阅读说明：本技术 一种基于液晶的二维波束扫描全息漏波天线 (Two-dimensional beam scanning holographic leaky-wave antenna based on liquid crystal ) 是由 梁锋 刘琦 汪相如 王秉中 于 2020-05-19 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于液晶的二维波束扫描全息漏波天线,属于天线技术领域。该天线通过设计超材料辐射结构,是矩形缝隙与金属贴片中心一一对应,中间为液晶层；并采用同轴馈电的方式,再加上介质基板上下两层金属层构成平行板波导,使得天线形成定向漏波辐射,解决了液晶全息天线波束扫描角度小、结构沉重、剖面高的问题。(The invention provides a two-dimensional beam scanning holographic leaky-wave antenna based on liquid crystal, and belongs to the technical field of antennas. The antenna is characterized in that a metamaterial radiation structure is designed, rectangular gaps correspond to the centers of metal patches one by one, and a liquid crystal layer is arranged in the middle of the antenna; and a coaxial feed mode is adopted, and the upper and lower metal layers of the dielectric substrate form a parallel plate waveguide, so that the antenna forms directional leaky-wave radiation, and the problems of small beam scanning angle, heavy structure and high section of the liquid crystal holographic antenna are solved.)

一种基于液晶的二维波束扫描全息漏波天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于液晶的二维波束扫描全息漏波天线。

背景技术

随着信息技术的飞速发展，无线通信系统需要具备大容量、多功能以及超宽带等特性。在此需求下，可重构天线的概念被提出，即一副天线通过某种方式可以实现多个天线的特性。而在可重构天线当中，关注最多的是方向图可重构天线。方向图可重构天线具备波束扫描的能力，不仅可以减少通信系统中天线数量，也具有低成本、小型化的优点，并且可以适应更加复杂多变的应用环境。

现阶段的二维波束扫描天线主要是采用相控阵的方式实现，相控阵天线具有良好的波束扫描能力，但是其馈电网络复杂，需要大量的移相器等设备，导致成本较高，并且其单元间距通常为半个波长，使得阵列面积很大。而近年来，随着人工电磁表面的发展，使得具有亚波长阵元间距的平面阵列天线成为了现实，全息天线就是典型的具有亚波长阵元间距的平面阵列天线。全息天线本质上属于漏波天线，这类天线无需移相器就可以实现方向图的综合，并且结构紧凑，而且馈电简单，成本较低。

目前对于全息天线波束动态扫描的方法主要是通过在每个单元处加入PIN二极管来实现的。在低频段，PIN二极管有着稳定性好、损耗低、易集成等比较显著的优势，但是PIN二极管只能提供通和断两种方式，并且在毫米波及以上的频段，由于其寄生参数的影响将不再适用。随着通信技术的发展，天线设计的频段逐渐在向毫米波段及以上的频段发展，设计在毫米波及以上频段的波束可动态扫描的全息天线十分必要。液晶材料是近些年才引入到微波器件的设计当中，其介电常数会随着电场或者磁场的变化而连续地改变，相比于PIN二极管，引入液晶材料后天线的波束调控方式更多样，液晶的工作频段可跨越微波频段乃至光学频段，通过合理地引入液晶材料，可以用来设计毫米波及以上频段的全息漏波天线。

目前也有少部分学者对一维/二维波束扫描的基于液晶的漏波天线进行研究，包括基于液晶的矩形金属波导漏波天线、基于液晶的反射阵及透射阵天线，但这些天线要么扫描角度很小，要么结构沉重，要么剖面高，应用场景十分受限。

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于液晶的二维波束扫描全息漏波天线。该天线通过设计超材料辐射结构，并采用同轴馈电的方式，形成定向漏波辐射，解决了液晶全息天线波束扫描角度小、结构沉重、剖面高的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于液晶的二维波束扫描全息漏波天线，包括辐射结构和馈电结构，所述辐射结构包括第一介质基板、辐射单元、偏置网络、液晶层、缝隙地板和第二介质基板，所述辐射单元设置于第一介质基板下表面，所述缝隙地板设置于第二介质基板上表面，所述液晶层填充于第一介质基板和第二介质基板之间，所述偏置网络与辐射单元电连接；所述馈电结构包括金属层、吸波材料和同轴连接器；其特征在于，所述辐射单元为M×N周期性排列的金属贴片，所述缝隙地板为刻蚀有矩形缝隙的金属板，所述金属贴片与矩形缝隙中心对齐；所述金属层设置于第二介质基板下表面，所述同轴连接器设置于第二介质基板中心，同轴连接器的内芯探针穿过第二介质基板与缝隙地板相连，同轴连接器的外壁与金属层连接，所述吸波材料设置于第二介质基板四周边缘处，用于吸收辐射结构未漏完的电磁波。

进一步地，M和N均≥2。

进一步地，所述金属贴片为长方形或正方形，在每个方向上等距分布，相邻两金属贴片的中心距离为λ/6～λ/2.5；所述矩形缝隙的长为λ/6～λ/3，宽为λ/36～λ/18，λ为本发明所述天线工作频段中心频率对应的波长。

进一步地，所述辐射结构还包括封胶框，用于液晶层的密封。

进一步地，所述液晶层经配向处理，在未施加偏置电压时，液晶分子指向一致，液晶材料具有最小或最大的介电常数；当在金属贴片上施加偏置电压时，液晶分子发生偏转，液晶材料的介电常数发生变化，所述辐射单元的谐振频率发生改变，实现辐射特性的调节。

进一步地，所述偏置网络包含M×N个半导体驱动元件，所述半导体驱动元件与金属贴片一一对应连接，用于向每一个金属贴片独立地提供偏置电压。

进一步地，所述偏置网络通过引线与控制电路相连，所述控制电路根据全息原理和需要的天线波束方位角计算出每个辐射单元所需的偏置电压值，并通过所述偏置网络为每个辐射单元施加电压信号。

进一步地，所述控制电路包括行控制器和列控制器，所述行控制器控制半导体驱动原件的导通或断开，所述列控制器提供金属贴片的驱动电压。

进一步地，所述同轴连接器端口馈入射频信号时，将产生以缝隙地板和金属层为上下边界、以内芯探针为轴心的外行径向波，该径向波在向外传播过程中，逐渐通过缝隙地板上的矩形缝隙经液晶层后由金属贴片以漏波的形式辐射出去，所述缝隙地板和金属层构成平行板波导。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明提供的二维波束扫描全息漏波天线，采用液晶材料，通过施加偏置电压改变液晶材料的介电常数，从而调节辐射单元的辐射特性，相比于加载二极管等射频开关的波束扫描全息天线而言，该调节方式使得每个单元的辐射强度可以连续变化，辐射效率更高，并且具有可以在任意方位角下实现大角度扫描的优势。

2.本发明简化了液晶全息天线的馈电结构，通过将内芯探针设置于第二介质基板中心，产生以所述内芯探针为轴心、向外传播的径向波，便于实现在方位角和俯仰角两个维度上的二维扫描，解决了液晶全息天线波束扫描角度小，结构沉重、剖面高的问题；相比已有的平面相控阵天线而言，本发明天线具有结构紧凑、馈电简单、成本低廉，具有可以工作在毫米波频段及以上频段的优点。

附图说明

图1为本发明液晶全息天线的剖面图。

图2为本发明液晶全息天线中辐射单元和缝隙地板的俯视图。

图3为本发明液晶全息天线的偏置网络和控制电路示意图。

图4为本发明所述实施例中液晶天线各个方位角

下的方向图的仿真结果；

其中，(a)为方向图，(b)为方向图，(c)为

方向图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

一种基于液晶的二维波束扫描全息漏波天线，其剖面图如图1所示，包括辐射结构和馈电结构；

所述辐射结构包括第一介质基板1、辐射单元2、封胶框3、液晶层4、缝隙地板5、第二介质基板6、控制电路及偏置网络，第一介质基板1和第二介质基板6可以但不局限于为液晶显示技术中采用的玻璃基板，若为玻璃基板，则在第一介质基板1和第二介质基板6之间填充液晶后具有良好的密封特性，不易出现液晶渗漏；所述辐射单元2设置于第一介质基板1下表面，由M×N个呈二维周期排布的金属贴片201组成；所述偏置网络与辐射单元2位于同一层，与辐射单元电连接；第二介质基板6上表面设置有缝隙地板5，所述缝隙地板5为刻蚀有M×N个呈二维周期排布的矩形缝隙501的金属板，金属板接地；金属贴片201与矩形缝隙501一一对应，且中心对齐；液晶层4填充在辐射单元2和缝隙地板5之间，在液晶层4的四周边缘设置封胶框3以便将介质基板1和介质基板6粘合起来形成密封的液晶盒，保证液晶层不会溢出；由于缝隙地板5接地，只需调节施加在金属贴片201上的电压信号，就可以改变液晶的介电常数。

所述馈电结构包括吸波材料7、金属层8以及射频同轴连接器9；金属层8为完整的金属平面，设置第二介质基板6下表面，同轴连接器9安装于第二介质基板6和金属层8的中心位置，同轴连接器9的金属外壁901连接金属层8，同轴连接器9的内芯902穿透金属层8和第二介质基板6，与缝隙地板5相连；当由同轴连接器9端口馈入射频信号时，将产生以缝隙地板5和金属层8为上下边界、以内芯902位轴心的外行径向波，该径向波在向外传播过程中，通过金属层5上刻蚀的矩形缝隙501耦合进液晶层，再经金属贴片201辐射出去；未经所述辐射结构漏完的电磁波传播到边缘处被吸波材料7吸收，避免产生反射，造成行波不纯，影响辐射效果。

图2为本发明液晶全息天线中辐射单元和缝隙地板的俯视图。金属贴片201和矩形缝隙501呈二维周期排布，均为矩形，两者中心一一对应，金属贴片201的边长略大于矩形缝隙501的长度。

图3为本发明液晶全息天线控制电路、偏置网络及金属贴片阵列2的连接示意图。控制电路包括行控制器和列控制器，可由FPGA电路实现，行控制器控制偏置网络中的半导体驱动元件202的导通或断开，列控制器提供金属贴片201的驱动电压；偏置网络包括M×N个半导体驱动元件202及引线，半导体驱动元件202与金属贴片201一一对应连接；半导体驱动元件202可以但不局限于为薄膜晶体管，当半导体驱动元件202为薄膜晶体管时，其栅电极G连接所述行控制器，其源电极S连接所述列控制器，其漏电极D连接金属贴片201。当行控制器提供给薄膜晶体管的栅电极电压大于其阈值电压时，该薄膜晶体管导通，列控制器提供的驱动电压便依次经薄膜晶体管的源电极、漏电极传输至金属贴片201上；反之，当行控制器提供给薄膜晶体管的栅电极电压小于其阈值电压时，该薄膜晶体管就断开，列控制器提供的驱动电压便不能传输至金属贴片201上。通过所述行控制器和列控制器，可以按需为每个金属贴片201提供偏置电压。

本实施例中所述第一和第二介质基板均采用玻璃基板，相对介电常数为4.81，面积为45.6mm×45.6mm，第一介质基板1厚度为0.7mm，第二介质基板6厚度为0.7mm；中心频率f₀取为30GHz，缝隙地板5中的每个缝隙单元长度为0.18倍波长λ，约为1.8mm，宽度为0.023倍波长，约为0.23mm；水平方向每两个相邻缝隙单元的间距为3.85mm，竖直方向的间距为1.67mm，缝隙数量为28×13；每个缝隙单元的上方都有液晶层4和金属贴片201，通过独立调节每个辐射单元中金属贴片201的偏置电压，改变该单元液晶的介电常数，以此调节该辐射单元的谐振频率，进而调节该单元的辐射强度；若辐射单元的谐振频率与馈入射频信号的频率一致，则该单元的辐射最强；若辐射单元的谐振频率与馈入射频信号的频率相差最大，则该单元的辐射最弱。结合基于全息原理的波束控制算法，可以快速确定在所需辐射方向角度下每一个辐射单元的辐射状态，通过控制电路，可以快速改变每一个单元的辐射状态，实现上半空间内波束的二维连续动态扫描。

采用仿真软件为CST Microwave Studio 2016对本天线在30GHz处的各个方向的远场辐射方向进行仿真，结果如图4所示。其中，(a)、(b)、(c)分别为方位角为0°、45°、90°时波束在俯仰面上的扫描结果，体现出二维波束扫描能力；3-dB增益波动范围内最大波束扫描俯仰角范围为-60.4°至57.7°。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。