隔離。同時，它功耗低，接人電路中插損極小，而且采用CMOS工藝制作，體積小，重量輕，便于集成。它的缺點(diǎn)是響應(yīng)速度稍慢，需要幾微秒到幾十微秒的時間，且由于其本質(zhì)為機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此機(jī)械疲勞成為阻礙其廣泛應(yīng)用的障礙。在要求響應(yīng)速度的地方，可以用PIN 二極管開關(guān)，但它的隔離特性不如MEMS開關(guān)，而且功耗大。
[0006]液晶材料這種電控材料在微波段的引入解決了這些問題，其電控特性原理源自材料本身的各向異性性，因此其在微波，太赫茲甚至光頻都具有良好的物理特性。但是液晶材料由于其特殊的物質(zhì)狀態(tài)而不易加工，因此良好的電控機(jī)構(gòu)成為可重構(gòu)天線中至關(guān)重要的部分，但是在這一方面理論與技術(shù)的成熟度不高，相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法也十分欠缺。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明是針對現(xiàn)有技術(shù)中可重構(gòu)天線存在的尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，提出的一種基于液晶材料的頻率和方向圖可重構(gòu)天線。以滿足小型化，結(jié)構(gòu)簡單等目的。
[0008]本發(fā)明的解決方案是通過以下技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)的:
[0009]—種基于液晶材料的頻率和方向圖可重構(gòu)天線，該天線包括:液晶移相器，液晶微帶天線;所述液晶移相器包括:上層玻璃基板、一條或多條蛇形金屬延遲線、液晶材料、金屬地板、液晶封裝結(jié)構(gòu)，其中蛇形金屬延遲線位于上層玻璃基板的下表面，且蛇形金屬延遲線的末端為直線，其中的一端與玻璃基板齊平用于饋電，上層玻璃基板與金屬地板之間設(shè)置液晶材料，液晶封裝結(jié)構(gòu)位于液晶移相器四周用于密封液晶材料;所述液晶微帶天線包括:金屬地板、液晶材料、一片或多片作為天線輻射單元的金屬貼片，數(shù)量與蛇形金屬延遲線條數(shù)相同、下層玻璃基板、液晶封裝結(jié)構(gòu)，其中金屬貼片位于下層玻璃基板的上表面，金屬地板與下層玻璃基板之間設(shè)置液晶材料，且金屬貼片位于液晶材料中，液晶封裝結(jié)構(gòu)位于天線四周用于密封液晶材料;所述液晶移相器位于液晶微帶天線上方，且兩者共用同一金屬地板，其中液晶微帶天線中的金屬貼片是由上層的蛇形金屬延遲線進(jìn)行縫隙耦合饋電，縫隙開于蛇形金屬延遲線末端直線正下方的金屬地板上。
[0010]進(jìn)一步的，所述液晶移相器中蛇形金屬延遲線的條數(shù)為4條，蛇形金屬延遲線相同側(cè)的末端通過一分四功分器連接，從一分四功分器進(jìn)行饋電；相應(yīng)的在液晶微帶天線中對應(yīng)設(shè)置有4片金屬貼片。
[0011]進(jìn)一步的，所述液晶材料型號為TUD-566、E7、K15、5CB液晶材料中的任意一種。
[0012]本發(fā)明將可以實(shí)現(xiàn)電調(diào)控的液晶材料與頻率可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)結(jié)合起來，設(shè)計(jì)出一種基于液晶材料的頻率和方向圖可重構(gòu)天線。這樣的設(shè)計(jì)將能夠?qū)崿F(xiàn)天線頻率的連續(xù)調(diào)控，并且實(shí)現(xiàn)波束偏轉(zhuǎn)。本發(fā)明具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，可調(diào)諧范圍大等諸多優(yōu)點(diǎn)。為提高頻率和方向圖可重構(gòu)天線的性能提供了全新的技術(shù)途徑。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明基于液晶材料的頻率可重構(gòu)天線各結(jié)構(gòu)相對位置關(guān)系示意圖；
[0014]圖2為液晶移相器中上層玻璃基板下表面示意圖；
[0015]圖3為液晶微帶天線中玻璃基板上表面示意圖；
[0016]圖4為本發(fā)明提供的頻率和方向圖可重構(gòu)天線實(shí)現(xiàn)調(diào)頻功能的S參數(shù)仿真結(jié)果；
[0017]圖5為本發(fā)明提供的頻率和方向圖可重構(gòu)天線未加電時的方向圖；
[0018]圖6為本發(fā)明提供的頻率和方向圖可重構(gòu)天線加電后的方向圖；
[0019]圖中:1.玻璃基板，2.蛇形金屬延遲線，3.液晶材料，4.金屬地板，5.液晶材料，6.金屬貼片，7.玻璃基板，8.—分四功分器。
【具體實(shí)施方式】
[0020]實(shí)施例1: 一種基于液晶材料的頻率和方向圖可重構(gòu)天線，該天線包括:液晶移相器，液晶微帶天線;所述液晶移相器包括:上層玻璃基板、一條或多條蛇形金屬延遲線、液晶材料、金屬地板、液晶封裝結(jié)構(gòu)，其中蛇形金屬延遲線位于上層玻璃基板的下表面，且蛇形金屬延遲線的末端為直線，其中的一端與玻璃基板齊平用于饋電，上層玻璃基板與金屬地板之間設(shè)置液晶材料，液晶封裝結(jié)構(gòu)位于液晶移相器四周用于密封液晶材料;所述液晶微帶天線包括:金屬地板、液晶材料、一片或多片作為天線輻射單元的金屬貼片，數(shù)量與蛇形金屬延遲線條數(shù)相同、下層玻璃基板、液晶封裝結(jié)構(gòu)，其中金屬貼片位于下層玻璃基板的上表面，金屬地板與下層玻璃基板之間設(shè)置液晶材料，且金屬貼片位于液晶材料中，液晶封裝結(jié)構(gòu)位于天線四周用于密封液晶材料;所述液晶移相器位于液晶微帶天線上方，且共用同一金屬地板，其中液晶微帶天線中的金屬貼片是由上層的蛇形金屬延遲線進(jìn)行縫隙耦合饋電，縫隙開于蛇形金屬延遲線末端直線正下方的金屬地板上。本實(shí)施例以TUD-566型混合液晶為例，其相對介電常數(shù)可調(diào)范圍為為2.4-3.2，上層厚度為0.2mm，下層厚度為0.5mm;基板材料為玻璃，在基板上鍍層金屬并利用光刻的方法在基板上刻蝕圖形，上層玻璃基板上光刻出蛇形金屬延遲線及微帶帶條，延遲線及延遲線末端的微帶帶條寬度為0.5mm;下層玻璃基板上光刻出金屬貼片，貼片尺寸為IlmmX5mm。上下兩層玻璃基板體積為(長X寬X高)44mm X 44mm X 0.1mm0
[0021]本實(shí)施例在微帶帶條和金屬地板之間，金屬地板和金屬貼片之間各加偏置電壓，以此對液晶實(shí)施加電調(diào)控，在蛇形金屬延遲線和金屬地板之間加偏置電壓，加電后液晶的內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)排列發(fā)生改變，因液晶的介電常數(shù)各向異性，所以其介電常數(shù)也發(fā)生了改變，通過對各個蛇形金屬延遲線加電的不同，使得各個蛇形金屬延遲線下的液晶的介電常數(shù)不同，使其具有不同的相位，從而使得波束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，達(dá)到方向圖可重構(gòu);而微帶貼片天線的中間介質(zhì)層介電常數(shù)變化會導(dǎo)致其諧振頻點(diǎn)發(fā)生偏移，從而達(dá)到頻率可重構(gòu)的目的。附圖4為本發(fā)明提供的頻率和方向圖可重構(gòu)天線實(shí)現(xiàn)調(diào)頻功能的S參數(shù)仿真結(jié)果圖；附圖5、6為本發(fā)明提供的頻率和方向圖可重構(gòu)天線不加電和加電后的方向圖。仿真結(jié)果證明通過對液晶材料的電調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)頻率和方向圖可重構(gòu)天線的頻率連續(xù)可調(diào)及波束偏轉(zhuǎn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于液晶材料的頻率和方向圖可重構(gòu)天線，該天線包括:液晶移相器，液晶微帶天線;所述液晶移相器包括:上層玻璃基板、一條或多條蛇形金屬延遲線、液晶材料、金屬地板、液晶封裝結(jié)構(gòu)，其中蛇形金屬延遲線位于上層玻璃基板的下表面，且蛇形金屬延遲線的末端為直線，其中的一端與玻璃基板齊平用于饋電，上層玻璃基板與金屬地板之間設(shè)置液晶材料，液晶封裝結(jié)構(gòu)位于液晶移相器四周用于密封液晶材料;所述液晶微帶天線包括:金屬地板、液晶材料、一片或多片作為天線輻射單元的金屬貼片，數(shù)量與蛇形金屬延遲線條數(shù)相同、下層玻璃基板、液晶封裝結(jié)構(gòu)，其中金屬貼片位于下層玻璃基板的上表面，金屬地板與下層玻璃基板之間設(shè)置液晶材料，液晶封裝結(jié)構(gòu)位于天線四周用于密封液晶材料;所述液晶移相器位于液晶微帶天線上方，且共用同一金屬地板，其中液晶微帶天線中的金屬貼片是由上層的蛇形金屬延遲線進(jìn)行縫隙耦合饋電，縫隙開于蛇形金屬延遲線末端直線正下方的金屬地板上。2.如權(quán)利要求1所述的一種基于液晶材料的頻率和方向圖可重構(gòu)天線，其特征在于所述液晶移相器中蛇形金屬延遲線的條數(shù)為4條，蛇形金屬延遲線相同側(cè)的末端通過一分四功分器連接，從一分四功分器進(jìn)行饋電；相應(yīng)的在液晶微帶天線中對應(yīng)設(shè)置有4片金屬貼片。3.如權(quán)利要求1所述的一種基于液晶材料的頻率和方向圖可重構(gòu)天線，其特征在于所述液晶材料型號為TUD-566、E7、K15、5CB液晶材料中的任意一種。
【文檔編號】H01Q1/50GK105896082SQ201610098884
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年2月23日
【發(fā)明人】趙懌哲, 趙青
【申請人】電子科技大學(xué)