一种基于液晶的新型相位可调反射阵单元

1.本实用新型属于天线制造的技术领域，具体的书欧式设计一种一种新型结构的反射阵列天线单元，尤其是一种用液晶材料来实现相位可调的新型反射单元结构。


背景技术：

2.随着5g通信的不断发展，人们对于应用于5g频段上的设备应用的需求不断增加，同时天线作为无线通信系统的关键器件，对系统性能、成本和紧凑性起着限制性的影响，其中宽频带、高增益波束扫描反射阵列天线具有抗干扰性强、能够实时跟踪目标等优势，在军事、民用等各个领域都得到了广泛的应用。因此，设计一款工作于5g频段内，且性能优越的反射阵天线很有必要。反射阵列天线由一个空间馈源和一组反射单元组成，每个反射单元可以单独调控其相位，以在所需方向上形成高增益束。反射阵列中的关键参数是由布置在阵列晶格中的反射阵列单元提供的相移，其被用于补偿来自馈源的空间相位延迟以及在预期波束方向形成等相位面所需的相移量。单元的相移通常可以通过改变单元的一个或多个几何参数，为每个反射单元添加低损耗调谐设备（电子调谐器件）或特殊衬底材料（可调谐材料）来实现。其中，利用可调谐材料实现电可调反射阵单元的方法因其不需要应对器械调节的刻板，以及因加入电子调谐器件（变容二极管）而使得工作频率受其限制的缘故，受到了广大阵列天线设计人员的青睐。因此，设计一款能够拥有电可调波束扫描功能的反射阵列天线的挑战在于如何设计出一款能够实现反射相位电可调的单元。
3.由于液晶材料的介电常数在不同的频段上具有不同的数值，并且不同的液晶材料能够随所加电场的调节范围也不同，因此具有反射相位范围变化大的单元结构对于实现反射阵列的波束扫描功能非常重要。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本实用新型提出了一种基于液晶的新型相位可调反射阵单元，该阵列单元工作在28ghz，利用了液晶作为调节介电常数的介质，在较宽的带宽内拥有300
°
左右的相移能力，当介电常数变化范围较小时该单元仍然能够实现较大相位，可应用于具有波束扫描能力的反射阵列。
5.为了达到上述目的，本实用新型是通过以下技术方案实现的：
6.本实用新型是一种基于液晶的新型相位可调反射阵单元，包括上基板、下基板以及中间层的垫片，辐射贴片结构覆盖于上基板下方，金属地覆盖于下基板上表面，辐射贴片结构由第一半圆环、第二半圆环、第三半圆环以及引出的馈电线组成，金属地由三个大小相同的金属贴片以及馈线连接而成，所述上基板、垫片和金属地共同围城被灌注有液晶的液晶凹槽，辐射贴片与金属地所用的材料为铜，上基板、垫片以及下基板为介质基板材料。在单元组装之后对其边缘进行封胶，必须在上基板提前进行打孔处理，便于封装后液晶的注入，以及引出用于给液晶提供外加偏压的馈电线。
7.本实用新型的进一步改进在于：辐射贴片由三组半圆环以及引出的馈电线共同构
成，三组半圆环分别采用两个半圆在相切的位置进行交叠连接的方式，两个半圆呈轴对称并相接，第二半圆环、第三半圆环的两个半圆的相切点与第一半圆环半圆的相切点位于同一条直线上，同时该线为馈电线。馈电线贯穿辐射贴片，并于单元的中心位置处引出，辐射贴片的覆铜位于上基板的下方，贴片以及单元整体的大小与天线的频率有关，通过调节辐射贴片和单元的整体尺寸的大小可改变单元的谐振频率，让单元工作在所需的频段上。
8.本实用新型的进一步改进在于：金属地在下基板的上方，金属地由三个大小相同的金属贴片及馈线连接而成，且附着于下基板上表面，三个金属贴片宽度相同皆为第三半圆环外圆半径，长度与介质基板长度相等，金属贴片之间间距为第一半圆环的环宽，三个贴片分别位于半圆环金属贴片的下方，每个金属地贴片分别对应其上方的半圆环辐射贴片，构成完整的反射阵列单元结构。
9.本实用新型的有益效果是：本实用新型的两个半圆环相交叠的对称结构单元构成基于液晶的反射单元时28ghz的频段上当液晶的介电常数在2.4-3.2的范围内变化时可以达到120
°
左右的反射相位，三组半圆环结构呈级联结构，级联结构形成了多个等效的电感和电容，与金属地级联贴片一起构成级联谐振结构，与一组半圆环结构相比能够产生出附加的反射相位，使其能够在所需频段上液晶的介电常数的可调节范围较小时仍然能够具有较大的反射相位，当介电常数在2.6-2.9的范围内变化时，三组半圆环级联结构可使其28ghz频段上的反射相位能够达到260
°
，当介电常数在2.2-3.2的范围内变化时，该反射单元结构能够在28ghz频段上的反射相位能够不小于300
°
，从而提供给天线阵列实现反射阵列的波束扫描。
10.本实用新型在采用液晶作为波束扫描反射阵列的可调介质时，当液晶材料的介电常数在所使用的射频频段上能够通过外加偏置进行调节的范围比较小时，所提出的反射阵单元仍然能够实现较大的反射相位。
附图说明
11.图1是本实用新型辐射贴片结构示意图。
12.图2 是本实用新型金属地结构示意图。
13.图3是本实用新型侧视图。
具体实施方式
14.以下将以图式揭露本实用新型的实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本实用新型。也就是说，在本实用新型的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。
15.如图1-3所示，本实用新型是一种基于液晶的新型相位可调反射阵单元，包括上基板2、下基板4以及中间层的垫片3，辐射贴片结构1覆盖于所述上基板2下方，金属地5覆盖于所述下基板4上表面，所述上基板2、所述垫片3和所述金属地5共同围城被灌注有液晶的液晶凹槽6，金属地与上基板2下的辐射贴片1相同，至于单元的中间垫片，只需要对基板中心进行开槽即可，由于单元的辐射贴片1是位于液晶凹槽6的中心的，所以垫片3的开槽位置的中心需要与辐射贴片1位置的中心相同，辐射贴片1覆铜于上基板2的下方，与附着于下基板
4上方的金属地5共同为液晶提供偏压。
16.对单元的上基板2、垫片3以及下基板4进行装配，最终用环氧树脂进行封胶，在对单元进行液晶的灌注，并对单元引出来的偏压线进行导线的焊接，偏压的正极通过辐射贴片引出的延长线接入，负极接入金属地，由此就在液晶的上下接入了偏压，将这种基于液晶的电可调相位反射单元用于反射阵列的排布，可以实现反射阵列主波束方向的电可调。在单元组装之后对其边缘进行封胶，必须在上基板提前进行打孔处理，便于封装后液晶的注入，以及引出用于给液晶提供外加偏压的导线。
17.所述辐射贴片结构1由第一半圆环1-1、第二半圆环1-2、第三半圆环1-3以及引出的馈电线1-4组成，第一半圆环1-1、第二半圆环1-2以及第三半圆环1-3分别由两个半圆在相切的位置进行交叠连接且两个半圆呈轴对称且两个半圆连接，第二半圆环1-2的两个半圆的相切点以及第三半圆环1-3的两个半圆的相切点与第一半圆环1-1的两个半圆的相切点位于同一条直线上且该线为所述馈电线1-4。所述第一半圆环1-1的内环直径为所述第二半圆环1-2的外环直径，第二半圆环1-2的内第三半圆环1-3的外圆环直径，第一半圆环1-1与第二半圆环1-2、第二半圆环1-2与第三半圆环1-3的圆心之间距离相同且均为第三半圆环1-3的外圆半径与地电极缝隙的宽度之和。所述新型相位可调反射阵单元的工作的频率为28ghz，单元的长宽均为5mm，两个所述第一半圆环1-1的外环直径为2mm，两个所述第一半圆环1-1的内圆环直径1.8mm，两个第二半圆环1-2的外环直径1.8mm, 两个第二半圆环1-2的内环直径1.6mm,两个所述第三半圆环1-3的外环直径1.6mm，两个所述第三半圆环1-3的内环直径1.4mm。其中第一半圆环1-1与第二半圆环1-2和第二半圆环1-2与第三半圆环1-3的环心间隔相等，都为第三半圆环1-3外环半径0.8mm与地电极缝隙宽度0.2mm之和1.0mm，且每组半圆环中两半圆环交叠0.1mm环宽；引出的馈电线的长度为5mm，宽度为0.1mm。
18.对于金属地5，它由3片长5mm，宽1.2mm的长方形贴片5-1和0.1mm宽的馈线5-2串连而成，所述金属地5中的三个所述金属贴片5-1的宽度相同且均为第三半圆环1-3的外圆半径，三个所述金属贴片5-1的长度与所述下基板4的长度相等， 三个所述金属贴片5-1之间留有缝隙且缝隙的宽度为所述第一半圆环1-1的环宽0.2mm，三个所述金属贴片5-1分别单独位于第一半圆环1-1、第二半圆环1-2、第三半圆环1-3的下方且与第一半圆环1-1、第二半圆环1-2、第三半圆环1-3一一对应。
19.所述上基板2、所述下基板4以及中间层的垫片3用的材料都是rogers4003，单元的上基板2、下基板4以及中间层的垫片3用的材料都为rogers4003，该材料具有很强的硬度，不易弯曲，它的相对介电常数为3.55。本发明的反射阵单元的上基板采用的厚度为rogers4003的1.524mm，下基板与垫片采用的是0.203mm。对于基板以及垫片的材料使用并不是一定的，还可以采用相对介电常数相对较小的材料，这样会减小辐射能量的损耗，但是必须注意的是板材的硬度需要大一些，这是因为在单元的加工和封装过程中，如果板材发生形变，这会使得最终单元封装的液晶凹槽的深度或者形状发生改变，也就是说改变了灌入液晶的厚度或面积，这会对本单元利用液晶实现相移的设计造成致命的误差。
20.反射阵单元是基于液晶材料的，所述基于液晶的新型相位可调反射阵单元具有良好的相移特性，工作频率为28ghz时，它在液晶相对介电常数调节范围为2.4-3.2的基础上，并且在1ghz的带宽内都具有不小于300
°
的相移能力，当介电常数在2.6-2.9的范围内变化时，所述反射阵列单元仍然具有260
°
的反射相位。所述的基于液晶的新型相位可调反射阵
单元可用于波束扫描反射阵列中，能够实现连续的高增益的波束扫描。
21.对于单元的工作频率，当单元的尺寸越小，它所对应的工作的频率就越高；对于单元的中间垫片的厚度的选取，因为中间垫片的厚度是直接决定灌注液晶的厚度，而液晶的厚度越大，单元的相移曲线线性度越好，损耗会降低，带宽会变宽，但是液晶的响应时间则会越长，单元的相移范围会变窄；对于单元相移能力的提升，可以通过在单元上加载延迟线或采用多谐振结构的辐射贴片来实现。
22.在制造上，单元的基板和垫片可以利用板材加工方来提供切割支持，在上基板和下基板上的辐射贴片和金属地，也是罗杰斯板材加工方提供的刻蚀支持。在拿到基板和垫片后，需要通过环氧树脂凝胶对单元进行封装，注意上基板覆铜的辐射贴片与垫片凹槽的相对位置。在单元封装好后，对单元进行液晶材料的灌注，在灌注之前需要对液晶加热，以免由于液晶材料的粘稠度太大，不好注射。最后在灌注完液晶之后，对上基板的用于灌注液晶的通孔进行封口。
23.本实用新型的反射阵单元在较宽的带宽上都有着可观的相位调节能力，并且可用于电可调反射阵列天线的设计。
24.以上所述仅为本实用新型的实施方式而已，并不用于限制本实用新型。对于本领域技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本实用新型的权利要求范围之内。