基于液晶高阻表面的波束扫描天线阵的制作方法

本发明涉及天线技术领域，具体地，涉及一种基于液晶高阻表面的波束扫描天线阵。

背景技术：

下一代通信系统中的最新发展已经提高了对具有高数据传输速率能力的天线系统的需求。因此，可重构的智能天线系统更具吸引力。可重构天线按功能可分为频率可重构、方向图可重构、极化可重构和多功能可重构天线。波束扫描天线阵是方向图可重构天线的一种，其最大辐射方向能够指向一定范围内的任意角度。为了实现波束方向的可调性，相控阵是一种常见的方式。相控阵需要可调的馈电网络和移相器。然而，可调馈电网络和移相器的设计复杂，成本高且体积大。

在微带电路中，经常使用pin二极管或者变容二极管来实现可重构性。但是随着频率的提高，pin二极管和变容二极管会产生寄生效应。因此它们不适用于高频。

向列型液晶作为一种连续可调的各向异性电介质，在可调材料中起着重要作用。液晶的介电常数通过施加静电场或磁场而发生变化。液晶广泛用于反射阵和可调漏波天线。但是液晶的介质损耗角较大，会带来较大的介质损耗，降低了天线的增益和辐射效率。

高阻表面是一种周期性结构。通过在单元之间加在半导体器件与控制电路，就可以实现可重构性。但是这种可重构高阻表面往往需要大量半导体器件，所以结构复杂，而且会有较大的直流功耗。

公开号为cn106932933a的专利文献公开了一种液晶天线及其制作方法，该液晶天线包括：天线阵列和至少一个惯性导航单元；其中，天线阵列用于改变馈入液晶天线的电磁波信号的相位，形成对应目标方向的波束；惯性导航单元用于确定天线在导航坐标系中的运动参数；惯性导航单元与所在基板之间具有种子层。这样本发明通过增加种子层，采用半导体工艺将惯性导航单元与天线阵列集成在一起，从而提高了天线系统的集成化，有利于实现天线系统的小型化和多功能化发展；同时通过天线阵列可以实现对天线波束的精确控制，通过惯性导航单元可以实现对天线运动的精准定位。但是液晶的介质损耗角较大，会带来较大的介质损耗，降低了天线的增益和辐射效率。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于液晶高阻表面的波束扫描天线阵。

根据本发明提供的一种基于液晶高阻表面的波束扫描天线阵，包括天线阵、高阻表面、液晶、金属地以及介质板；

所述天线阵能够向外界辐射电磁波；

所述高阻表面能够控制天线阵天线单元间的耦合强度；

所述液晶能够实现等效介电常数的可调；

所述金属地能够承载天线阵、高阻表面以及液晶并提供接地信号；

所述介质板作为基底能够承载天线阵、高阻表面、液晶以及金属地。

优选地，所述天线阵包括一个主辐射单元和两个寄生单元，两个寄生单元位于对称分布在主辐射单元的两侧。

优选地，所述天线阵采用电控寄生天线阵，射频信号只馈电给主辐射单元，寄生单元上没有射频馈电电路。

优选地，所述天线阵的天线单元为长方形、正方形或圆形微带天线；所述天线单元沿着h面排列。

优选地，所述天线阵的天线单元为贴片天线。

优选地，还包括馈电装置，所述馈电装置采用探针馈电、微带线馈电或者缝隙耦合馈电，馈电装置连接主辐射单元。

优选地，所述高阻表面为共面电磁带隙单元形成的周期性结构，所共面电磁带隙单元为矩形、蘑菇形或者十字架形。

优选地，所述液晶的等效介电常数随外加电场或磁场的改变而改变。

优选地，所述介质板包括第一介质板、第二介质板、第三介质板，所述第一介质板、第二介质板、第三介质板从上至下依次排列连接，第一介质板上表面设置天线阵，第二介质板上设置有两个液晶槽，液晶材料设置在液晶槽内，高阻表面设置在第一介质板下变面与液晶之间，金属地设置在第二介质板下表面与第三介质板上表面之间。

优选地，所述两个液晶槽分别设置在天线阵的两个寄生单元正下方。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明相较于传统的相控阵天线，采用电控寄生天线阵，无需复杂的馈电网络和移相器，大大简化了设计。

2、本发明相较于使用pin二极管和变容二极管的可重构天线，通过液晶实现等效介质常数可调，随着频率升高，不会产生寄生效应，适用于高频。

3、本发明于传统的液晶天线，将液晶放置在寄生单元下方，主辐射单元下方没有液晶，所以减小了介质损耗，提高了天线增益以及辐射效率。

4、本发明相较于传统的可重构高阻表面，无需在单元间加载器件，结构简单而且没有直流功耗。

5、本发明具有方向图连续可调，设计简单，成本低，直流功耗低的特点，适用于接入点天线。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明电控寄生天线阵物理示意图。

图3为本发明高阻表面物理示意图。

图4为本发明液晶槽物理示意图。

图5为本发明初始状态下的反射系数。

图6为本发明改变左侧寄生单元下方液晶至最大偏转状态的反射系数。

图7为本发明改变右侧寄生单元下方液晶至最大偏转状态的反射系数。

图8为本发明初始状态下的h面方向图。

图9为本发明改变左侧寄生单元下方液晶至最大偏转状态的h面方向图。

图10为本发明改变右侧寄生单元下方液晶至最大偏转状态的h面方向图。

图中示出：

天线阵1液晶3介质板5

高阻表面2金属地4馈电装置6

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本发明提供了一种基于液晶高阻表面的波束扫描天线阵，包括天线阵1、高阻表面2、液晶3、金属地4、介质板5和馈电装置6。天线阵1位于第一介质板的上表面。天线阵1由一个主辐射单元和两个寄生单元所组成，天线单元沿着h面排列，寄生单元位于对称分布在天线主辐射单元的两侧。其中射频信号只馈电给主辐射单元，寄生单元上没有射频馈电电路。馈电方式选取的是探针馈电，天线单元选取的是贴片天线。高阻表面2位于第一介质板的下表面。高阻表面2是由共面电磁带隙单元所组成的周期性结构。两个高阻表面2分布在两个寄生单元下方。第二介质板有两个液晶槽，液晶槽位于高阻表面2的正下方。金属地位于第三介质板的上表面。高阻表面2、液晶3和金属地4构成了一种新型液晶可重构高阻表面。本发明通过在高阻表面2和金属地4之间加载直流偏置电压，改变液晶3的等效介电常数，从而控制天线阵单元之间的耦合强度，实现了天线波束的连续可调。本发明具有方向图可调、成本低、无功耗等优点，可用于接入点天线。

根据本发明提供的一种基于液晶高阻表面的波束扫描天线阵，如图1-10所示，包括天线阵1、高阻表面2、液晶3、金属地4以及介质板5；所述天线阵1能够向外界辐射电磁波；所述高阻表面2能够控制天线阵1天线单元间的耦合强度；所述液晶3能够实现等效介电常数的可调；所述金属地4能够承载天线阵1、高阻表面2以及液晶3并提供接地信号；所述介质板5作为基底能够承载天线阵1、高阻表面2、液晶3以及金属地4。

如图2所示，所述天线阵1包括一个主辐射单元和两个寄生单元，两个寄生单元位于对称分布在主辐射单元的两侧。所述天线阵1采用电控寄生天线阵，射频信号只馈电给主辐射单元，寄生单元上没有射频馈电电路。所述天线阵1的天线单元为长方形、正方形或圆形微带天线；所述天线单元沿着h面排列。所述天线阵1的天线单元为贴片天线，所述天线单元包括主辐射单元和寄生单元。还包括馈电装置6，所述馈电装置6采用探针馈电、微带线馈电或者缝隙耦合馈电，馈电装置6连接主辐射单元。馈电装置6仅连接主辐射单元，对主辐射单元进行馈电，不对寄生单元进行馈电。

如图3所示，所述高阻表面2为共面电磁带隙单元形成的周期性结构，所共面电磁带隙单元为矩形、蘑菇形或者十字架形。所述液晶3的等效介电常数随外加电场或磁场的改变而改变，即所述液晶3为能够随外加电场或磁场偏转的可调材料，其等效介电常数可以随外加场的强度改变而改变。

如图1-4所示，所述介质板5包括第一介质板、第二介质板、第三介质板，所述第一介质板、第二介质板、第三介质板从上至下依次排列连接，第一介质板上表面设置天线阵1，第二介质板上设置有两个液晶槽，液晶3材料设置在液晶槽内，高阻表面2设置在第一介质板下变面与液晶3之间，金属地4设置在第二介质板下表面与第三介质板上表面之间。所述两个液晶槽分别设置在天线阵1的两个寄生单元正下方。

优选地，一种基于液晶高阻表面的波束扫描天线阵，如图1所示，包括：天线阵1、高阻表面2、液晶3、金属地4以及介质板5。所示天线阵1为电控寄生天线阵，由三个微带贴片天线单元组成，沿着h面排列，中间的是主辐射单元，两个寄生单元位于两侧。采用同轴馈电方式给主辐射单元射频信号，寄生单元上没有射频信号。高阻表面2是一种周期性结构，由3×3的共面电磁带隙单元组成。共面电磁带隙单元采用的是一种耶路撒冷十字架缝隙型结构。液晶3是一种连续可调材料，液晶分子可以随外加电场或磁场偏转，其等效介电常数可以随外加场的强度改变而改变。两个液晶3分别设置于两个寄生单元正下方。高阻表面2、液晶3和金属地4形成了一种新型液晶可调高阻表面。

初始状态下，两侧液晶3都不偏转，主辐射单元与两侧寄生单元的耦合均较弱，主波束指向零度。当给左侧寄生单元下方的高阻表面施加偏置电压时，液晶分子偏转，等效介电常数变大，左侧寄生单元与主单元的耦合增强，主波束偏向左侧，实现负角度扫描。同理，当给右侧寄生单元下方的高阻表面施加偏置电压时，右侧寄生单元与主单元的耦合增强，实现正角度扫描。

优选实施例：

一种基于液晶高阻表面的波束扫描天线阵，这种天线阵的中心频率是28ghz，可用于接入点天线。

如图1所示，液晶高阻表面的波束扫描天线阵由天线阵1、高阻表面2、液晶3、金属地4和介质板5所组成，所述天线阵1采用电控寄生天线阵。

如图2所示，电控寄生天线阵的主辐射单元是一个3mm×3mm的正方形微带贴片天线，两个寄生单元均为2.6mm×2.6mm的正方形微带贴片天线。三个天线单元沿着h面排列，寄生单元与主辐射单元之间的间距是4.2mm。介质板5为介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009的rogers5880长方形介质，尺寸为24mm×15mm×254um。

如图3所示，高阻表面2是一种周期性结构，由3×3的共面电磁带隙单元组成。共面电磁带隙单元采用的是一种耶路撒冷十字架缝隙型结构，每个单元的长为2.4mm，宽为1.6mm，其中耶路撒冷十字架缝隙的宽为0.15mm，枝节的长度为1.4mm。缝隙与每个单元边缘的距离为0.15mm。两个高阻表面2边缘之间的距离是4mm。

如图4所示，两个液晶槽的尺寸均为8mm×6mm×254um。两个液晶槽边缘之间的距离是3.7mm。

初始状态下，两侧施加的偏置电压均为0v，两侧液晶均不偏转，主单元与两侧寄生单元的耦合均较弱，主波束指向零度，此时的反射系数如图5所示，h面的方向图如图8所示。当给左侧寄生单元下方的高阻表面施加偏置电压时，液晶分子偏转，等效介电常数变大，左侧寄生单元与主单元的耦合增强，主波束偏向左侧，实现负角度扫描，此时的反射系数如图6所示，h面的方向图如图9所示。同理，当给右侧寄生单元下方的高阻表面施加偏置电压时，右侧寄生单元与主单元的耦合增强，实现正角度扫描，此时的反射系数如图7所示，h面的方向图如图10所示。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。