一种Ka波段基于液晶反射式移相器的1×4平面相控阵的制作方法

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种ka波段基于液晶反射式移相器的1×4平面相控阵。

背景技术：

目前随着激光雷达技术和空间光通信技术的不断发展，传统的机械式波束指向器件和半机械式波束控制器已无法满足日益严苛的技术要求，传统的机械式波束扫描技术，使用复杂万向节和旋转平台等惯性机械部件，该方式具有扫描效率高、视场广等优点，然而受机械传动的影响导致定位精度差、扫描精度有限，且其结构与控制复杂、笨重昂贵和功能单一、扫描系统比较庞大、集成微小化程度低，而液晶光学相控阵是一种实时可编程波束控制器件，其具有无机械惯性、高精度光束指向、捷变波位切换和低swap(大小、重量和功耗)等特点，在空间自由光通信方面，由于需要进行远距离、高速率的信息传输，为保证发射端和接收端的准确链接，需要精确到微弧度量级的高分辨率波束控制方法，传统的机械式光束指向器件无法达到这种级别的分辨率，且体积过于笨重，很难实现小型化，另外，在一些军事应用领域，需要进行多波束的控制，同时需要具备自适应的能力，这些都是传统的机械式光束指向器件和半机械式波束控制器所不具备的，

液晶相控阵是一种高分辨率、高精度、可编程控制的新型非机械光束偏转控制器件，其实现光束控制的思想源于微波相控阵雷达，通过对液晶相控阵各阵元施加不同的电压，使每个阵元产生不同的相位延迟，进而改变入射光波的波前相位，经过波束合成后改变入射光波的传播方向，与传统机械光束控制技术相比，液晶相控阵具有体积小、重量轻、精度高、速度快、功耗低、无机械惯量等优点，因此在激光雷达、激光通信、光信息处理、自适应光学、生物医学成像等领域具有广泛的应用前景，在分辨率和集成度要求越来越高的大背景下，液晶相控阵展现着重要的工程价值，

将液晶材料作为反射式移相器的介质基底，则可以通过外加电场实现对各阵列单元反射波相位的控制，进而实现天线波束的连续扫描，因此，基于液晶反射式移相器的1×4平面相控阵，可实现具有优良性能的波束控制，

针对现有基于传统的机械式波束扫描技术的相控阵天线，其存在集成化程度不高，导致体型大，进而影响定位精度差，本发明提出的ka波段基于液晶反射式移相器的1×4平面相控阵，可有效解决基于传统的机械式波束扫描技术的相控阵天线中所出现的问题，满足相控阵雷达天线与系统中对新型电调相控阵天线的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种ka波段基于液晶反射式移相器的1×4平面相控阵，旨在解决现有技术中的集成化程度不高，导致体型大，进而影响定位精度差的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明采用的一种ka波段基于液晶反射式移相器的1×4平面相控阵，包括天线辐射贴片、液晶移相器模块、功分网络模块和四路可调电源模块，所述天线辐射贴片嵌合于第一介质基板，所述液晶移相器模块嵌合于第二介质基板，所述功分网络模块嵌合于第三介质基板，所述四路可调电源模块通过低频线焊接在第三介质基板下表面的的偏压加载电路上，所述第二介质基板与所述第一介质基板连接，并与所述第三介质基板连接，且位于所述第一介质基板和所述第二介质基板之间；所述液晶移相器模块采用将三分支线定向耦合器和反射负载集成于所述第二介质基板，所述反射负载与所述天线辐射贴片连接，所述功分网络模块采用将隔直流偏置电路、偏压加载电路和槽线差分功分器集成于所述第三介质基板，通过所述偏压加载电路与所述三分支线定向耦合器连接，所述四路可调电源模块将芯片与运算放大器集成于一个fr4材料基板上。

其中，所述反射负载包括低阻抗反射负载和高阻抗反射负载，所述低阻抗反射负载与所述天线辐射贴片连接，并与所述三分支线定向耦合器连接；所述高阻抗反射负载与所述三分支线定位耦合器连接；所述低阻抗反射负载与所述高阻抗反射负载集成在所述第二介质基板。

其中，所述天线辐射贴片的数量为四个，并依次印刷在所述第一介质基板上，通过缝隙耦合馈电。

其中，所述第二介质基板包括第一介质层、第二介质层和第三介质层，所述第一介质层与所述第一介质基板连接，所述第二介质层与所述第一介质层连接，并具有第一液晶槽，所述第三介质层与所述第二介质层连接，并具有第二液晶槽，与所述第一液晶槽贯通；所述反射负载置于所述第一液晶槽和所述第二液晶槽中。

其中，所述第三介质基板包括第四介质层和第五介质层，所述第四介质层与所述第三介质层连接，所述隔直流偏置电路、所述偏压加载电路和所述槽线差分功分器集成于所述第五介质层，并位于靠近所述第四介质层的一侧；所述第五介质层与所述第四介质层连接，并通过插针孔贯穿所述芯片与所述运算放大器集成于一个fr4材料基板上，且通过低频线插入贯穿所述第四介质层与所述第五介质层的插针孔中。

其中，所述天线辐射贴片包括接地金属过孔和金属贴片，所述接地金属过孔伸入所述第一介质基板内，所述金属贴片连接所述接地金属过孔，并位于所述第一介质基板远离所述第二介质基板的表面。

第二方面，本发明提供一种ka波段基于液晶反射式移相器的1×4平面相控方法，包括：

通过金属贴片和电线接收信号，并通过接地金属过孔传输；

偏压施加到形成反射负载的导体上时，电极下的液晶分子的方向发生变化；

偏压加载电路33采用多级扇形枝节级联，枝节末端焊盘，为后续采用低频连接线与fpga电压源模块预留接口；

所述隔直流偏置电路中，偏压信号和功分网络反馈入口射频信号进行阻隔，所述偏压加载电路中，扇形径向枝节作为开路枝节用于短路掉频传输；

在第五介质层通过两个功分器的两个输出口，第五介质层上表面的微带线在馈电端口进行馈电辐射；

以fpga芯片作为控制核心，通过调节所述运算放大器放大倍数来实现电压连续可调和单独控制。

本发明的一种ka波段基于液晶反射式移相器的1×4平面相控阵，通过集成了液晶反射式移相器结构、一分四二阶威尔金森功分网络、天线辐射贴片以及四路可调电源，兼具了液晶移相器体积小、重量轻、驱动电压低、高频性的特点和平面印刷磁电偶极子天线优良的电性能，并利用四路可调电源系统实现了四路电压的连续可调和单独控制，进而解决了现有技术中的集成化程度不高，导致体型大，进而影响定位精度差的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的相控阵整体结构示意图。

图2是本发明的基于液晶材料的反射式移相器的结构示意图。

图3是本发明的功分网络结构示意图。

图4是本发明的槽线差分器示意图。

图5是本发明的流程图。

图6是本发明的基于平行耦合传输线的隔直电路图。

图7是本发明的级联扇形偏置电路图。

图8是本发明的schiffman移相器结构示意图。

图9是本发明的平面印刷磁电偶极子天线结构图。

图中：1-天线辐射贴片、2-液晶移相器模块、3-功分网络模块、4-四路可调电源模块、11-第一介质基板、12-接地金属过孔、13-金属贴片、21-第二介质基板、22-三分支线定向耦合器、23-反射负载、31-第三介质基板、32-隔直流偏置电路、33-偏压加载电路、34-槽线差分功分器、100-ka波段基于液晶反射式移相器的1×4平面相控阵、211-第一介质层、212-第二介质层、213-第三介质层、231-低阻抗反射负载、232-高阻抗反射负载、311-第四介质层、312-第五介质层。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1：

请参阅图1至图4，本发明提供了一种ka波段基于液晶反射式移相器的1×4平面相控阵100，包括天线辐射贴片1、液晶移相器模块2、功分网络模块3和四路可调电源模块，所述天线辐射贴片1嵌合于第一介质基板11，所述液晶移相器模块2嵌合于第二介质基板21，所述功分网络模块3嵌合于第三介质基板31，所述四路可调电源模块通过低频线插入第三层介质基板31，所述第二介质基板21与所述第一介质基板11连接，并与所述第三介质基板31连接，且位于所述第一介质基板11和所述第二介质基板21之间；所述液晶移相器模块2采用将三分支线定向耦合器22和反射负载23集成于所述第二介质基板21，所述反射负载23与所述天线辐射贴片1连接，所述功分网络模块3采用将隔直流偏置电路32、偏压加载电路33和槽线差分功分器34集成于所述第三介质基板31，通过所述偏压加载电路33与所述三分支线定向耦合器22连接，所述四路可调电源模块将芯片与运算放大器集成于一个fr4材料基板上。

进一步地，所述反射负载23包括低阻抗反射负载231和高阻抗反射负载232，所述低阻抗反射负载231与所述天线辐射贴片1连接，并与所述三分支线定向耦合器22连接；所述高阻抗反射负载232与所述三分支线定位耦合器连接；所述低阻抗反射负载23与所述高阻抗反射负载23集成在所述第二介质基板21。

进一步地，所述天线辐射贴片1的数量为四个，并依次印刷在所述第一介质基板11上，通过缝隙耦合馈电。

进一步地，所述第二介质基板21包括第一介质层211、第二介质层212和第三介质层213，所述第一介质层211与所述第一介质基板11连接，所述第二介质层212与所述第一介质层211连接，并具有第一液晶槽，所述第三介质层213与所述第二介质层212连接，并具有第二液晶槽，与所述第一液晶槽贯通；所述反射负载23置于所述第一液晶槽和所述第二液晶槽中。

进一步地，所述第三介质基板31包括第四介质层311和第五介质层312，所述第四介质层311与所述第三介质层213连接，所述隔直流偏置电路32、所述偏压加载电路33和所述槽线差分功分器34集成于所述第五介质层312，并位于靠近所述第四介质层311的一侧；所述第五介质层312与所述第四介质层311连接，并通过插针孔贯穿所述芯片与所述运算放大器集成于一个fr1材料基板上，且通过低频线插入贯穿所述第四介质层311与所述第五介质层312的插针孔中。

进一步地，所述天线辐射贴片1包括接地金属过孔12和金属贴片13，所述接地金属过孔12伸入所述第一介质基板11内，所述金属贴片13连接所述接地金属过孔12，并位于所述第一介质基板11远离所述第二介质基板21的表面。

一种ka波段基于液晶反射式移相器的1×4平面相控方法，包括

s101通过金属贴片13和电线接收信号，并通过接地金属过孔12传输；

s102偏压施加到形成反射负载23的导体上时，电极下的液晶分子的方向发生变化；

s103偏压加载电路33采用多级扇形枝节级联，枝节末端焊盘，为后续采用低频连接线与fpga电压源模块预留接口；

s104隔直流偏置电路32中，偏压信号和功分网络反馈入口射频信号进行阻隔，所述偏压加载电路33中，扇形径向枝节作为开路枝节用于短路掉频传输。

s105通过在第五介质层312通过两个功分器的两个输出口，第五介质层312上表面的微带线在馈电端口进行馈电辐射。

s106以fpga芯片作为控制核心，通过调节所述运算放大器放大倍数来实现电压连续可调和单独控制。

在本实施例中，从上至下依次为所述第一介质基板11、所述第二介质基板21和所述第三介质基板31，所述第一介质基板11为辐射贴片层，液晶移相器层和功分网络层，每层均有直径为1mm的插槽，用于螺丝的固定，辐射贴片层由尺寸为35mm×50mm×0.702mm的tsm-ds3m作为介质基板，其上印刷了四个磁电偶极子贴片天线，所述天线辐射贴片1采用平面印刷磁电偶极子天线，第一层以tsm-ds3m(相对介电常数2.96)材料作为天线的基板，对水平贴片做了切割处理，改进了馈电贴片的形式来获得良好的阻抗匹配。使用接地金属过孔12来代替接地贴片，等效于垂直接地贴片而用作磁偶极子，天线顶层的金属贴片13作为电偶极子组成新型的平面印刷磁电偶极子天线；所述第二介质基板21为液晶移相器层，所述第一介质层211和所述第三介质层213尺寸为35mm×50mm×0.11mm的fr-28-40-50s半固化片和所述第二介质层212尺寸为35mm×50mm×0.127mm的tsm-ds3m作为介质基板，将所述第二介质层212与所述第三介质层213挖空尺寸为6.5mm×12mm×0.207mm的四块用于填充液晶，所述液晶移相器模块2采用所述三分支线定向耦合器22和两个反射负载23小型化弯折延迟线，反射负载23的结构由所述低阻抗反射负载231和所述高阻抗反射负载232组成，低阻抗部分的长度相当于并联电感电容谐振电路，是半波长(4.28mm)的整数倍，可确保液晶介电常数的任何变化都会对反射负载23的输入电抗产生很大的影响，高阻抗四分之一波长部分用于将并联电感电容谐振电路转换为高相移量所需的串联电感电容谐振电路；所述第三介质基板31由所述第四介质层311和所述第五介质层312构成，由两层尺寸为35mm×50mm×0.254mm的所述第四介质层311和所述第五介质层312作为介质基板，各电路就分布在两层基板的上表面，所述fpga芯片和所述运算放大器通过集成在所述第五介质层312上；所述功分网络模块3包括了所述隔直流偏置电路32，所述偏压加载电路33和所述槽线差分功分器34，如图3所示，带状线-槽线超宽带滤波器实现所述隔直流偏置电路32，实现偏压信号与功分网络馈入口射频信号的阻隔，偏压加载电路33中，扇形径向枝节作为一个常规的四分之一波长开路枝节被用于短路掉射频传输，同时采用多级扇形枝节级联，枝节末端焊盘，为后续采用低频连接线与fpga电压源模块预留接口，槽线差分功分器34如图3所示，由于功分网络层是两层介质基板，在下层基板下表面横开一条连接左圆右扇的槽线，在下层基板上表面印刷图中2、3、4的微带线，2,3处为功分器的两个输出口，上层基板上表面印刷类似“感叹号”的微带线以进行馈电辐射，在1处自下至上设置馈电端口，如此，本发明集成了液晶反射式移相器结构、一分四二阶威尔金森功分网络、天线辐射贴片1以及四路可调电源，兼具了液晶移相器体积小、重量轻、驱动电压低、高频性的特点和平面印刷磁电偶极子天线优良的电性能，并利用四路可调电源系统实现了四路电压的连续可调和单独控制，进而解决了现有技术中的集成化程度不高，导致体型大，进而影响定位精度差的问题。

液晶移相器采用三分支线定向耦合器22和两个反射负载23小型化弯折延迟线；

反射负载23的结构由低阻抗部分和高阻抗部分组成，低阻抗部分的长度相当于并联电感电容谐振电路，是半波长(4.28mm)的整数倍，可确保液晶介电常数的任何变化都会对反射负载23的输入电抗产生很大的影响。高阻抗四分之一波长部分用于将并联电感电容谐振电路转换为高相移量所需的串联电感电容谐振电路；

功分网络包括了隔直流偏置电路32，偏压加载电路33和槽线差分功分器34，如图3所示；

带状线-槽线超宽带滤波器实现隔直流偏置电路32，实现偏压信号与功分网络馈入口射频信号的阻隔；

偏压加载电路33中，扇形径向枝节作为一个常规的四分之一波长开路枝节被用于短路掉射频传输，同时采用多级扇形枝节级联，枝节末端焊盘，为后续采用低频连接线与fpga电压源模块预留接口；

槽线差分功分器34如图3所示，由于功分网络层是两层介质基板，在下层基板下表面横开一条连接左圆右扇的槽线，在下层基板上表面印刷图中2、3、4的微带线，2,3处为功分器的两个输出口。上层基板上表面印刷类似“感叹号”的微带线以进行馈电辐射，在1处自下至上设置馈电端口；

功分网络设计主要包含由底部探针馈电至一分四等幅180°相差的wilkinson功分器结构，通过级联扇形偏置电路实现外接偏置电压的加载，基于槽孔补偿技术的平行耦合传输线起到隔直作用，确保四路偏置电压能过通过四个金属化过孔加载到上层的移相器电路从而实现单独可调且不相互影响；

如图6所示为平行耦合传输线示意图，隔直电路由中央的非均匀多模谐振结构和两个相同且分别位于两边的平行耦合传输线组成，虚线部分为背部地面刻蚀孔，不仅能够增加平行耦合线之间的耦合度，而且能够实现在多模谐振器中所需的两边到中心线段之间的阻抗比，多模谐振器中心线段为中心频率的半波长，两边线段选择为相等，且等于带通中心频率的四分之一波长，奇偶模特征阻抗可分别由z0e与z0o来描述偏压加载电路中，扇形径向枝节作为一个常规的四分之一波长开路枝节被设计用于短路掉射频传输，同时采用多级扇形枝节级联，枝节末端设计焊盘，为后续采用低频连接线与fpga电压源模块预留接口；

基于带阻滤波器的射频扼流效应可用以实现偏置电路的设计。图7给出了λ/4开路支节的带阻滤波器(从a到b部分)构成的偏置t结构，这种结构通常用于功放电路使射频性能不会受到dc连接的影响。a、b两点之间的带阻滤波器由两个径向开路支节和两个λ/4传输线组成，为了获得更宽的阻带工作带宽采用多级级联，在dc偏置端口3处，通过任意长的一条传输线将dc偏置连接到b点。

180°相差的schiffman移相功分器保证阵元初始相位一致，补偿天线单元a0和a2与a1和a3的180°相差，实现所输出的两路信号相位差起伏及幅度起伏均较低、隔离度较好的良好效果。整个结构包括wilkinson功分电路、schiffman移相电路以及馈线电路，其中wilkinson功分电路的输入端为微波信号输入端口，wilkinson功分电路的一输出端与schiffman移相电路连接，另一输出端与二级wilkinson功分电路输入端相连，通过调整schiffman移相电路的耦合线长度l和耦合线间距d，可实现在一定带宽内连接a0和a2的移相输出口和连接a1和a3的基准输出口相位差为180°的目的。

如图8所示为典型的schiffman移相器结构示意图，主通路path1由一段终端相连的平行耦合线构成，耦合线的奇偶模阻抗分别由ze和zo表示，令ρ＝ze/zo，则schiffman移相器中两通路之间的相位差为:

为了改善微带天线的阻抗带宽，采用平面印刷磁电偶极子天线，第一层以rogers5880(介电常数2.2)材料作为天线的基板，对水平贴片做了切割处理，改进了馈电贴片的形式来获得良好的阻抗匹配。使用接地金属过孔12来代替接地贴片，等效于垂直接地贴片而用作磁偶极子，天线顶层的金属贴片13作为电偶极子组成新型的平面印刷磁电偶极子天线，具备优良的电性能，这种天线结构能够实现更宽的频带、更稳定的频率特性、更低的交叉极化、更低的辐射后瓣和更简单的天线结构及稳定的天线的辐射方向图；

图9给出了平面印刷磁电偶极子天线结构图，采用缝隙耦合馈电的方式，天线上表面四块贴片即作为水平贴片的电偶极子，四块贴片内边缘处是直径为1.2mm的金属过孔，一直通到中间的缝隙接地板，这里接地金属过孔12相当于组成短路垂直贴片用作磁偶极子；

所采用的应用于电控扫描天线的四路可调电源模块可分为两部分：一方面是所述fpga芯片，所述fpga芯片采用英特尔的ep4ce6e22c8作为控制核心。所述fpga芯片工作电压为1.15v～3.465v，封装采用qfn144，含有92个i/o口，逻辑资源为6272，完全满足要求；另一方面是运算放大器lm358，lm358作为放大模块，通过调节电压放大倍数来实现电压0～25v连续可调、单独控制，四路可调电源模块的印制图。

通过对电路的优化，与传统的电控扫描模块的功耗相比，具有集成化高，功耗低的优点。

实施例3：

一种ka波段基于液晶反射式移相器的1×4平面相控阵100，包括功分网络方案和四路可调电源模块方案，所述功分网络方案包括功分器、隔直流偏置电路32、偏压加载电路和180°移相电路，所述四路可调电源模块方案为fpga电路，所述隔直流偏置电路32中，偏压信号和功分网络反馈入口射频信号进行阻隔，所述偏压加载电路33中，扇形径向枝节作为开路枝节用于短路掉频传输；所述四路可调电源模块方案包括fpga芯片作为控制核心，通过调节所述运算放大器放大倍数来实现电压连续可调和单独控制。

进一步地，所述ka波段基于液晶反射式移相器的1×4平面相控阵100还包括，将液晶移相器应用于相控阵，通过对所述液晶移相器的电调控以实现高精度波束控制。

在本实施例中，液晶移相器采用三分支线定向耦合器22和两个反射负载23小型化弯折延迟线。如图3所示，带状线反射负载23置于液晶层中，当偏压施加到形成反射负载23的导体上时，电极下的液晶分子的方向发生变化从而改变有效介电常数，影响反射负载23的电抗，进而改变差相移。仿真验证反射负载23的电抗xl是可变的，可实现的最大相移量：

反射负载23的结构由低阻抗部分和高阻抗部分组成，低阻抗部分的长度相当于并联电感电容谐振电路，是半波长(4.28mm)的整数倍，可确保液晶介电常数的任何变化都会对反射负载23的输入电抗产生很大的影响。高阻抗四分之一波长部分用于将并联电感电容谐振电路转换为高相移量所需的串联电感电容谐振电路。

采用液晶移相器与天线辐射单元集成化的思路，同时利用现有多层pcb面板集成加工工艺，不再需要单独的移相器元件，极大地降低了相控阵天线的成本，实现了小型化。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。