圆极化液晶电控扫描反射阵天线的制作方法

本发明属于微波天线工程技术领域。

背景技术：

随着现代无线通信技术的发展，高增益、可控波束天线在卫星通信、雷达侦测、深空探测等远距离无线通信领域内受到了越来越多的关注。目前主要采用的可控波束的天线形式包括电控扫描反射面天线、相控阵天线。相比之下，电控扫描反射阵天线结合反射面天线与相控阵天线的部分优势，在满足高效率、宽扫描角度的条件下，节约了大量成本。特别在毫米波频段，由馈电网络引起的损耗十分严重、微波集成电路移相器成本高昂，使得电控扫描平面反射阵天线相比相控阵天线优势更为明显。因此，如何设计、实现电控扫描反射阵天线成为当前的研究热点。

电控扫描反射阵天线通常是由馈源和电调控平面反射阵面两部分构成。馈源一般采用普通的定向天线(喇叭天线等)，电调控反射阵面则由大量的电调控谐振单元按一定规律在同一平面上排列。天线工作时，馈源发射的电磁波照射到电调控反射阵面上，电调控谐振单元对入射波进行相位补偿，使得入射波经各个反射阵单元反射后的反射波在预定方向上进行相位叠加，最终形成辐射波束。在外加偏置电压的作用下，电调控谐振单元的相位特性将发生变化，所以适当地设计以及调节电调控谐振单元的相位特性，就可以实现天线辐射波束的扫描。

在微波低频段，通常使用变容二极管或开关二极管实现电控扫描反射阵天线的波束扫描。而在微波较高频段以及毫米波、太赫兹波段，由于寄生参数和损耗的影响，变容二极管和开关二极管难以正常工作。液晶材料的介电特性可以在偏置电压的作用下发生变化，这一特性被用来在微波较高频段、毫米波乃至太赫兹设计以及实现电控扫描反射阵天线。然而，现有的液晶电调控扫描反射阵天线只能实现线极化波束扫描，无法实现圆极化波束扫描，从而极大限制了这一技术的应用场景。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有的液晶电控扫描反射阵天线无法实现圆极化波束扫描的问题，现提圆极化液晶电控扫描反射阵天线。

圆极化液晶电控扫描反射阵天线，包括圆极化馈源、圆-线极化转换器和线极化液晶反射阵面，圆-线极化转换器位于圆极化馈源和线极化液晶反射阵面之间，圆极化馈源与圆-线极化转换器之间的距离为15λ～20λ，圆-线极化转换器与线极化液晶反射阵面之间的距离为λ～2λ，其中λ为自由空间的波长。

上述圆-线极化转换器包括多个呈矩形阵列排布的极化转换单元，所述极化转换单元包括：接地层，接地层上下表面均设有介质板层，两个介质板层的外侧面分别设有金属层，

所述金属层、介质板层和接地层均为正方形，金属层的边长小于介质板层的边长，接地层和介质板层的尺寸完全相同，接地层中心位置设有开孔，

金属层设有两个切角，所述两个切角以金属层的一条对角线为对称轴呈轴对称设置。

上述线极化液晶反射阵面包括多个呈矩形阵列排布的移相单元，所述移相单元包括由上至下依次层叠设置的石英层、偶极子层、液晶层、有机化合物层和接地平面，

所述偶极子层包括三条不同长度的金属带条，相邻的两个金属带条之间通过偏置线相互连接，

当移相单元无电压施加时，液晶层中液晶材料分子的长轴与接地平面相互平行。

本发明为了实现液晶电控扫描反射阵列天线的圆极化工作，提出一种“圆极化馈源-圆-线极化转换器-液晶电控反射阵面”的三层天线结构，最终设计出了能够工作在微波较高频段、毫米波乃至太赫兹频段的具有圆极化波束扫描能力的液晶电控扫描反射阵天线(即：圆极化液晶电控扫描反射阵天线)。相比于现有电控扫描反射阵天线技术，本发明所提出的天线优点是可以在微波较高频段、毫米波以及太赫兹频段实现波束扫描，并且具有圆极化特性。本发明能够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。

附图说明

图1为极化转换单元的结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为仰视图；

图2为移相单元的结构示意图，其中(a)为主视透视图，(b)为仰视图；

图3为本发明所述圆极化液晶电控扫描反射阵天线分层结构示意图；

图4为液晶分子排布与电压关系图，其中(a)表示移相单元无电压施加时，液晶分子排布状态，(b)表示移相单元有电压施加时，液晶分子排布状态；

图5为圆极化液晶电控扫描反射阵天线辐射方向图，其中(a)出射角度为10°，(b)出射角度为15°，(c)出射角度为20°；

图6为圆极化液晶电控扫描反射阵天线轴比曲线图，其中(a)出射角度为10°，(b)出射角度为15°，(c)出射角度为20°。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至4具体说明本实施方式，本实施方式所述的液晶反射阵面圆极化液晶电控扫描反射阵天线，包括圆极化馈源、圆-线极化转换器和线极化液晶反射阵面，圆-线极化转换器位于圆极化馈源和线极化液晶反射阵面之间，圆极化馈源与圆-线极化转换器之间的距离为15λ～20λ，圆-线极化转换器与线极化液晶反射阵面之间的距离为λ～2λ，其中λ为自由空间的波长，圆-线极化转换器和线极化液晶反射阵面之间通过绝缘材料相互支撑固定。

圆极化馈源的作用是向圆-线极化转换器和线极化液晶反射阵面所在方向辐射圆极化电磁波。本实施方式中采用常见的角锥喇叭天线作为圆极化馈源，通过矩形波导馈电，矩形波导长边长度为0.8λ～0.85λ，短边长度为0.4λ～0.45λ，口径长边长度为4λ～4.5λ，口径短边长度为2.5λ～3λ，喇叭长度为4.2λ～4.5λ。

圆-线极化转换器的作用是将由圆极化馈源辐射的圆极化电磁波转换为线极化电磁波。如图1所示，本实施方式中使用的圆-线极化转换器包括多个呈矩形阵列排布的极化转换单元，所述极化转换单元包括：接地层3，接地层3上下表面均设有介质板层2，两个介质板层2的外侧面分别设有金属层1。

具体的，所述金属层1、介质板层2和接地层3均为正方形，金属层1边长为λ/5～λ/4，金属层1的边长小于介质板层2的边长，介质板层2边长为λ/5～λ/4，厚度为λ/30～λ/20，介接地层3和质板层2的尺寸完全相同，接地层3中心位置设有开孔，开孔半径为λ/10～λ/9。

金属层1设有两个切角，即：将正方形的两个角各切掉一个等腰直接三角形，该三角形的直角边长度为λ/12～λ/10，所述两个切角以金属层1的一条对角线为对称轴呈轴对称设置。

金属层1通过机械加工方式、电镀方法、热压方法或微电子工艺与介质板层2紧密贴合。

线极化液晶反射阵面的作用是对由圆-线极化转换器传送过来的线极化电磁波进行调控，将该线极化电磁波反射至某个预定方向。如图2所示，本实施方式中线极化液晶反射阵面包括多个呈矩形阵列排布的移相单元，所述移相单元包括由上至下依次层叠设置的石英层4、偶极子层、液晶层7、有机化合物层8和接地平面9，所述偶极子层包括三条长度分别为λ/5、λ/4和3λ/10的金属带条5，相邻的两个金属带条5之间通过偏置线6相互连接，偏置线6的宽度为5μm～50μm，液晶层7的厚度为4μm～300μm。

本实施方式中，有机化合物层8的作用是对液晶分子进行配向，当偏置线6与接地平面9不施加电压时，液晶分子的长轴与接地平面9相互平行；具体的，有机化合物层8为聚酰亚胺聚合物涂层。

具体应用时，圆-线极化转换器使用标准pcb蚀刻和基板粘合技术制造的，具体的，石英层4通过表面金属化形成铝层，并通过光刻工艺形成偶极子阵列，构成金属带条5。

具体实施方式二：参照图5和6具体说明本实施方式，本实施方式中以具体工作于100ghz的圆极化液晶电控扫描反射阵天线为例进行说明，介质板层2相对介电常数εr为2.65，损耗角正切tanδ为0.001，厚度为0.1mm，长度为0.665mm，金属层1和接地层3厚度均为0.016mm，金属层的长度为0.63mm，切角长度为0.23mm，开孔半径为0.27mm。石英层4相对介电常数为3.78，损耗角正切为0.002，厚度为0.55mm，液晶层7厚度为0.08mm，金属带条5长度分别为0.707mm，0.748mm，0.792mm，偏置线6的宽度为0.03mm。喇叭天线的矩形波导长边为2.54mm，短边为1.27mm，口径长边为12.3mm，短边为8.5mm，喇叭长度为13.4mm。

在液晶层7的上下极板(金属带条5和接地平面9)间加载电压，通过调节这个电压，能够控制液晶分子的指向，进而能够控制液晶的等效相对介电常数。本实施方式中选用的液晶在外加电压v＝0v时，等效相对介电常数为2.5；外加电压v＝20v(偏压状态)时，等效相对介电常数为3.3。即液晶在外加电压在0v至20v变化时，等效相对介电常数可以在2.5至3.3之间连续调节，从而使天线波束在一定角度范围内实现扫描。

工作时，圆极化喇叭天线作为馈源放置在阵列中心的正上方，距离阵列中心的高度为46.5mm。由圆极化喇叭天线发射的圆极化波束通过圆-线极化转换器透射转变成线极化波束；线极化液晶反射阵面上各个位置处的移相单元对线极化入射波进行相应的相位补偿，使得入射波经各个移向单元的反射后在预定方向上实现同向叠加，形成线极化辐射波束，最后再次通过圆-线极化转换器转变为圆极化波束。

利用数值仿真可以得到上述圆极化液晶电控扫描反射阵天线在不同辐射角时的天线方向图(图5所示)以及轴比曲线(如图6所示)。从图5中可以看到，该圆极化液晶电控扫描反射阵天线能够在-20.5°至-10°范围内实现连续的波束扫描，总扫描角度达到10.5°。从图6中可以看到，在扫描过程中，该圆极化液晶电控扫描反射阵天线保持了良好的圆极化特性，在主辐射方向上，其轴比小于3db。