基于半模梳狀線波導的液晶電控過零掃描漏波天線的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于微波天線工程技術領域。可以廣泛應用到現代無線移動通信、衛星通信動中通及各種雷達系統中。
【背景技術】
[0002]漏波天線自上個世紀40年代由W.ff.Hansen提出以來，其獨特的輻射特性及優良的波瓣掃描特性，使得漏波天線一直是天線領域研究的熱點。最初的漏波天線是由開縫矩形波導構成的，其實質是波導結構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象。最近幾十年，漏波天線的研究得到飛速發展，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、結構簡單、饋電容易、高方向性等優點，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勢，擁有良好的發展前景。
[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一段較寬的連續的頻帶資源。當今，隨著無線通信的爆炸式發展，本就有限的頻譜資源顯得日益擁堵，而傳統漏波天線的頻掃特性與現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，是現代雷達系統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，即傳統定頻掃描天線的發展。
[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或電調介質，通過外加電壓來改變開關的通斷或介質的電磁特性，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容二極管。但由于變容二極管寄生參數和損耗的影響，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代無線通信中，應用受到了極大的局限。基于液晶材料的定頻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，這一特性被施加到天線結構中，就可以實現漏波天線的定頻掃描。然而，現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復雜；第二，為了能夠使液晶的介電常數在外加電場的作用下發生改變，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。第三，現有液晶漏波天線在實現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實現，也最終會導致天線的工作帶寬變窄。
【發明內容】
[0006]本發明目的是為了解決傳統的基于變容二極管等傳統電調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有液晶電控定頻掃描漏波天線不易于實現過零掃描且需要特別設計偏置電路的問題，提供了一種基于半模梳狀線波導的液晶電控過零掃描漏波天線。
[0007]本發明所述基于半模梳狀線波導的液晶電控過零掃描漏波天線，它包括頂部介質板層、金屬層、液晶層和底部波導槽；
[0008]頂部介質板層和底部波導槽之間設置有金屬層，底部波導槽為矩形板的上表面開有縱向槽結構，所述縱向槽中設置有液晶層；
[0009]頂部介質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合為一體；
[0010]底部波導槽為矩形板的上表面開有縱向槽結構，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]金屬層為半模梳狀線波導結構，梳齒長I。取λ g/4，梳齒寬W。取遠小于λ g，矩形波導框寬度4取λ g/2至3λ/4，其中目標工作頻率下波導中傳遞電磁波的波導波長；
[0012]在矩形波導框區域內、該列梳齒與矩形波導框對側縱向邊沿之間設置有N個周期性縫隙單元，N個周期性縫隙單元與兩端的波導端口 I和波導端口 2之間分別設置一個導帶，天線總長度Lm= N*p+21 cs，其中Ics為導帶的長度，導帶寬度a丨取Ag/6至Xg/3;
[0013]N個周期性縫隙單元包括一組縱縫列和一組橫縫列，橫縫列位于縱縫列與梳齒之間，縱縫列為m個縱縫沿縱向均勻設置，橫縫列為2m個橫縫沿縱向均勻設置；每個周期性縫隙單元包括I個縱縫和2個橫縫，相鄰兩個周期性縫隙單元之間的間距P取λ g/4至λ g，作為主要輻射結構的縱縫的長度^取λ g/3至Ag，起匹配作用的橫縫的長度12取λ g/20至入/8，橫縱縫之間的橫向間距4取λ g/10至λ g/6，縱縫的縫隙寬度W1和橫縫的縫隙寬度W2均取值遠小于I ^
[0014]金屬層上的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電感增加，其中的周期性縱縫要使電磁波在底部波導槽與金屬層之間傳播時的等效并聯電容增加。
[0015]本發明的優點:本發明設計了一種基于液晶的電控掃描波導漏波天線，與傳統的基于變容二極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，本天線的優勢則在于四方面:第一，本天線實現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簡單、輕巧的優點；第二，本發明采用波導結構作為基礎，這種結構方便灌注液晶，而且結構穩固、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生負面影響。第四，該天線可以很容易實現輻射波束指向垂直于天線表面的方向(過零掃描)。第五，該天線不需要在金屬層與底部波導槽之間放置絕緣膠，降低了電磁波的泄露，提高了天線的輻射效率。第六，半模梳狀線結構減小了天線的寬度，從而使該天線在組陣過程中具有優勢。電控過零掃描漏波梳狀線波導電控過零掃描漏波梳狀線波導梳狀線波導
[0016]作為一個特例，本發明中給出了一個工作于13.6GHz的液晶半模梳狀線基片集成波導橫縱縫漏波電控掃描天線，天線利用橫縱縫混合的雙漏波結構形式，增大了對相位常數β的控制，通過優化設計，可以實現天線波束掃描過零時依然擁有良好的匹配和輻射特性。通過調節外加電壓OV至20V，可令天線方向圖主瓣波束實現由-7.7°至+7.0°連續平滑的過零掃描，總掃描角度到達14.7°，在整個的電掃描過程中，天線匹配良好，Sll均低于-10dB，天線的實際增益從8.27dB變化至8.86dB。較之傳統電控掃描天線，該基于半模梳狀線波導的液晶電控過零掃描漏波天線實現了過零掃描和天線小型化的特性，天線增益較高且增益浮動小。
【附圖說明】
[0017]圖1是漏波天線過零掃描示意圖；
[0018]圖2是本發明所述基于半模梳狀線波導的液晶電控過零掃描漏波天線的分層結構示意圖；
[0019]圖3是天線的金屬層結構示意圖；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構，D處表示梳狀結構。天線利用波段端口在兩端進行饋電，波導端口 I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 I連接匹配負載；為保證饋入電磁波傳播良好，在波導端口 I和波導端口 2處均設置一定距離長的導帶
2-3。
[0020]圖4是天線的金屬層漏波結構示意圖；
[0021]圖5是本發明所述基于半模梳狀線波導的液晶電控過零掃描漏波天線橫向剖視圖；
[0022]圖6是工作于13.6GHz的半模梳狀線波導液晶電控漏波天線金屬層尺寸圖；
[0023]圖7是工作于13.6GHz的半模梳狀線波導液晶電控漏波天線截面尺寸圖；
[0024]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(配向狀態)，(b)液晶分子呈與電場方向相同的姿態排布(偏壓狀態)；
[0025]圖9是天線的Sll參數曲線；
[0026]圖10是天線的S21參數曲線；
[0027]圖11是天線主瓣方向隨頻率變化曲線；
[0028]圖12是天線實際增益隨頻率變化曲線。
【具體實施方式】
[0029]【具體實施方式】一:下面結合圖2至圖5說明本實施方式，本實施方式所述基于半模梳狀線波導的液晶電控過零掃描漏波天線，它包括頂部介質板層1、金屬層2、液晶層3和底部波導槽4 ；
[0030]頂部介質板層I和底部波導槽4之間設置有金屬層2，底部波導槽4為矩形板的上表面開有縱向槽結構，所述縱向槽中設置有液晶層3 ;
[0031]頂部介質板層I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合為一體；
[0032]底部波導槽4為矩形板的上表面開有縱向槽結構，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3 ；
[0033]金屬層2為半模梳狀線波導結構，梳齒長I。取λ g/4，梳齒寬W。取遠小于λ g，矩形波導框寬度4取λ g/2至3λ/4，其中Ag為目標工作頻率下波導中傳遞電磁波的波導波長;
[0034]在矩形波導框區域內、該列梳齒與矩形波導框對側縱向邊沿之間設置有N個周期性縫隙單元，N個周期性縫隙單元與兩端的波導端口 I和波導端口 2之間分別設置一個導帶
2-3，天線總長度Lni= N*p+21 es，其中Ies為導帶2-3的長度，導帶寬度a 1取λ g/6至λ g/3 ;
[0035]N個周期性縫隙單元包括一組縱縫列和一組橫縫列，橫縫列位于縱縫列與梳齒之間，縱縫列為m個縱縫2-1沿縱向均勻設置，橫縫列為2m個橫縫2_2沿縱向均勻設置；每個周期性縫隙