基于层叠结构和液晶的可重构全息阻抗调制表面天线

1.本发明涉及天线领域，具体涉及一种基于层叠结构和液晶的可重构全息阻抗调制表面天线。


背景技术：

2.天线是无线通信、感知、探测与识别等系统的重要组成部分，主要实现电磁波的发射和接收，其工作性能和物理特性影响着整个系统的性能。近年，全息技术广泛应用于微波天线领域，出现了全息超表面天线、全息阻抗调制天线等新型天线。全息天线具有低剖面、低轮廓、小体积等特性，所以其可以非常隐蔽的安装在各种物体的表面，实现共面结构。并且，全息天线结构简单、制造工艺简单便于加工，且不需要复杂的馈电结构，可以很大程度降低实际工程中天线馈电网络的复杂度。同时，制作全息天线主要采用介质材料，其重量远小于金属材料，适用于飞行器蒙皮结构共形应用。此外，基于全息天线的工作机理，可以引导电磁波在其表面传播，从而降低雷达散射截面积，实现电磁隐身。因此在实际工程中有良好的应用前景。但传统的全息天线，由于其工作机理是利用参考波照射干涉图样来反演目标波束，对于指定工作频率，全息天线的辐射方向图缺少可调性，不利于实际工程应用。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于层叠结构和液晶的可重构全息阻抗调制表面天线解决了传统全息天线方向图缺少可调性的问题。
4.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
5.提供一种基于层叠结构和液晶的可重构全息阻抗调制表面天线，其包括介质框，介质框的下方设置有金属底板；介质框上设置有贯穿其上下面的槽体，槽体内设置有液晶层，液晶层上设置有介质板；
6.介质板的上表面和下表面均设置有8个依次排列的层叠结构周期性缝隙单元，每个层叠结构周期性缝隙单元均包括4个贯穿介质板的金属通孔、7个金属贴片和2条纵向的且位于介质板底面的金属条；
7.在同一个层叠结构周期性缝隙单元中，7个金属贴片依次排列，每个金属贴片中均有一条独立的缝隙；4个金属通孔均分为2组上下对称设置在7个金属贴片的上下侧，每组金属通孔之间连接1条金属条；
8.介质框的上表面设置有微带线，微带线与与其同侧的第一个层叠结构周期性缝隙单元相连。
9.进一步地，液晶层的厚度为介质板的厚度的4倍。
10.进一步地，微带线为指数渐变过渡微带线。
11.进一步地，金属条的宽度为1mm。
12.进一步地，介质框的厚度为2.5mm。
13.进一步地，液晶层的厚度为2mm，介质板的厚度为0.5mm。
14.进一步地，液晶层中液晶的介电常数为2.74～5.44。
15.进一步地，在同一个层叠结构周期性缝隙单元中，2条纵向的金属条分别位于层叠结构周期性缝隙单元长度的四分之一处和四分之三处。
16.本发明的有益效果为：
17.1、本发明采用表面阻抗提取方法得到周期缝隙结构参数，再在介质框中加载液晶层，并对液晶层进行电压偏置调控，实现方向图的可重构。
18.2、本发明在介质板下均匀的加入2根金属条，构成层叠结构周期性缝隙单元，可以提高天线的辐射效率。
19.3、本发明基于层叠结构周期性缝隙单元得到的一维天线可以得到高增益。
附图说明
20.图1为本天线的结构爆炸示意图；
21.图2为介质板上单个层叠结构周期性缝隙单元的结构示意图；
22.图3为本天线在不同偏置条件下的回波损耗示意图；
23.图4为本天线在固定频率12ghz处的e面辐射方向图示意图；
24.图5为不同偏置条件下本天线最大增益随频率分布示意图。
25.其中：1、层叠结构周期性缝隙单元；2、介质板；3、金属通孔；4、液晶层；5、金属条；6、介质框；7、金属底板；8、微带线；9、金属贴片；10、缝隙。
具体实施方式
26.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
27.如图1和图2所示，该基于层叠结构和液晶的可重构全息阻抗调制表面天线包括介质框6，介质框6的下方设置有金属底板7；介质框6上设置有贯穿其上下面的槽体，槽体内设置有液晶层4，液晶层4上设置有介质板2；
28.介质板2的上表面和下表面均设置有8个依次排列的层叠结构周期性缝隙单元1，每个层叠结构周期性缝隙单元1均包括4个贯穿介质板2的金属通孔3、7个金属贴片9和2条纵向的且位于介质板2底面的金属条5；
29.在同一个层叠结构周期性缝隙单元1中，7个金属贴片9依次排列，每个金属贴片9中均有一条独立的缝隙10；4个金属通孔3均分为2组上下对称设置在7个金属贴片9的上下侧，每组金属通孔3之间连接1条金属条5；2条纵向的金属条5分别位于层叠结构周期性缝隙单元1长度的四分之一处和四分之三处；金属条5末端通过金属通孔3延伸至介质板2的上表面，与上层金属贴片形成层叠结构，这种结构可以防止表面波在传输过程中能量耗散在液晶层4，提高天线辐射效率。
30.介质框6的上表面设置有微带线8，微带线8与与其同侧的第一个层叠结构周期性缝隙单元1相连。
31.液晶层4的厚度为介质板2的厚度的4倍，并优选液晶层4的厚度为2mm，介质板2的
厚度为0.5mm，此时介质框6的厚度为2.5mm。微带线8为指数渐变过渡微带线。金属条5的宽度为1mm。液晶层4中液晶的介电常数为2.74
‑
5.44。在本发明的一个实施例中，7条独立的缝隙10从左往右分别为g1、g2、g3、g4、g3、g2和g1，通过优化缝隙宽度，控制金属条5的宽度及缝隙结构的表面阻抗到适当数值，进而能得到在中心频率12ghz处使天线性能最佳的缝隙结构参数。本发明在进行天线设计前，须确定基本谐振单元。选取如图2所示的周期性金属缝隙结构作为基本单元，然后对该结构中的各个缝隙单元进行表面阻抗提取，其表面阻抗可表示为：
[0032][0033]
其中，c为电磁波真空速度，ω为本征频率,d0为单个缝隙长度，z0为自由空间波阻抗，θ为表面波在单个缝隙结构单元上传播一段距离d0后产生的相位差。以缝隙g1、g2、g3和g4结构参数进行调谐，采用全波仿真软件对该天线进行建模仿真，得到固定条件下使天线性能指标最好的缝隙结构参数。
[0034]
在具体实施过程中，先采用表面阻抗提取的方法对周期性缝隙结构进行设计，然后在介质板2下均匀的加入2根金属条5，金属条5末端通过金属通孔3延伸至介质板2的上表面，两根含金属化盲孔的金属条与上表面的缝隙结构金属条形成微扰，减少表面波损耗在液晶层4，增加天线的辐射效率。最后加载液晶层4，构成层叠结构可重构周期性缝隙单元。并通过金属通孔3和金属条5施加偏置电压，正常状态下液晶颗粒是各向异性有序排列的，介电常数位于最大和最小之间。当在液晶上加上一定直流偏置电压后，实现液晶颗粒的垂直或平行取向，从而改变其介电常数。对延伸上表面的金属通孔3与一金属片连接，用于对液晶进行直流电压偏置调控，就能实现了方向图的可重构。
[0035]
输入微带线8与层叠结构周期性缝隙单元1之间采用指数型渐变线进行阻抗匹配，用固定介电常数的介质框6把8个周期性缝隙结构单元固定在中心，介质框6的厚度等于介质板2加上液晶层4的总厚度，左侧输入微带线8下方为介质框6，这样的结构使得输入端口的准tem波能通过固定介电常数的介质框6被馈入，从而便于实现阻抗匹配，降低输入反射，提升回波损耗性能。
[0036]
如图3所示，不同偏置条件下，本天线在10.8
‑
13.3ghz频率范围内的回波损耗优于15db。如图4所示，本天线的e面辐射方向图在固定频率12ghz可实现36
°
的连续性偏转，呈现良好的可重构特性。且在不同偏置电压下，本天线在固定频率12ghz的增益均大于14.5db，增益抖动小于1.3db。如图5所示，不同偏置条件下，本天线在10.3
‑
13.1ghz频率范围内的最大增益处于13.8
‑
15.7dbi之间。综合图3和图5，本天线的中心频率为12ghz，通带范围为11～13ghz，相对带宽为16.7％。
[0037]
综上所述，本发明采用表面阻抗提取方法得到层叠结构周期性缝隙单元1，再在介质框中加载液晶层4，并对液晶层4进行电压偏置调控，形成层叠结构可重构周期性缝隙单元，实现方向图的可重构。