本發(fā)明屬于太赫茲電子學(xué)的成像和雷達(dá)領(lǐng)域，特別涉及一種液晶反射移相單元及其組成的相控反射式陣列天線。

背景技術(shù)：

與傳統(tǒng)的機(jī)械掃描式天線相比，相控陣天線具有更加迅速精確的波束掃描能力?？梢詫?shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的目標(biāo)搜索以及更加穩(wěn)定可靠的性能。

微帶反射陣列天線綜合了傳統(tǒng)的拋物面反射式天線和微帶陣列天線的優(yōu)點(diǎn)。具有很高的輻射效率以及較寬的波束掃描角度。微帶反射陣列研究的核心在于如何設(shè)計(jì)每個(gè)單元的結(jié)構(gòu)和尺寸，使之對(duì)入射波實(shí)現(xiàn)特定的相位補(bǔ)償，從而形成特定的波束。傳統(tǒng)的微帶反射陣列天線主要有以下幾種設(shè)計(jì)方法，一是通過(guò)改變微帶貼片的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償；二是通過(guò)在不同貼片上加載不同長(zhǎng)度的相位延遲線來(lái)補(bǔ)償相位；三是通過(guò)對(duì)貼片單元旋轉(zhuǎn)不同的角度來(lái)獲得不同的相位補(bǔ)償；四是通過(guò)在貼片下的基板上加載縫隙來(lái)實(shí)現(xiàn)相移。

上述方法中當(dāng)微帶陣列的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定便不再能改變，天線的波束指向也就確定了，無(wú)法實(shí)現(xiàn)相控。若需要通過(guò)電控等方式控制移相單元的相移變化，可以通過(guò)給每個(gè)陣元添加一個(gè)移相器來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的移相器有變?nèi)荻O管移相器、鐵氧體移相器、PIN二極管移相器、MEMS移相器等。其中，變?nèi)荻O管在高頻段的寄生特性比較嚴(yán)重，僅能運(yùn)用于低頻段；鐵氧體移相器的移相特性易隨外界環(huán)境遷移，難以精確控制；MEMS移相器有需要精密的加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)難度大、制造成本過(guò)高等缺點(diǎn)；而基于PIN二極管的高位移相器需占用較大面積，必然會(huì)加大陣元之間的間距，惡化天線的柵瓣指標(biāo)。因器件高頻性能(變?nèi)荻O管)、加工難度(MEMS)、電路面積(PIN二極管)等多種因素的制約，以上幾種反射式相控陣列的工作頻率一般在W波段以下，難以勝任更高頻率的工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種加工難度小、小型化、低成本的液晶移相單元及其構(gòu)成的相控天線，以期采用電控的方式改變移相特性，使其能工作在100-1000GHz頻段。

本發(fā)明為解決技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明液晶移相單元的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：由相互平行的上層介質(zhì)基板和下層介質(zhì)基板形成夾層，在所述夾層中封閉有向列型液晶形成液晶層，在所述上層介質(zhì)基板和下層介質(zhì)基板的表面形成有金屬微帶結(jié)構(gòu)，利用所述金屬微帶結(jié)構(gòu)施加偏置電壓，并在所述液晶層中形成偏置電場(chǎng)，使液晶層中液晶分子的排列方向發(fā)生改變，從而改變液晶層介電常數(shù)，改變反射波的相位。

本發(fā)明液晶移相單元的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于：所述上層介質(zhì)基板和下層介質(zhì)基板的形狀大小相同。

本發(fā)明液晶移相單元的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于：所述上層介質(zhì)基板和下層介質(zhì)基板都是邊長(zhǎng)為D，厚度為t1的正方體結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明液晶移相單元的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于：所述金屬微帶結(jié)構(gòu)包括：處在所述上層介質(zhì)基板的上表面的上層金屬貼片和處在上層介質(zhì)基板的下表面的中間層金屬貼片，所述上層金屬貼片和中間層金屬貼片大小和形狀相同，處在上下相對(duì)的位置上，是長(zhǎng)度為L(zhǎng)、寬度為W、厚度為t0的長(zhǎng)條形狀；在所述上層介質(zhì)基板的下表面、與所述下層金屬貼片呈“十”字交叉刻蝕一條寬度為w、厚度為t0、并與所述下層金屬貼片電連接的連接線；在所述下層介質(zhì)基板的上表面全覆蓋一層下層金屬貼片作為接地電極。

本發(fā)明液晶移相單元的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于：通過(guò)連接線在中間層金屬貼片上施加偏置電壓，利用所述中間層金屬貼片上施加的偏置電壓和接地電極在液晶層中形成偏置電場(chǎng)，偏置電場(chǎng)使液晶層中液晶分子的排列方向發(fā)生改變，從而改變液晶層介電常數(shù)，改變反射波的相位。

利用本發(fā)明液晶移相單元構(gòu)成的相控天線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：在由所述液晶移相單元形成的陣列中，通過(guò)在每個(gè)單元上施加不同的電壓獲得需要的相位分布，從而獲得相應(yīng)的波束指向或者實(shí)現(xiàn)波前賦形。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：

本發(fā)明利用液晶反射單元可以通過(guò)電控連續(xù)改變反射波的相位的特性，采用電控的方式改變移相特性，相位連續(xù)可調(diào)，可以在100-1000GHz頻段工作，其加工難度小、小型化、低成本。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中由液晶移相單元組成的陣列示意圖；

圖3為本發(fā)明中液晶移相單元結(jié)構(gòu)的主視圖；

圖4為本發(fā)明中第一層基底下表面的貼片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明液晶移相單元縱切面示意圖；

圖6是頻率為315GHz時(shí)液晶移相單元的移相曲線；

圖中標(biāo)號(hào)：1上層介質(zhì)基板，2下層介質(zhì)基板，3液晶層，4上層金屬貼片，5中間層金屬貼片，6下層金屬貼片，7連接線。

具體實(shí)施方式

參見圖1、圖3、圖4和圖5，本實(shí)施例中液晶移相單元的結(jié)構(gòu)形式是：由相互平行的上層介質(zhì)基板1和下層介質(zhì)基板2形成夾層，在所述夾層中封閉有向列型液晶形成液晶層3，在所述上層介質(zhì)基板和下層介質(zhì)基板的表面形成有金屬微帶結(jié)構(gòu)，利用所述金屬微帶結(jié)構(gòu)施加偏置電壓，并在所述液晶層中形成偏置電場(chǎng)，使液晶層中液晶分子的排列方向發(fā)生改變，從而改變液晶層介電常數(shù)，改變反射波的相位。

具體實(shí)施中，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)置也包括：

上層介質(zhì)基板和下層介質(zhì)基板的形狀大小相同。

上層介質(zhì)基板和下層介質(zhì)基板都是邊長(zhǎng)為D，厚度為t1的正方體結(jié)構(gòu)。

處在所述上層介質(zhì)基板的上表面的上層金屬貼片4和處在上層介質(zhì)基板的下表面的中間層金屬貼片5，所述上層金屬貼片和中間層金屬貼片大小和形狀相同，處在上下相對(duì)的位置上，是長(zhǎng)度為L(zhǎng)、寬度為W、厚度為t0的長(zhǎng)條形狀；在所述上層介質(zhì)基板的下表面、與所述下層金屬貼片6呈“十”字交叉刻蝕一條寬度為w、厚度為t0、并與所述下層金屬貼片電連接的連接線7；在所述下層介質(zhì)基板的上表面全覆蓋一層下層金屬貼片作為接地電極。

通過(guò)連接線在中間層金屬貼片上施加偏置電壓，利用所述中間層金屬貼片上施加的偏置電壓和接地電極在液晶層中形成偏置電場(chǎng)，偏置電場(chǎng)使液晶層中液晶分子的排列方向發(fā)生改變，從而改變液晶層介電常數(shù)，改變反射波的相位。

參見圖2，利用本實(shí)施例中液晶移相單元構(gòu)成的相控天線是在由所述液晶移相單元形成的陣列中，通過(guò)在每個(gè)單元上施加不同的電壓獲得需要的相位分布，從而獲得相應(yīng)的波束指向或者實(shí)現(xiàn)波前賦形。

具體實(shí)施中，液晶層的厚度為t2，在液晶層的周圍用環(huán)氧樹脂進(jìn)行密封，并在液晶層的上表面和下表面用聚酰亞胺膜定向；

下層金屬貼片是制作在上層介質(zhì)基板的下表面上的偶極子金屬貼片，連接線與下層金屬貼片在同一平面上呈“十”字交叉，厚度均為t0，上層介質(zhì)基板和下層介質(zhì)基板采用石英制成。

本發(fā)明通過(guò)連接線在金屬貼片上施加電壓，從而在液晶層中形成電場(chǎng)。向列型液晶分子的指向在電場(chǎng)中作用下會(huì)改變，液晶的介電常數(shù)也會(huì)因此改變。通過(guò)在液晶層上施加偏壓可以改變液晶材料的電特性，從而改變移相單元表面的反射波的相位。通過(guò)對(duì)液晶移相單元進(jìn)行仿真測(cè)試后獲得相應(yīng)的相移曲線，便可以通過(guò)控制電壓來(lái)獲得需要的相位補(bǔ)償。在液晶移相單元形成的陣列中通過(guò)在每個(gè)單元上施加不同的電壓來(lái)獲得需要的相位分布，從而獲得相應(yīng)的波束指向。

本發(fā)明中采用偶極子金屬貼片結(jié)構(gòu)，在獲得了需要的性能的同時(shí)簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，使得制作工藝更加簡(jiǎn)單。利用上層金屬貼片更進(jìn)一步優(yōu)化了移相單元的移相特性，增加了單元的移相范圍，優(yōu)化移相單元的性能。

具體應(yīng)用中設(shè)置：

D＝420um，t1＝250um；

液晶層中液晶選擇型號(hào)為GT3-23001的向列型液晶，液晶層厚度t2為25um；

上層金屬貼片、中間層金屬貼片、下層金屬貼片以及連接線均以金屬銅為材質(zhì)，厚度均為1um；L＝225um，W＝35um，w＝5um，移相單元的中心工作頻率為315GHz；利用電磁仿真軟件對(duì)液晶移相單元進(jìn)行仿真，得到如圖6所示的315GHz相移曲線。由圖中曲線可以看到在頻率為315GHz時(shí)，液晶介電常數(shù)的改變使得反射波的相位發(fā)生改變。當(dāng)液晶介電常數(shù)從2.47變到3.26時(shí)，反射波的相移到達(dá)260度，這說(shuō)明該移相單元具有很好的移相特性。

在上層介質(zhì)基板的表面采用光刻的方式制作上層金屬貼片、中間層金屬貼片以及連接線，在下層介質(zhì)基板的上表面鍍出接地電極；上層介質(zhì)基板與下層介質(zhì)基板之間利用環(huán)氧樹脂進(jìn)行密封形成夾層空隙，再向夾層空隙中注入向列型液晶；為了在不加偏壓時(shí)液晶分子能平行基板排列，采用聚酰亞胺膜給液晶層定向。偶極子貼片的尺寸關(guān)系到液晶移相單元的工作頻率，調(diào)節(jié)偶極子貼片的尺寸可以改變工作頻率。

如圖2所示是一個(gè)30X30的陣列天線，由上述的天線單元組成。天線的每一列由一根連接線施加偏置電壓，由上述的移相單元我們知道在貼片單元上施加電壓可以改變液晶層的介電常數(shù)，從而可以調(diào)節(jié)反射波的相位。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得液晶材料的介電常數(shù)和施加的電壓的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系后，可以通過(guò)在不同的天線單元上施加特定的電壓來(lái)獲得所需要的相位補(bǔ)償，使波束在需要的方向上聚焦，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)波束的掃描。如圖2所示的陣列天線可以實(shí)現(xiàn)波束在一個(gè)平面內(nèi)的角度掃描。