电子工艺或者机械加工工艺产生的金属层2和连接顶部 介质板1和底部波导槽5的绝缘胶层3。
[0039] 顶部介质板层1为微波介质基板，相对介电常数e1^在2到10之间，损耗角正切 tan5〈〇? 01，厚度d2〈5mm。
[0040] 金属层2厚度小于1mm。参见图4,天线的尺寸参数与目标工作频率下的电磁波波 长有关，假设目标工作频率为f，此时的电磁波波长为A，波导中传递电磁波的介质波长为 Ag，则本液晶漏波扫描天线设计参数可由这些参数表示如下：单元间距口取Ag/2至入g， 此时天线总长度为中间部分的缝隙为主要辐射单元，长度1取A/4至Ag/2， 所有的缝隙宽度均为w，取值远小于1即可，为保证匹配，减小输入端的回波损耗，前四个和 后四个缝隙单元长度为渐变形式，从1逐渐减小到U~1/2。底部波导槽5上的纵向槽是 利用机械加工方法、微电子工艺或者电镀工艺实现的L^Xa^Xcyt体，取槽宽aa>A/2,入 为工作波长，槽深K0. 4毫米。底部波导槽5的外形尺寸没有限制。液晶灌满底部波导槽 5与金属层2之间的全部空间，从而形成液晶层4。液晶层4的上方依次是金属层2和顶部 介质板层1。金属层2与底部波导槽5两侧凸起部分的上表面，用绝缘胶3粘结，保证液晶 不外漏以及金属层与波导层之间的绝缘，要求绝缘胶层厚度dg〈0.03mm。在底部波导槽5以 及金属层2与液晶层4接触的表面要进行配向处理，保证液晶材料分子的长轴能够在不施 电压的情况下垂直于图2中的z方向。，
[0041] 工作时，电磁波经由一个偏置器从波导端口 1(或端口 2)馈入，波导端口 2(或端 口 1)接匹配负载，由于金属层2与底部波导槽5之间绝缘，所以并不需要为该天线设计、加 工额外的偏置电路，只需要通过端口 1处连接的偏置器就可以将低频偏置电压施加到液晶 层4上，从而改变液晶的有效介电常数。
【具体实施方式】 [0042] 二：下面结合图5至图15说明本实施方式，本实施方式结合具体实 施例对实施方式一的天线结构作进一步说明。
[0043] 作为一个特例，图5和图6给出了一个工作于10GHz的液晶波导横缝漏波电控扫 描天线的具体设计参数。由图5,顶部介质板层1选用微波基板，相对介电常数4,损 耗角正切tan5 =〇.〇〇4,厚度为d2= 1mm，金属层2厚度为0.017mm。天线由N= 18个周 期性缝隙单元组成，单元间距P= 15mm。主要的横缝福射单元长度为1 = 6mm，前三个和后 三个缝隙单元长度lm3、lm2、lmi依次为：6mm、5mm、4mm，所有的缝隙宽度均为w= 1_。由图 6天线截面示意图，底部波导槽5选用纯铝材料，是由一块铝长方体块中间铣出一个槽体的 方法实现，其中波导槽的宽度8^；= 14mm，槽体中灌注d 0. 3mm厚的液晶，起连接和密封 作用的绝缘胶层3厚度\取0. 02mm。在液晶的上下极板间加载电压，通过调节这个电压， 可以改变液晶分子的排布，如图7所示。进而，可实现液晶各个方向上的相对介电常数e% 的改变。本实施方式中选用的液晶在外加电压V= 0V时，液晶的有效相对介电常数为^ =2. 5 ;外加电压V= 20V(最大偏压状态）时，液晶的有效相对介电常数为e,= 3. 3。即 液晶在外加电压在0V至20V变化时，相对介电常数可以在2. 5至3. 3之间连续调节，从而 漏波天线方向图波束会在一定角度范围内的连续扫描，最终实现了对漏波天线方向图波束 的电控。另外，此种液晶在微波波段的损耗角正切为tanS=〇.〇〇6。
[0044] 工作时，电磁波经由一个偏置器从波导端口1馈入，波导端口2接匹配负载，由于 金属层2与底部波导槽5之间绝缘，所以并不需要为该天线设计、加工额外的偏置电路，只 需要通过端口 1处连接的偏置器就可以将低频偏置电压施加到液晶层4上，从而改变液晶 的有效介电常数。得到的天线S参数曲线如图8,图9所示。还得到的天线远场方向图主瓣 方向随频率的变化曲线如图10所示，天线的远场方向图主瓣增益随频率的变化曲线如图 11所示。由图8、图9可以看到无论V= 0V(配向状态）还是V= 20V(最大偏压状态）， 在10GHz附近的600MHz带宽范围内，天线S11均一直低于-10dB，S21在-7. 5至-10dB之 间，这说明天线拥有良好的匹配和辐射效率。由图10,在10GHz处，在外加电压从0变到20V 的过程中，天线主瓣方向从-50. 4°扫描至-14. 9°，总扫描角度到达35. 5°。由图11，在 10GHz处，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，该天线扫描角度大，增益大且增益浮动较小。
[0045] 通过图8-图11中V= 10V的曲线可以看出，外加电压V的数值在0-20V之间变 化时，包括S参数、主瓣方向、实际增益等在内漏波天线的各个指标参数都会在V= 0V(配 向状态）和V= 20V(最大偏压状态）之间偏移，因此在设计时，我们只需关注这两种极值 情况即可。
[0046] 图12给出了五种偏置电压状态下，天线雜5面上的2D方向图，能看到，随着偏 置电压的增加，天线主瓣方向逐渐进行扫描，从-50. 4°扫描至-14. 9°，在扫描过程中，天 线的主瓣实际增益一直在10dB附近，而副瓣电平一直小于-10dB。
[0047] 该基于液晶的电控扫描波导漏波天线对缝隙长度、单元间距和缝隙单元个数这三 个设计参数最为敏感。下面给出在无外加电压，即液晶处于配向状态时，漏波天线与这三个 关键设计参数的变化关系图。
[0048] 通过图12,图13,可以看到，随着缝隙长度1的变大，天线工作频率降低，工作带宽 (Sll〈_10dB的频率范围）变窄。当天线单元间距p增大时，天线的工作频率同样向低频移 动，但带宽变化不大。
[0049] 由图14,可以看到，随着缝隙单元个数N的增加，天线的实际增益逐渐增大，因此， 在对天线长度限制不大的应用场合，可以通过增加单元个数来实现天线增大的提高。值得 提出的是，这种方法不会对回波损耗S11等其他天线指标参数有影响。
[0050] 另外，除了这三个关键参数，波导槽的宽度会对波导的截止频率有影响，为了消除 高次模，再设计时也要考虑波导宽度的影响。
【主权项】
1. 基于液晶的电控扫描波导漏波天线，其特征在于，它包括顶部介质板层（I)、金属层 (2)、绝缘胶层（3)、液晶层（4)和底部波导槽（5); 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； 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； 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); 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； 金属层⑵上设置有N个周期性缝隙单元，天线总长度Lni= 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A g/4至Xg/2,前四个和后四个缝隙为辅助 福射单元。2. 根据权利要求1所述基于液晶的电控扫描波导漏波天线，其特征在于，顶部介质板 层（1)为微波板，相对介电常数e r在2到10之间，损耗角正切tan 5〈〇. 01，厚度d2〈5mm。3. 根据权利要求1所述基于液晶的电控扫描波导漏波天线，其特征在于，金属层（2)厚 度小于lmm〇4. 根据权利要求1所述基于液晶的电控扫描波导漏波天线，其特征在于，底部波导槽 (5)的纵向槽是利用机械加工方法、微电子工艺或者电镀工艺制作的L niX aaX ClJf体，槽 宽如> 入/2,人为工作波长，槽深c^〈0. 4mm。5. 根据权利要求4所述基于液晶的电控扫描波导漏波天线，其特征在于，液晶层（4)填 满底部波导槽（5)与金属层（2)之间的全部空间。 在底部波导槽（5)以及金属层（2)与液晶层（4)接触的表面要进行液晶的配向处理， 保证液晶材料分子的长轴能够在不施电压的情况下垂直于z方向，所述z方向为贯穿底部 波导槽（5)和金属层（2)的方向。6. 根据权利要求1所述基于液晶的电控扫描波导漏波天线，其特征在于，绝缘胶层（3) 厚度 dg〈0. 03_。
【专利摘要】基于液晶的电控扫描波导漏波天线，属于微波天线工程技术领域，本发明为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。本发明包括顶部介质板层、金属层、绝缘胶层、液晶层和底部波导槽；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；金属层上设置有N个周期性缝隙单元，缝隙单元间距p取λg/2至λg，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l取λg/4至λg/2，前四个和后四个缝隙为辅助辐射单元。
【IPC分类】H01Q13/20, H01Q3/00
【公开号】CN105006656
【申请号】CN201510443460
【发明人】孟繁义
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年10月28日
【申请日】2015年7月24日