基于液晶的電控過零掃描波導(dǎo)漏波天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微波天線工程技術(shù)領(lǐng)域。可以廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代無線移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信動(dòng)中通及各種雷達(dá)系統(tǒng)中。
【背景技術(shù)】
[0002]漏波天線自上個(gè)世紀(jì)40年代由W.ff.Hansen提出以來，其獨(dú)特的輻射特性及優(yōu)良的波瓣掃描特性，使得漏波天線一直是天線領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。最初的漏波天線是由開縫矩形波導(dǎo)構(gòu)成的，其實(shí)質(zhì)是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上所傳播的電磁波為快波時(shí)會(huì)向空間輻射部分電磁波的現(xiàn)象。最近幾十年，漏波天線的研究得到飛速發(fā)展，特別是平面漏波天線得到了廣泛研究，因?yàn)槠矫媛┎ㄌ炀€可以直接加工在印刷電路板(PCB)上，具有低剖面、易加工、結(jié)構(gòu)簡單、饋電容易、高方向性等優(yōu)點(diǎn)，以及波束掃描特性。因此，漏波天線在微波和微波以上的頻段得到廣泛的關(guān)注，特別是在需要波束掃描的場合，漏波天線具有無可比擬的優(yōu)勢，擁有良好的發(fā)展前景。
[0003]漏波天線具有隨著饋入的電磁波頻率的變化，天線主瓣波束方向也會(huì)變化的頻率掃描特性。漏波天線的頻掃特性在過去有著較為廣泛的應(yīng)用，但這種頻掃特性往往會(huì)占據(jù)一段較寬的連續(xù)的頻帶資源。當(dāng)今，隨著無線通信的爆炸式發(fā)展，本就有限的頻譜資源顯得日益擁堵，而傳統(tǒng)漏波天線的頻掃特性與現(xiàn)代通信提高頻譜利用率的追求顯然是矛盾的，因此為了解決這一矛盾，定頻掃描漏波天線的概念開始被提出。
[0004]傳統(tǒng)的定頻掃描天線一般利用移相器對天線陣列中不同的天線單元相位進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)天線波束的掃描，這種定頻掃描天線又稱為相控陣天線，是現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中最為常用的一種掃描天線。但相控陣天線也存在著自己的問題，移相器的引入，往往使得天線的造價(jià)提高，體積變大，而且隨著相控陣天線陣元的增加，移相器控制網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度將會(huì)呈幾何量級增長，這也就制約了相控陣天線，即傳統(tǒng)定頻掃描天線的發(fā)展。
[0005]因?yàn)槁┎ㄌ炀€本身具有頻掃特性，再考慮到定頻掃描的實(shí)際要求，定頻掃描漏波天線應(yīng)運(yùn)而生。定頻掃描漏波天線一般是在漏波天線上加載電控開關(guān)或電調(diào)介質(zhì)，通過外加電壓來改變開關(guān)的通斷或介質(zhì)的電磁特性，以在某個(gè)固定頻點(diǎn)上改變漏波天線的波束方向，實(shí)現(xiàn)定頻波束掃描。這種定頻掃描漏波天線也稱為電控掃描漏波天線，最典型的電控掃描漏波天線基于變?nèi)荻O管。但由于變?nèi)荻O管寄生參數(shù)和損耗的影響，這種電控掃描漏波天線有工作頻段低等缺點(diǎn)，在頻段不斷提高的現(xiàn)代無線通信中，應(yīng)用受到了極大的局限?；谝壕Р牧系亩l電控掃描漏波天線能夠工作在微波的高頻波段。液晶材料可以在外加磁場或電場的控制下，改變自身的介電常數(shù)，這一特性被施加到天線結(jié)構(gòu)中，就可以實(shí)現(xiàn)漏波天線的定頻掃描。然而，現(xiàn)有的液晶電控掃描漏波天線通常具有如下的缺點(diǎn):第一，需要使用外加可控磁場來配合天線的方向圖掃描，從而導(dǎo)致天線的控制機(jī)構(gòu)復(fù)雜；第二，為了能夠使液晶的介電常數(shù)在外加電場的作用下發(fā)生改變，需要為天線設(shè)計(jì)額外的偏置電路，而這種偏置電路會(huì)導(dǎo)致低頻或直流電路與射頻電路之間的電磁耦合，進(jìn)而是天線的輻射特性惡化。第三，現(xiàn)有液晶漏波天線在實(shí)現(xiàn)輻射波束指向垂直于天線表面的方向(過零掃描)方面，比較困難，即使通過阻抗匹配等方法勉強(qiáng)實(shí)現(xiàn)，也最終會(huì)導(dǎo)致天線的工作帶寬變窄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的是為了解決傳統(tǒng)的基于變?nèi)荻O管等傳統(tǒng)電調(diào)元件的電控掃描漏波天線難以工作于微波高頻波段以及現(xiàn)有液晶電控定頻掃描漏波天線不易于實(shí)現(xiàn)過零掃描且需要特別設(shè)計(jì)偏置電路的問題，提供了一種基于液晶的電控過零掃描波導(dǎo)漏波天線。
[0007]本發(fā)明所述基于液晶的電控過零掃描波導(dǎo)漏波天線，它包括頂部介質(zhì)板層、金屬層、絕緣膠層、液晶層和底部波導(dǎo)槽；
[0008]頂部介質(zhì)板層的下表面設(shè)置有金屬層，金屬層為刻蝕有周期性橫縫和縱縫的漏波結(jié)構(gòu)，其中的周期性橫縫要使電磁波在底部波導(dǎo)槽與金屬層之間傳播時(shí)的等效串聯(lián)電感增加，其中的周期性縱縫要使電磁波在底部波導(dǎo)槽與金屬層之間傳播時(shí)的等效并聯(lián)電容增加；
[0009]頂部介質(zhì)板層與金屬層之間通過機(jī)械加工方式、電鍍方法、熱壓方法或微電子工藝緊密結(jié)合為一體；
[0010]底部波導(dǎo)槽為矩形板的上表面開有縱向槽結(jié)構(gòu)，所述縱向槽與金屬層之間填滿液晶材料，從而形成液晶層；
[0011]底部波導(dǎo)槽的縱向槽兩側(cè)凸起部分的上表面與金屬層之間通過絕緣膠層粘接在一起;
[0012]金屬層上設(shè)置有N個(gè)周期性縫隙單元和兩個(gè)導(dǎo)帶，N個(gè)周期性縫隙單元與兩端的波導(dǎo)端口 I和波導(dǎo)端口 2之間分別設(shè)置一個(gè)導(dǎo)帶，天線總長度Lni= N*p+21。，其中I。為導(dǎo)帶的長度，其中Ag為目標(biāo)工作頻率下波導(dǎo)中傳遞電磁波的介質(zhì)波長；
[0013]N個(gè)周期性縫隙單元包括兩組縱縫列和一組橫縫列，橫縫列位于兩組縱縫列之間，兩組縱縫沿縱向錯(cuò)位設(shè)置；每組縱縫列為m個(gè)縱縫沿縱向均勻設(shè)置，橫縫列為2m個(gè)橫縫沿縱向均勻設(shè)置；每個(gè)周期性縫隙單元包括2個(gè)縱縫和2個(gè)橫縫，相鄰兩個(gè)周期性縫隙單元之間的間距P取λ/2至Ag，縱縫的長度^取λ g/3至Ag，橫縫的長度12取λ g/10至λ/5，橫縱縫之間的橫向間距4取λ g/10至λ/8。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于液晶的電控掃描波導(dǎo)漏波天線，與傳統(tǒng)的基于變?nèi)荻O管的定頻掃描漏波天線相比，具有可工作在微波高頻波段的優(yōu)點(diǎn)。而相比于目前已有的液晶定頻掃描漏波天線，本天線的優(yōu)勢則在于四方面:第一，本天線實(shí)現(xiàn)掃描的方式是電控掃描，相比于已有的磁控掃描方式具有控制機(jī)構(gòu)簡單、輕巧的優(yōu)點(diǎn)；第二，本發(fā)明采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，這種結(jié)構(gòu)方便灌注液晶，而且結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、損耗低、功率容量大；第三，當(dāng)需要對本天線中的液晶材料施加直流或者低頻的偏置電壓時(shí)，無需為天線設(shè)計(jì)、加工額外的偏置電路，只需要在天線的輸入端口增加一個(gè)商用化的偏置器就可以。這對于天線的性能是非常有利的，因?yàn)轭~外的偏置電路往往會(huì)對天線性能產(chǎn)生負(fù)面影響。第四，該天線可以很容易實(shí)現(xiàn)輻射波束指向垂直于天線表面的方向(過零掃描)。
[0015]作為一個(gè)特例，本發(fā)明中給出了一個(gè)工作于8.9GHz的液晶電控掃描波導(dǎo)漏波天線，天線利用橫縱縫混合的雙漏波結(jié)構(gòu)形式，增大了對相位常數(shù)β的控制，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)天線波束掃描過零時(shí)依然擁有良好的匹配和輻射特性。通過調(diào)節(jié)外加電壓OV至20V，可令天線方向圖主瓣波束實(shí)現(xiàn)由-8.2°至+9.3°連續(xù)平滑的過零掃描，總掃描角度到達(dá)17.5°，在整個(gè)的電掃描過程中，天線匹配良好，Sll均低于-10dB，天線的實(shí)際增益從
11.91dB變化至12.51dB。較之傳統(tǒng)電控掃描天線，該基于液晶的電控掃描波導(dǎo)漏波天線實(shí)現(xiàn)了過零掃描的特性，增益大且增益浮動(dòng)小。
【附圖說明】
[0016]圖1是漏波天線過零掃描示意圖；
[0017]圖2是本發(fā)明所述基于液晶的電控過零掃描波導(dǎo)漏波天線的分層結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖3是天線的金屬層結(jié)構(gòu)示意圖；A處表示波導(dǎo)端口 1，B處表示波導(dǎo)端口 2，C處表示周期性橫縱縫的漏波結(jié)構(gòu)。天線利用波段端口在兩端進(jìn)行饋電，波導(dǎo)端口 I饋電時(shí)，波導(dǎo)端口 2連接匹配負(fù)載，反之，波導(dǎo)端口 2饋電時(shí)，波導(dǎo)端口 I連接匹配負(fù)載；為保證饋入電磁波傳播良好，在波導(dǎo)端口 I和波導(dǎo)端口 2處均設(shè)置一定距離長的導(dǎo)帶2-3。
[0019]圖4是天線的金屬層漏波結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖5是本發(fā)明所述基于液晶的電控過零掃描波導(dǎo)漏波天線橫向剖視圖；
[0021]圖6是工作于8.9GHz的液晶電控掃描波導(dǎo)漏波天線金屬層尺寸圖；
[0022]圖7是工作于8.9GHz的液晶電控掃描波導(dǎo)漏波天線截面尺寸圖；
[0023]圖8是液晶分子排布隨電壓變化示意圖，其中(a)液晶分子呈原始排布狀態(tài)(配向狀態(tài))，(b)液晶分子呈與電場方向相同的姿態(tài)排布(偏壓狀態(tài))；
[0024]圖9是天線的Sll參數(shù)曲線；
[0025]圖10是天線的S21參數(shù)曲線；
[0026]圖11是天線主瓣方向隨頻率變化曲線；
[0027]圖12是天線實(shí)際增益隨頻率變化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0028]【具體實(shí)施方式】一:下面結(jié)合圖2至圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述基于液晶的電控過零掃描波導(dǎo)漏波天線，它包括頂部介質(zhì)板層1、金屬層2、絕緣膠層3、液晶層4和底部波導(dǎo)槽5 ;
[0029]頂部介質(zhì)板層I的下表面設(shè)置有金屬層2，金屬層2為刻蝕有周期性橫縫和縱縫的漏波結(jié)構(gòu)，其中的周期性橫縫要使電磁波在底部波導(dǎo)槽5與金屬層2之間傳播時(shí)的等效串聯(lián)電感增加，其中的周期性縱縫要使電磁波在底部波導(dǎo)槽5與金屬層2之間傳播時(shí)的等效并聯(lián)電容增加；
[0030]頂部介質(zhì)板層I與金屬層2之間通過機(jī)械加工方式、電鍍方法、熱壓方法或微電子工藝緊密結(jié)合為一體；
[0031]底部波導(dǎo)槽5為矩形板的上表面開有縱向槽結(jié)構(gòu)，所述縱向槽與金屬層2之間填滿液晶材料，從而形成液晶層4 ；
[0032]底部波導(dǎo)槽5的縱向槽兩側(cè)凸起部分的上表面與金屬層2之間通過絕緣膠層3粘接在一起；
[0033]金屬層2上設(shè)置有N個(gè)周期性縫隙單元和兩個(gè)導(dǎo)帶2-3，N個(gè)周期性縫隙單元與兩端的波導(dǎo)端口 I和波導(dǎo)端口 2之間分別設(shè)置一個(gè)導(dǎo)帶2-3，天線總長度Lni= N*p+21。，其中I。為導(dǎo)帶2-3的長度，其中λ 目標(biāo)工作頻率下波導(dǎo)中傳遞電磁波的介質(zhì)波長；
[0034]N個(gè)周期性縫隙單元包括兩組縱縫列和一組橫縫列，橫縫列位于兩組縱縫列之間，兩組縱縫沿縱向錯(cuò)位設(shè)置；每組縱縫列為m個(gè)縱縫2-1沿縱向均勻設(shè)置，橫縫列為2m個(gè)橫縫2-2沿縱向均勻設(shè)置；每個(gè)周期性縫隙單元包括2個(gè)縱縫2-1和2個(gè)橫縫2-2，相鄰兩個(gè)周期性縫隙單元之間的間距P取Ag/2至Ag，縱縫2-1的長度^取λ g/3至Ag，橫縫2-2的長度12取λ g/10至λ/5，橫