本發(fā)明涉及天線技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種基于微晶材料的波束掃描微帶平面反射陣天線及制作方法。

背景技術(shù)：

高增益波束掃描天線具有抗干擾性強、通信距離遠(yuǎn)、通信信息量大、能夠?qū)崟r跟蹤目標(biāo)等優(yōu)勢，廣泛用于雷達(dá)導(dǎo)航追蹤、衛(wèi)星通信以及大規(guī)模深空探測等領(lǐng)域。高增益波束掃描天線包含拋物面反射天線、相控陣天線以及微帶平面反射陣天線等，拋物面反射天線通過機(jī)械轉(zhuǎn)動能夠?qū)崿F(xiàn)電磁波束的動態(tài)掃描功能，但是存在掃描速度慢、機(jī)械金屬器件笨重且占用空間尺寸大等缺點；相控陣天線可實現(xiàn)快速波束掃描，但是其饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、損耗大、造價昂貴；微帶平面反射陣天線綜合了拋物面反射天線及相控陣天線的部分優(yōu)勢，同時也克服了他們的許多缺陷，具有重量輕、損耗低、效率高、易于實現(xiàn)批量化生產(chǎn)、易于集成及共形設(shè)計等優(yōu)勢，成為了當(dāng)前的研究熱點。微帶平面反射陣天線一般由呈周期性排布的反射陣面和饋源組成，可以通過調(diào)節(jié)每個離散單元的反射系數(shù)，設(shè)計和控制陣面上每個離散點的幅度和相位，從而可實現(xiàn)對波束的動態(tài)調(diào)控。傳統(tǒng)微帶平面反射陣工作原理是：電磁波由饋源發(fā)出后，經(jīng)過不同的傳輸路徑到達(dá)反射陣面，反射陣面是由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相似的呈周期性排布的單元構(gòu)成；各單元的位置決定了入射電磁波有不同的空間相位延遲。通過對每個單元的尺寸、旋轉(zhuǎn)角度或耦合口徑等物理尺寸的設(shè)計而使其對饋源發(fā)出的電磁波的相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，使反射陣面上的口徑場形成所需的分布，最終產(chǎn)生所需的輻射方向圖。

現(xiàn)有技術(shù)中通過采用機(jī)械調(diào)諧技術(shù)以及電子器件調(diào)諧技術(shù)完成波束掃描。機(jī)械調(diào)諧技術(shù)是通過調(diào)整饋源喇叭的位置、旋轉(zhuǎn)反射面口徑上相移單元等手段實現(xiàn)波束掃描。機(jī)械調(diào)諧技術(shù)的優(yōu)點是射頻功率容量高、能提供低損耗的連續(xù)相位調(diào)諧，但是其存在掃描速度慢、偏置電壓高、可靠性差的技術(shù)問題。電子調(diào)諧技術(shù)主要通過調(diào)控加載的可調(diào)電子器件的偏壓，從而控制移相單元的移相量來實現(xiàn)波束掃描。常用于實現(xiàn)波束掃描的電子器件有pin二極管、fet二極管、mems可調(diào)諧器件、變?nèi)荻O管等，加載電子器件可實現(xiàn)微帶平面反射陣離散或是連續(xù)的波束掃描。電子器件調(diào)諧技術(shù)掃描速度快、偏置電壓較低、直流功耗較小，但是其存在功率容量低、應(yīng)用頻率低的技術(shù)問題。因此提供一種功率容量高，工作頻率高的微晶材料的波束掃描微帶平面反射陣天線就很有必要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有技術(shù)中存在的功率容量低，工作頻率低的技術(shù)問題，提供一種新的微晶材料的波束掃描微帶平面反射陣天線，該天線具有功率容量高，工作頻率高，損耗低，調(diào)諧速度快的技術(shù)特點。

為解決上述技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案如下：

一種微晶材料的波束掃描微帶平面反射陣天線，包括微帶天線陣列，依次位于微帶天線陣列下方的介質(zhì)板，接地面，所述微晶材料的波束掃描微帶平面反射陣天線還包括位于微帶反射陣列正下方與微帶反射陣列觸接的移相單元；與所述移相單元對應(yīng)連接的波束掃描裝置及與所述波束掃描裝置連接的饋源，所述饋源位于微帶反射陣列正下方；所述移相單元為液晶單元；所述饋源用于連接天線輸入/輸出端；所述波束掃描裝置用于提供移相單元的外置偏壓。

上述方案中，為優(yōu)化，進(jìn)一步地，所述波束掃描裝置包括mcu微控制單元，與所述mcu微控制單元連接的掃描單元，所述掃描單元與移相單元對應(yīng)連接；

所述掃描單元包括外置電壓輸出模塊，用于提供液晶單元的外置偏壓；

所述mcu微控制單元用于控制所述掃描單元。多個掃描單元可集成設(shè)計為一個掃描單元組合。

進(jìn)一步地，所述微帶天線陣列包括n個天線陣元，所述天線陣元為相同的反射單元結(jié)構(gòu)；

其中n為正整數(shù)。

進(jìn)一步地，所述反射單元結(jié)構(gòu)為多諧振結(jié)構(gòu)單元。

進(jìn)一步地，所述多諧振結(jié)構(gòu)單元為柵格周期均勻排列的n1個微帶單元，微帶單元長度呈對數(shù)周期分布，其中n1為正整數(shù)。

進(jìn)一步地，所述介質(zhì)板包括上、中、下三層介質(zhì)板，所述微帶天線陣元設(shè)置于上層介質(zhì)板下表面；所述中間層介質(zhì)板挖方孔，方孔與所述微帶天線陣元對應(yīng)，用于裝載所述液晶單元；所述接地面設(shè)置于下層介質(zhì)板的上表面。

進(jìn)一步地，所述液晶單元介電常數(shù)2.2-3.2。

進(jìn)一步地，所述饋源為偏饋饋源，焦徑比f/d＝1。

本發(fā)明還提供一種微晶材料的波束掃描微帶平面反射陣天線的制作方法，所述方法包括以下步驟：

(1)根據(jù)天線指標(biāo)計算反射陣單元參數(shù)，完成多諧振單元的設(shè)計，依據(jù)反射陣單元確定液晶單元參數(shù)；

(2)單獨測試液晶單元，獲取外置偏壓-復(fù)反射系數(shù)數(shù)值關(guān)系；

(3)依據(jù)步驟(2)中外置偏壓-復(fù)反射系數(shù)數(shù)值關(guān)系，通過mcu微控制單元程序?qū)σ壕卧馄妷旱脑O(shè)置，模擬波束掃描結(jié)果方向圖，對所述結(jié)果方向圖進(jìn)行指標(biāo)比對測試反饋，優(yōu)化反射陣單元參數(shù)；

(4)優(yōu)化完成后，根據(jù)反射陣單元參數(shù)，設(shè)計陣列與支架，構(gòu)建出完整的陣面；

(5)完成天線制作。

本發(fā)明提出的基于液晶材料的寬帶微晶材料的波束掃描微帶平面反射陣天線，采用液晶材料介電常數(shù)電可調(diào)的性質(zhì)，實現(xiàn)微帶平面反射陣波束掃描設(shè)計；利用液晶材料介電常數(shù)可實時編程控制的性質(zhì)，采用單元實時相位延遲技術(shù)，并結(jié)合新型多諧振單元結(jié)構(gòu)實現(xiàn)微帶平面反射陣寬帶化設(shè)計；利用液晶材料隨頻率提高其損耗角減小且不存在截止頻率的性質(zhì)，實現(xiàn)微帶平面反射陣天線高頻段、低損耗的設(shè)計；利用液晶材料作為無源介質(zhì)從而比電子調(diào)諧方式具有更大功率容量的性質(zhì)，實現(xiàn)微帶平面反射陣天線大功率容量的設(shè)計。

基于液晶材料寬帶微帶平面反射陣波束掃描設(shè)計流程示意圖如圖1所示，分為相對獨立的兩個部分：一是寬帶化設(shè)計，二是波束掃描設(shè)計。寬帶化設(shè)計部分主要涉及移相單元的設(shè)計，波束掃描設(shè)計主要是通過計算外置偏壓的數(shù)值。通過控制加載于液晶單元上的外置偏壓，從而控制天線單元的相位補償大小，進(jìn)而完成波束掃描目標(biāo)。最后，通過對輻射方向圖的反饋計算，進(jìn)一步優(yōu)化外置偏壓值。

關(guān)于基于液晶材料寬帶微帶平面反射陣波束掃描天線制作方法，分為相對獨立的兩個部分：一是寬帶化設(shè)計，二是波束掃描設(shè)計。

步驟一、根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，確定反射陣單元的基片，周期柵格尺寸，單元形狀等單元參數(shù)，其輸出為單元幾何尺寸、外置偏壓-復(fù)反射系數(shù)數(shù)值關(guān)系。

步驟二、根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，確定反射陣口徑輪廓、幾何尺寸、陣列焦徑比、饋源照射函數(shù)、饋源位置及照射角等結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算出陣面所需的補償反射相位分布。

步驟三、根據(jù)陣面所需的補償反射相位分布與單元復(fù)反射系數(shù)，構(gòu)建出完整的陣面，編程對每個柵格液晶加載所需偏置電壓。

步驟四、在完成模型構(gòu)建之后，對其輻射性能進(jìn)行仿真計算驗證。如果仿真結(jié)果不滿足指標(biāo)要求，則重新在單元級和陣列級進(jìn)行優(yōu)化。

步驟五、在輻射特性滿足所有的指標(biāo)要求后，輸出反射陣天線的最終模型和仿真性能，并以此進(jìn)行加工與實測驗證。

本發(fā)明的有益效果：

效果一，提高了天線的工作頻率；

效果二，對比于電子調(diào)諧天線，增大了天線功率容量；

效果三，采用多調(diào)諧單元結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展了天線的工作帶寬。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1，微晶材料的波束掃描微帶平面反射陣天線制作方法步驟示意圖。

圖2，各個天線陣元相位補償原理示意圖。

圖3，微帶天線陣列示意圖。

圖4，波束掃描結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5，液晶單元偏壓示意圖。

圖6，液晶單元介電常數(shù)2.2-3.2的移相曲線。

圖7，天線印制板前視示意圖。

圖8，90°方位角0°俯仰角波束。

圖9，90°方位角30°俯仰角波束。

附圖中，

掃描單元組合-1，液晶單元-2，天線陣元-3，接地面-4。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實施例1

本實施例提供一種微晶材料的波束掃描微帶平面反射陣天線，如圖7，包括微帶天線陣列，依次位于微帶天線陣列下方的介質(zhì)板，接地面，所述微晶材料的波束掃描微帶平面反射陣天線還包括位于微帶反射陣列正下方與微帶反射陣列觸接的移相單元；與所述移相單元對應(yīng)連接的波束掃描裝置及與所述波束掃描裝置連接的饋源，所述饋源位于微帶反射陣列正下方；所述移相單元為液晶單元；所述饋源用于連接天線輸入/輸出端；所述波束掃描裝置用于提供移相單元的外置偏壓。

液晶材料隨頻率提高其損耗角減小且不存在截止頻率的性質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)微帶平面反射陣天線高頻段、低損耗；另外，液晶材料作為無源介質(zhì)與電子調(diào)諧器件相比具有更大功率容量，能夠?qū)崿F(xiàn)微帶平面反射陣天線大功率容量的設(shè)計。利用液晶材料電控雙折射率特性，通過外加電場改變液晶指向矢，即液晶分子的空間平均取向，從而改變其介電常數(shù)，介電常數(shù)的變化又會引起反射單元移相量的改變。通過波束掃描裝置對外置偏壓的大小控制來控制移相量的改變，從而達(dá)到掃描波速的目的。

如圖5，所述波束掃描裝置包括mcu微控制單元，與所述mcu微控制單元連接的掃描單元，所述掃描單元與移相單元對應(yīng)連接；所述掃描單元包括外置電壓輸出模塊，用于提供液晶單元的外置偏壓；所述mcu微控制單元用于控制所述掃描單元。mcu微控制單元通過能夠滿足天線高速切換的需要，掃描單元通過輸出外置偏壓來控制移相單元的移相量。

如圖7，微帶天線陣元，液晶單元，接地面的關(guān)系如下：所述介質(zhì)板包括上、中、下三層介質(zhì)板。本實施例采用9×9個相同的反射單元結(jié)構(gòu)的微帶天線陣元設(shè)置于上層介質(zhì)板下表面；所述中間層介質(zhì)板挖方孔，方孔與所述微帶天線陣元對應(yīng)，用于裝載液晶單元；所述接地面設(shè)置于下層介質(zhì)板的上表面。如圖2所示，包括微帶天線陣元和饋源電磁波從饋源輸出，沿著不同的傳輸路徑到達(dá)每個微帶天線陣元，傳輸路徑長度的差異將導(dǎo)致各單元所接收的入射場發(fā)生不同的空間相位延遲。通過合理設(shè)計每個單元，使其能對入射場進(jìn)行適當(dāng)相位補償，讓反射場在期望波束指向的切向方向形成等相位面。反射孔徑面上每個相移單元的相位分布都包含兩個部分：

φi(xi,yi)＝-k0ri+φr(xi,yi)

其中,k0表示自由空間波數(shù)，ri表示饋源的相位中心到第i個單元的位置矢量，ri表示陣列中心到第i個單元的位置矢量，r0表示沿主波束的單位矢量。在該等式中，第一部分對應(yīng)初級饋源相位中心到第i個相移單元的空間延遲，即ri，也稱為入射場相位延遲補償，第二部分φr(xi,yi)為第i個相移單元的反射相位，也稱為散射場波束賦形補償。因此，要實現(xiàn)波束動態(tài)調(diào)控，就需要動態(tài)的調(diào)控每個單元的移相量，對這兩部分相差進(jìn)行動態(tài)的補償。本實施例根據(jù)波束掃描指標(biāo)，計算入射場相位延遲補償量及散射場波束賦型補償量，并控制移相單元反射相位提供精確的相位補償，實現(xiàn)期望波束掃描。

所述液晶單元介電常數(shù)2.2-3.2，其相移曲線如圖6所示，其相移量超過400°，且具有良好的線性性，完全滿足波束掃描的需要。

所述饋源為偏饋饋源，焦徑比f/d＝1，能夠減少饋源遮擋效應(yīng)。

本實施例還提供一種微晶材料的波束掃描微帶平面反射陣天線的制作方法，如圖1，包括以下步驟：

(1)根據(jù)工作頻率、帶寬與極化，交叉極化抑制輸出，來計算反射陣單元的基片尺寸，周期柵格尺寸，單元形狀，得到單元幾何尺寸，制作微帶反射陣列；

(2)單獨測試液晶單元，獲取偏置外置偏壓-復(fù)反射系數(shù)數(shù)值關(guān)系；

(3)根據(jù)工作頻率，帶寬，增益，波速要求，邊緣照射電平，口徑效率，交叉極化電平計算天線口徑大小于尺寸，焦徑比，口徑照射分布，陣面補償相位分布，依據(jù)步驟(2)完成mcu微控制單元程序；利用仿真軟件進(jìn)行結(jié)果分析，輸入陣面補償相位分布與參考相位參數(shù)，得到單元尺寸，偏置電壓及反射系數(shù)；通過mcu微控制單元控制偏置電壓得到仿真的波束方向圖；

(4)根據(jù)驗證結(jié)果，當(dāng)指標(biāo)滿足設(shè)計要求時，進(jìn)行陣列與支架的最終設(shè)計制作，構(gòu)建出完整的陣面；

(5)完成天線制作。

其中，步驟(1)中，根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，確定反射陣單元的基片，周期柵格尺寸，單元形狀等單元參數(shù)，其輸出為單元幾何尺寸、外置偏壓-復(fù)反射系數(shù)數(shù)值關(guān)系。根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，確定反射陣口徑輪廓、幾何尺寸、陣列焦徑比、饋源照射函數(shù)、饋源位置及照射角等結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算出陣面所需的補償反射相位分布。

步驟(3)根據(jù)陣面所需的補償反射相位分布與單元復(fù)反射系數(shù)，構(gòu)建出完整的陣面，編程對每個柵格液晶加載所需偏置電壓。在完成模型構(gòu)建之后，對其輻射性能進(jìn)行仿真計算驗證。如果仿真結(jié)果不滿足指標(biāo)要求，則重新在單元級和陣列級進(jìn)行優(yōu)化。

步驟(4)、在輻射特性滿足所有的指標(biāo)要求后，輸出反射陣天線的最終模型和仿真性能，并以此進(jìn)行加工與實測驗證。

實施例2

本實施例在實施例1的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化了天線陣元的設(shè)計。

傳統(tǒng)的變尺寸的諧振型單元通過在工作頻帶內(nèi)產(chǎn)生強度不一的諧振獲得所需相移，單元自身相移特性對頻率變化呈非線性響應(yīng)，這是限制工作帶寬的關(guān)鍵因素。為了提升反射單元的工作帶寬就需要降低單元反射特性的頻率敏感度，以獲得近乎線性的相移特性。為了降低單元反射特性的頻率敏感度，拓展反射單元帶寬，本實施例采用多諧振單元技術(shù)。如圖3，本實施例的微帶天線陣元為多諧振結(jié)構(gòu)單元，包括7個柵格周期均勻排列的7個反射單元結(jié)構(gòu)。采用8×8個天線陣元構(gòu)成微帶天線陣列，如圖3所示。保持各個作為移相單元的液晶單元尺寸不變，通過調(diào)整天線中液晶單元的介電常數(shù)，實現(xiàn)了天線的寬帶化及波束掃描功能。

通過測試，該微帶平面反射陣輻射增益為18.6db,1db增益衰減帶寬為11.4％(33-37ghz)，具有良好的輻射性能及較大的帶寬。圖8所示為90°方位角0°俯仰角波束，圖9為90°方位角30°俯仰角波束。

盡管上面對本發(fā)明說明性的具體實施方式進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明，但是本發(fā)明不僅限于具體實施方式的范圍，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，只要各種變化只要在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明精神和范圍內(nèi)，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。