基于液晶的电控扫描波导漏波天线的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微波天线工程技术领域。可以广泛应用到现代无线移动通信、卫星通 信动中通及各种雷达系统中。
【背景技术】
[0002] 漏波天线自上个世纪40年代由W.W.Hansen提出以来，其独特的辐射特性及优良 的波瓣扫描特性，使得漏波天线一直是天线领域研究的热点。最初的漏波天线是由开缝矩 形波导构成的，其实质是波导结构上所传播的电磁波为快波时会向空间辐射部分电磁波的 现象。最近几十年，漏波天线的研究得到飞速发展，特别是平面漏波天线得到了广泛研究， 因为平面漏波天线可以直接加工在印刷电路板（PCB)上，具有低剖面、易加工、结构简单、 馈电容易、高方向性等优点，以及波束扫描特性。因此，漏波天线在微波和微波以上的频段 得到广泛的关注，特别是在需要波束扫描的场合，漏波天线具有无可比拟的优势，拥有良好 的发展前景。
[0003] 漏波天线具有随着馈入的电磁波频率的变化，天线主瓣波束方向也会变化的频率 扫描特性。漏波天线的频扫特性在过去有着较为广泛的应用，但这种频扫特性往往会占据 一段较宽的连续的频带资源。当今，随着无线通信的爆炸式发展，本就有限的频谱资源显得 日益拥堵，而传统漏波天线的频扫特性与现代通信提高频谱利用率的追求显然是矛盾的， 因此为了解决这一矛盾，定频扫描漏波天线的概念开始被提出。
[0004] 传统的定频扫描天线一般利用移相器对天线阵列中不同的天线单元相位进行控 制，从而实现天线波束的扫描，这种定频扫描天线又称为相控阵天线，是现代雷达系统中最 为常用的一种扫描天线。但相控阵天线也存在着自己的问题，移相器的引入，往往使得天线 的造价提高，体积变大，而且随着相控阵天线阵元的增加，移相器控制网络的复杂度将会呈 几何量级增长，这也就制约了相控阵天线，即传统定频扫描天线的发展。
[0005] 因为漏波天线本身具有频扫特性，再考虑到定频扫描的实际要求，定频扫描漏波 天线应运而生。定频扫描漏波天线一般是在漏波天线上加载电控开关或电调介质，通过外 加电压来改变开关的通断或介质的电磁特性，以在某个固定频点上改变漏波天线的波束方 向，实现定频波束扫描。这种定频扫描漏波天线也称为电控扫描漏波天线，最典型的电控扫 描漏波天线基于变容二极管。但由于变容二极管寄生参数和损耗的影响，这种电控扫描漏 波天线有工作频段低等缺点，在频段不断提高的现代无线通信中，应用受到了极大的局限。 但由于变容二极管寄生参数和损耗的影响，这种电控扫描漏波天线有工作频段低等缺点， 在频段不断提高的现代无线通信中，应用受到了极大的局限。基于液晶材料的定频电控扫 描漏波天线能够工作在微波的高频波段。液晶材料可以在外加磁场或电场的控制下，改变 自身的介电常数，这一特性被施加到天线结构中，就可以实现漏波天线的定频扫描。然而， 现有的液晶电控扫描漏波天线通常具有如下的缺点：第一，需要使用外加可控磁场来配合 天线的方向图扫描，从而导致天线的控制机构复杂；第二，为了能够使液晶的介电常数在外 加电场的作用下发生改变，需要为天线设计额外的偏置电路，而这种偏置电路会导致低频 或直流电路与射频电路之间的电磁耦合，进而是天线的辐射特性恶化。
【发明内容】
[0006]本发明目的是为了解决传统的基于变容二极管等传统电调元件的电控扫描漏波 天线难以工作于微波高频波段以及现有液晶电控扫描漏波天线需要特别设计偏置电路的 问题，提供了 一种基于液晶的电控扫描波导漏波天线。
[0007]本发明所述基于液晶的电控扫描波导漏波天线，它包括顶部介质板层、金属层、绝 缘胶层、液晶层和底部波导槽；
[0008]顶部介质板层的下表面设置有金属层，金属层为刻蚀有周期性横缝的漏波结构， 该周期性横缝要使电磁波在底部波导槽与金属层之间传播时的等效串联电感增加；
[0009]顶部介质板层与金属层之间通过机械加工方式、电镀方法、热压方法或微电子工 艺紧密结合为一体；
[0010] 底部波导槽为矩形板的上表面开有纵向槽结构，所述纵向槽与金属层之间填满液 晶材料，从而形成液晶层；
[0011] 底部波导槽的纵向槽两侧凸起部分的上表面与金属层之间通过绝缘胶层粘接在 一起；
[0012]金属层上设置有N个周期性缝隙单元，天线总长度L"=N*p，缝隙单元间距P取 入/2至Ag，其中Ag为目标工作频率下波导中传递电磁波的波导波长，中间部分的缝隙为 主要辐射单元，主要辐射单元的缝隙长度1取Ag/4至Xg/2,前四个和后四个缝隙为辅助 福射单元。
[0013] 本发明的优点：本发明设计了一种基于液晶的电控扫描波导漏波天线，与传统的 基于变容二极管的定频扫描漏波天线相比，具有可工作在微波高频波段的优点。而相比于 目前已有的液晶定频扫描漏波天线，本天线的优势则在于三方面：第一，本天线实现扫描的 方式是电控扫描，相比于已有的磁控扫描方式具有控制机构简单、轻巧的优点；第二，本发 明采用波导结构作为基础，这种结构方便灌注液晶，而且结构稳固、损耗低、功率容量大；第 三，当需要对本天线中的液晶材料施加直流或者低频的偏置电压时，无需为天线设计、加工 额外的偏置电路，只需要在天线的输入端口增加一个商用化的偏置器就可以。这对于天线 的性能是非常有利的，因为额外的偏置电路往往会对天线性能产生负面影响。，
[0014]本发明设计的天线通过改变缝隙长度、单元间距、单元个数和波导槽宽度等设计 参数，该漏波天线可工作在X，K，Ka和U波段，甚至更高的太赫兹波段。
[0015]给出一个具体特例来说明本发明相对于传统电控扫描漏波天线的优势，本发明中 给出了一个工作于10GHZ的基于液晶的电控扫描波导漏波天线，通过调节外加电压0至 20V，可令天线方向图主瓣波束实现由-50. 4°至-14. 9°的连续平滑扫描，总扫描角度到 达35. 5°。在天线的电扫描过程，天线的实际增益从8. 33dB变化至11. 22dB。较之传统电 控扫描天线，该基于液晶的电控扫描波导漏波天线具有扫描角度大，增益大且增益浮动较 小的优势。
【附图说明】
[0016] 图1是本发明所述基于液晶的电控扫描波导漏波天线的分层结构示意图；
[0017] 图2是天线的金属层结构示意图；A处表示波导端口 1，B处表示波导端口 2,C处 表示周期性横纵缝的漏波结构。天线利用波段端口在两端进行馈电，波导端口 1馈电时，波 导端口 2连接匹配负载，反之，波导端口 2馈电时，波导端口 1连接匹配负载。
[0018] 图3是天线的覆铜层漏波结构示意图；
[0019] 图4是本发明所述基于液晶的电控扫描波导漏波天线横向剖视图；
[0020] 图5是工作于10GHz的液晶的电控扫描波导漏波天线金属层尺寸图；
[0021] 图6是工作于10GHz的液晶的电控扫描波导漏波天线横向截面尺寸图；
[0022] 图7是液晶分子排布随电压变化示意图，其中（a)液晶分子呈原始排布状态（配 向状态），（b)液晶分子呈与电场方向相同的姿态排布（偏压状态）；
[0023] 图8是天线的S11参数曲线；
[0024] 图9是天线的S21参数曲线；
[0025] 图10是天线主瓣方向随频率变化曲线；
[0026] 图11是天线实际增益随频率变化曲线；
[0027] 图12是天线在五种偏置电压下(p = 90°面上的2D方向图；
[0028] 图13是无外加电压时天线的S11参数随缝隙长度1变化图线；
[0029] 图14是无外加电压时天线的S11参数随单元间距p变化图线；
[0030]图15是无外加电压时天线实际增益随缝隙单元个数N变化图线。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0031] 一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述基于液晶 的电控扫描波导漏波天线，它包括顶部介质板层1、金属层2、绝缘胶层3、液晶层4和底部波 导槽5;
[0032] 顶部介质板层1的下表面设置有金属层2,金属层2为刻蚀有周期性横缝的漏波 结构，该周期性横缝要使电磁波在底部波导槽5与金属层2之间传播时的等效串联电感增 加；
[0033] 顶部介质板层1与金属层2之间通过机械加工方式、电镀方法、热压方法或微电子 工艺紧密结合为一体；
[0034] 底部波导槽5为矩形板的上表面开有纵向槽结构，所述纵向槽与金属层2之间填 满液晶材料，从而形成液晶层4;
[0035] 底部波导槽5的纵向槽两侧凸起部分的上表面与金属层2之间通过绝缘胶层3粘 接在一起；
[0036] 金属层2上设置有N个周期性缝隙单元，天线总长度L"=N*p，缝隙单元间距p取 入/2至Ag，其中Ag为目标工作频率下波导中传递电磁波的波导波长，中间部分的缝隙为 主要辐射单元，主要辐射单元的缝隙长度1取Ag/4至Xg/2,前四个和后四个缝隙为辅助 福射单元。
[0037] 辅助辐射单元用来修饰主辐射单元的特性，优化天线整体的辐射和匹配特性。其 尺寸可以与主辐射单元的尺寸相同，也可以不同。当前后四个缝隙单元的长度从1逐渐减 小到1"3、U、Ina，且1/2时，天线的定向性增加，反射损耗减小。参见图2和图3。
[0038] 由图1可知，天线主体结构可分为5层材料--底部的由机械加工、电镀或者微电 子工艺手段制作的金属波导槽5、填充在波导槽5和金属层2之间的液晶层4、顶部的介质 基板、介质基板下面由PCB工艺、微