基于液晶的電控掃描波導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?？梢詮V泛應用到現(xiàn)代無線移動通信、衛(wèi)星通 信動中通及各種雷達系統(tǒng)中。
【背景技術(shù)】
[0002] 漏波天線自上個世紀40年代由W.W.Hansen提出以來，其獨特的輻射特性及優(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。最初的漏波天線是由開縫矩 形波導構(gòu)成的，其實質(zhì)是波導結(jié)構(gòu)上所傳播的電磁波為快波時會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， 因為平面漏波天線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，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用，但這種頻掃特性往往會占據(jù) 一段較寬的連續(xù)的頻帶資源。當今，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行控 制，從而實現(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)絡的復雜度將會呈 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] 因為漏波天線本身具有頻掃特性，再考慮到定頻掃描的實際要求，定頻掃描漏波 天線應運而生。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，以在某個固定頻點上改變漏波天線的波束方 向，實現(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，在頻段不斷提高的現(xiàn)代無線通信中，應用受到了極大的局限。 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， 在頻段不斷提高的現(xiàn)代無線通信中，應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：第一，需要使用外加可控磁場來配合 天線的方向圖掃描，從而導致天線的控制機構(gòu)復雜；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，需要為天線設計額外的偏置電路，而這種偏置電路會導致低頻 或直流電路與射頻電路之間的電磁耦合，進而是天線的輻射特性惡化。

【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)有液晶電控掃描漏波天線需要特別設計偏置電路的 問題，提供了 一種基于液晶的電控掃描波導漏波天線。
[0007]本發(fā)明所述基于液晶的電控掃描波導漏波天線，它包括頂部介質(zhì)板層、金屬層、絕 緣膠層、液晶層和底部波導槽；
[0008]頂部介質(zhì)板層的下表面設置有金屬層，金屬層為刻蝕有周期性橫縫的漏波結(jié)構(gòu)， 該周期性橫縫要使電磁波在底部波導槽與金屬層之間傳播時的等效串聯(lián)電感增加；
[0009]頂部介質(zhì)板層與金屬層之間通過機械加工方式、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]金屬層上設置有N個周期性縫隙單元，天線總長度L"=N*p，縫隙單元間距P取 入/2至Ag，其中Ag為目標工作頻率下波導中傳遞電磁波的波導波長，中間部分的縫隙為 主要輻射單元，主要輻射單元的縫隙長度1取Ag/4至Xg/2,前四個和后四個縫隙為輔助 福射單元。
[0013] 本發(fā)明的優(yōu)點：本發(fā)明設計了一種基于液晶的電控掃描波導漏波天線，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。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)勢則在于三方面：第一，本天線實現(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構(gòu)簡單、輕巧的優(yōu)點；第二，本發(fā) 明采用波導結(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，無需為天線設計、加工 額外的偏置電路，只需要在天線的輸入端口增加一個商用化的偏置器就可以。這對于天線 的性能是非常有利的，因為額外的偏置電路往往會對天線性能產(chǎn)生負面影響。，
[0014]本發(fā)明設計的天線通過改變縫隙長度、單元間距、單元個數(shù)和波導槽寬度等設計 參數(shù)，該漏波天線可工作在X，K，Ka和U波段，甚至更高的太赫茲波段。
[0015]給出一個具體特例來說明本發(fā)明相對于傳統(tǒng)電控掃描漏波天線的優(yōu)勢，本發(fā)明中 給出了一個工作于10GHZ的基于液晶的電控掃描波導漏波天線，通過調(diào)節(jié)外加電壓0至 20V，可令天線方向圖主瓣波束實現(xiàn)由-50. 4°至-14. 9°的連續(xù)平滑掃描，總掃描角度到 達35. 5°。在天線的電掃描過程，天線的實際增益從8. 33dB變化至11. 22dB。較之傳統(tǒng)電 控掃描天線，該基于液晶的電控掃描波導漏波天線具有掃描角度大，增益大且增益浮動較 小的優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明所述基于液晶的電控掃描波導漏波天線的分層結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖2是天線的金屬層結(jié)構(gòu)示意圖；A處表示波導端口 1，B處表示波導端口 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行饋電，波導端口 1饋電時，波 導端口 2連接匹配負載，反之，波導端口 2饋電時，波導端口 1連接匹配負載。
[0018] 圖3是天線的覆銅層漏波結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖4是本發(fā)明所述基于液晶的電控掃描波導漏波天線橫向剖視圖；
[0020] 圖5是工作于10GHz的液晶的電控掃描波導漏波天線金屬層尺寸圖；
[0021] 圖6是工作于10GHz的液晶的電控掃描波導漏波天線橫向截面尺寸圖；
[0022] 圖7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)）；
[0023] 圖8是天線的S11參數(shù)曲線；
[0024] 圖9是天線的S21參數(shù)曲線；
[0025] 圖10是天線主瓣方向隨頻率變化曲線；
[0026] 圖11是天線實際增益隨頻率變化曲線；
[0027] 圖12是天線在五種偏置電壓下(p = 90°面上的2D方向圖；
[0028] 圖13是無外加電壓時天線的S11參數(shù)隨縫隙長度1變化圖線；
[0029] 圖14是無外加電壓時天線的S11參數(shù)隨單元間距p變化圖線；
[0030]圖15是無外加電壓時天線實際增益隨縫隙單元個數(shù)N變化圖線。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0031] 一：下面結(jié)合圖1至圖4說明本實施方式，本實施方式所述基于液晶 的電控掃描波導漏波天線，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 導槽5;
[0032] 頂部介質(zhì)板層1的下表面設置有金屬層2,金屬層2為刻蝕有周期性橫縫的漏波 結(jié)構(gòu)，該周期性橫縫要使電磁波在底部波導槽5與金屬層2之間傳播時的等效串聯(lián)電感增 加；
[0033] 頂部介質(zhì)板層1與金屬層2之間通過機械加工方式、電鍍方法、熱壓方法或微電子 工藝緊密結(jié)合為一體；
[0034] 底部波導槽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;
[0035] 底部波導槽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；
[0036] 金屬層2上設置有N個周期性縫隙單元，天線總長度L"=N*p，縫隙單元間距p取 入/2至Ag，其中Ag為目標工作頻率下波導中傳遞電磁波的波導波長，中間部分的縫隙為 主要輻射單元，主要輻射單元的縫隙長度1取Ag/4至Xg/2,前四個和后四個縫隙為輔助 福射單元。
[0037] 輔助輻射單元用來修飾主輻射單元的特性，優(yōu)化天線整體的輻射和匹配特性。其 尺寸可以與主輻射單元的尺寸相同，也可以不同。當前后四個縫隙單元的長度從1逐漸減 小到1"3、U、Ina，且1/2時，天線的定向性增加，反射損耗減小。參見圖2和圖3。
[0038] 由圖1可知，天線主體結(jié)構(gòu)可分為5層材料--底部的由機械加工、電鍍或者微電 子工藝手段制作的金屬波導槽5、填充在波導槽5和金屬層2之間的液晶層4、頂部的介質(zhì) 基板、介質(zhì)基板下面由PCB工藝、微