CN107885008B - 一种级联液晶光学相控阵天线、成型及应用方法 - Google Patents

Abstract

一种级联液晶光学相控阵天线、成型及应用方法，首先将液晶光学相控阵天线的第一玻璃基板作为公用基板，在公用基板一侧涂覆导电薄膜作为第三电极层，在第一玻璃基板同侧装配倾斜的第二玻璃基板，并在第二玻璃基板靠近第一玻璃基板侧涂覆导电薄膜作为第四电极层，然后在第三电极层、第四电极层之间罐装液晶材料，并作为第二液晶层，然后在第四电极层加载连续电压，对入射光束进行连续偏转控制，在液晶光学相控阵天线的第一电极层加载离散电压，对入射波束进行大角度离散扫描，最后在液晶光学相控阵天线的第一电极层加载离散电压，对入射波束进行大角度离散扫描，在第四电极层加载连续电压，对入射光束进行连续偏转控制。

Description

一种级联液晶光学相控阵天线、成型及应用方法

技术领域

本发明涉及一种级联液晶光学相控阵天线、成型及应用方法，属于卫星激光通信和激光雷达等技术领域。

背景技术

目前国内外研究的激光通信系统为点对点单链路数据传输系统，采用机械式捕跟机构。由于卫星激光通信链路距离远，激光发射功率受限，需要激光光束发散角尽量接近衍射极限。受激光光束发散角的限制，采用机械式扫描机构的空间激光通信系统只能实现点对点的激光通信。采用机械式扫描机构的激光通信终端体积和重量都大，难以满足新一代激光通信终端小型化、轻量化的需求。此外，机械式捕跟控制系统惯性大，难以实现快速捕获。

由于液晶光学相控阵天线(LCOPA)具有体积小、惯性小和多波束等功能，近年来得到快速发展。目前国内外研究的光学相控阵天线主要是三明治结构。由于液晶光学相控阵天线的驱动电极为离散电极，加载电压为离散电压，其光束偏转具有不连续性，不能对扫描区域进行有效连续扫描。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有技术中液晶光学相控阵天线驱动电压为离散电压、波束不能连续扫描的缺陷，提出一种液晶光学相控阵天线实现方法，既可以实现波束的大角度偏转控制，又可以实现波束连续偏转控制，保证了空间激光通信系统对扫描区域的有效连续扫描。

本发明的技术解决方案是：一种级联液晶光学相控阵天线，包括液晶光学相控阵天线、第三电极层、第二玻璃基板、第四电极层、第二液晶层；

第三电极层为液晶光学相控阵天线的玻璃基板一侧涂覆的导电薄膜，第二玻璃基板倾斜装配在液晶光学相控阵天线玻璃基板上，第四电极层为第二玻璃基板靠近第三电极层涂覆的导电薄膜，第二液晶层为第三电极层、第四电极层之间罐装的液晶材料；所述的液晶光学相控阵天线包括第一玻璃基板、第三玻璃基板，第一玻璃基板一侧涂覆导电薄膜作为第二电极层，第三玻璃基板一侧涂覆导电薄膜作为第一电极层，第二电极层、第一电极层间罐装液晶材料，并作为第一液晶层。

一种级联液晶光学相控阵天线成型方法，步骤如下：

步骤一：将液晶光学相控阵天线的第一玻璃基板作为公用基板，在公用基板一侧涂覆导电薄膜作为第三电极层，在第一玻璃基板同侧装配倾斜的第二玻璃基板，并在第二玻璃基板靠近第一玻璃基板侧涂覆导电薄膜作为第四电极层，然后在第三电极层、第四电极层之间罐装液晶材料，并作为第二液晶层；

步骤二：在第四电极层加载连续电压，对入射光束进行连续偏转控制，在液晶光学相控阵天线的第一电极层加载离散电压，对入射波束进行大角度离散扫描。

一种级联液晶光学相控阵天线应用方法，包括如下步骤：

(1)在空间激光通信链路建立过程中，在液晶光学相控阵天线的第一电极层加载离散电压，对入射波束进行大角度离散扫描，当扫描到空间激光通信链路的对方通信终端时，转入步骤(2)，否则变化离散电压；

(2)在第四电极层加载连续电压，对入射光束进行连续偏转控制，降低级联液晶光学相控阵天线与对方通信终端的视轴误差，直至实现空间激光通信链路的稳定通信。

所述的液晶材料的液晶分子排列进行取向。

所述的第四电极层靠近液晶材料侧涂敷取向膜，取向膜进行表面磨擦处理。

所述的离散电压在加载至液晶光学相控阵天线的第一电极层后，对入射波束进行大角度离散扫描过程中，数值变大，直至扫描到空间激光通信链路的对方通信终端时，离散电压数值变小。

所述的第四电极层加载连续电压为在级联液晶光学相控阵天线与对方通信终端的视轴误差小于100微弧度时加载。

所述的空间激光通信链路的稳定通信过程中，级联液晶光学相控阵天线与对方通信终端的视轴误差小于2微弧度。

所述的第四电极层加载连续电压时，在液晶光学相控阵天线的第一电极层加载的离散电压的变化数值小于对入射波束进行大角度离散扫描过程中离散电压的变化数值。

所述的在第四电极层加载连续电压时，第三电极层为零电位，在第一电极层加载离散电压时，第二电极层为零电位。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明基于传统液晶光学相控阵天线的三明治结构，提出一种“两液晶层、三玻璃基板层”的新型液晶光学相控阵天线结构，这种级联液晶光学相控阵天线兼具波束大角度偏转控制和小角度连续偏转控制的能力，与传统液晶光学相控阵天线相比，拓展了传统液晶光学相控阵天线的功能，采用一个级联液晶光学相控阵天线，就可以实现激光通信系统的粗捕获和精跟踪功能，具有很好的使用价值；

(2)本发明新型级联液晶光学相控阵天线结构，实现了液晶光学相控阵的集成化设计，具有结构紧凑，功能稳定性好的特点；

(3)本发明通过在级联液晶光学相控阵天线上的离散电极和连续点击加载离散电压和连续点压，解决决了传统液晶光学相控阵天线只能实现波束离散扫描的缺点，具有波束大角度偏转控制和小角度连续偏转控制优点；

(4)本发明基于级联液液晶光学相控阵建立的空间激光通信系统，可以通过控制离散电压和连续点压，实现光束的不同角度偏转，实现空间激光通信的捕获、跟踪和对准能力；使得激光通信终端具有体积小、结构紧凑、波束灵活控制的优点。

附图说明

图1液晶光学相控阵天线结构图；

图2级联液晶光学相控阵天线结构示意图；

图3级联液晶光学相控阵天线电压控制示意图；

图4可编程棱镜原理示意图。

具体实施方式

对于空间激光通信系统，为了实现液晶光学相控阵天线的波束连续偏转控制(精跟踪过程)，本发明对传统液晶光学相控阵天线结构进行改进，提出一种新型级联液晶光学相控阵天线、成型及应用方法，具备液晶光学相控阵和液晶光楔两种液晶器件的功能，液晶光学相控阵对波束离散扫描控制，液晶光楔对波束进行高精度波束扫描控制。满足空间激光通信大角度离散扫描和小角度连续跟踪的功能需求，下面结合附图对本发明进行更详细的解释和说明。

传统液晶光学相控阵天线是三明治结构，如图1所示为传统的液晶光学相控阵天线结构图。本发明在传统液晶光学相控阵“一层液晶、两玻璃基板层”的传统三明治结构的基础上，增加一斜液晶层，给出一种“两液晶层、三玻璃基板层”的新型液晶光学相控阵天线结构，如图2所示为级联液晶光学相控阵天线结构示意图。将液晶光学相控阵天线的玻璃基板作为公用基板，在其另一侧涂覆一层导电薄膜，作为液晶光楔的公共电极，再在同一方向装配一倾斜玻璃基板，玻璃基板内表面镀一层导电膜，作为电极层，在电极层外部还涂敷了一层取向膜，经表面磨擦处理后对液晶分子排列进行取向。倾斜玻璃基板和公用基板之间罐装液晶材料，共同组成液晶光楔。液晶光学相控阵天线对射光束进行大角度偏转控制，液晶光楔对入射波束进行小角度连续偏转控制。一种新型级联液晶光学相控阵天线成型方法，包括如下步骤：

步骤一：将液晶光学相控阵天线的玻璃基板作为公用基板，再在同一方向装配一倾斜玻璃基板，倾斜玻璃基板和公用基板之间罐装液晶材料，共同组成液晶光楔。液晶光楔和液晶光学相控阵天线共同组成一种集成化的级联液晶光学相控阵天线。

步骤二：在液晶光楔电极层加载连续电压，在连续电压的控制下，对入射光束进行连续偏转控制。在液晶光学相控阵天线电极层加载离散电压，在离散电压的控制下，对入射波束进行大角度离散扫描。在连续电压和离散电压的共同控制下，完成激光通信终端的捕获、跟踪和对准。

上述方法中步骤一将液晶光学相控阵天线的玻璃基板作为公用基板，在其另一侧涂覆一层导电薄膜，作为液晶光楔的公共电极，再在同一方向装配一倾斜玻璃基板，玻璃基板内表面镀一层导电膜，作为电极层，在电极层外部还涂敷了一层取向膜，经表面磨擦处理后对液晶分子排列进行取向，倾斜玻璃基板和公用基板之间罐装液晶材料，共同组成液晶光楔。

另外，本发明步骤一中在电极层外部还涂敷了一层取向膜，经表面磨擦处理后对液晶分子排列进行取向。倾斜玻璃基板和公用基板之间罐装液晶材料，共同组成液晶光楔。

(a)液晶光学相控阵对波束进行大角度离散扫描

从工作原理来看，液晶相控阵列实际上是一种可编程相位光栅。通过在器件的驱动电极上施加一定的电压，使入射光波通过器件的相位调制后获得周期性锯齿状相位延迟分布，形成一个闪耀光栅，从而实现光束的偏转。光束偏转角度θ由光栅方程决定：

其中，θ_inc为入射角，λ为入射光波长，Λ为闪耀光栅周期。由于器件的电极电压可以独立编程控制，因此，光栅的周期Λ也可由驱动电压的编程控制而改变，从而实现光束扫描。

(b)液晶光楔对波束进行连续扫描

液晶光楔产生一个斜坡相位分布，等效于一个斜坡斜率可调的液晶棱镜，其原理示意图如图3所示所示。对器件的各相移单元施加合适电压，就可以产生一个相位斜坡，其效果等效为一个微棱镜，从而实现光束的小角度精密偏转。

假设斜坡的高度分别为

和

其对应的光程差分别为：

假设入射波长为λ，器件孔径为D，则对应的偏转角度分别为：

采用这种方式实现精跟踪的范围取决于液晶盒能产生的最大光程差L，它与液晶盒厚度d以及液晶材料的折射率Δn直接相关，具体为：

L＝Δn·d (5)

假定电极数量为1920根，相控阵孔径为110mm，仿真分析了光束偏转能力，假定光楔偏转角度为1.2°，因此相控阵偏转角度θ_OPA＝20.9mrad，液晶光楔偏转角度θ_OPS＝42urad，采用优化算法之后，光斑中心在20.942mrad，偏差1.95μrad，实现高精度偏转控制。

如图4所示为可编程棱镜原理示意图，方法如下：在液晶电极层加载连续电压Vs，在电压Vs的控制下，对入射光束进行连续偏转控制。在电极层1加载离散电压Vi，在离散电压Vi的控制下，对入射波束进行大角度离散扫描。在电压Vs和Vi控制下，完成激光通信终端的捕获、跟踪和对准。具体实现步骤为：

(1)在空间激光通信链路建立过程中，首先控制离散电压Vi，对预置不确定区进行扫描，启动捕获模式；

(2)扫描到对方通信终端后，控制离散电压Vi，进一步降低扫描角(视轴误差)，进入跟踪模式。

(3)当跟踪误差小于跟踪模式转换到对准模式误差需求后，启动Vs控制电压，进一步降低扫描角，将双方对转误差控制在对准误差范围内。

综上所述，本发明针对现有液晶光学相控阵天线不能对波束连续偏转控制技术问题，给出一种集成化的级联液晶光学相控阵天线设计方法，不仅可以实现波束连续和离散偏转控制，而且实现了液晶光学相控阵天线的一种集成化设计。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种级联液晶光学相控阵天线，其特征在于：包括液晶光学相控阵天线、第三电极层、第二玻璃基板、第四电极层、第二液晶层；

第三电极层为液晶光学相控阵天线的玻璃基板外侧涂覆的导电薄膜，第二玻璃基板倾斜装配在液晶光学相控阵天线玻璃基板上，第四电极层为第二玻璃基板靠近第三电极层侧涂覆的导电薄膜，第二液晶层为第三电极层、第四电极层之间罐装的液晶材料；所述的液晶光学相控阵天线包括第一玻璃基板、第三玻璃基板，第一玻璃基板一侧涂覆导电薄膜作为第二电极层，第三玻璃基板一侧涂覆导电薄膜作为第一电极层，第二电极层、第一电极层间罐装液晶材料，并作为第一液晶层；

所述的液晶材料的液晶分子排列进行取向；

第四电极层靠近液晶材料侧涂敷取向膜，取向膜进行表面磨擦处理后对所述的液晶材料的液晶分子排列进行取向；

离散电压在加载至液晶光学相控阵天线的第一电极层后，对入射波束进行大角度离散扫描过程中，数值变大，直至扫描到空间激光通信链路的对方通信终端时，离散电压数值变小；

在级联液晶光学相控阵天线与对方通信终端的视轴误差小于100微弧度时对第四电极层加载连续电压；

空间激光通信链路的稳定通信过程中，级联液晶光学相控阵天线与对方通信终端的视轴误差小于2微弧度；

所述的第四电极层加载连续电压时，在液晶光学相控阵天线的第一电极层加载的离散电压的变化数值小于对入射波束进行大角度离散扫描过程中离散电压的变化数值；

所述的在第四电极层加载连续电压时，第三电极层为零电位，在第一电极层加载离散电压时，第二电极层为零电位。

2.一种级联液晶光学相控阵天线成型方法，其特征在于步骤如下：

步骤一：将液晶光学相控阵天线的第一玻璃基板作为公用基板，在公用基板外侧涂覆导电薄膜作为第三电极层，在第一玻璃基板外侧装配倾斜的第二玻璃基板，并在第二玻璃基板靠近第一玻璃基板侧涂覆导电薄膜作为第四电极层，然后在第三电极层、第四电极层之间罐装液晶材料，并作为第二液晶层；所述的液晶光学相控阵天线包括第一玻璃基板、第三玻璃基板，第一玻璃基板一侧涂覆导电薄膜作为第二电极层，第三玻璃基板一侧涂覆导电薄膜作为第一电极层；

步骤二：在第四电极层加载连续电压，对入射光束进行连续偏转控制，在液晶光学相控阵天线的第一电极层加载离散电压，对入射波束进行大角度离散扫描；

所述的液晶材料的液晶分子排列进行取向；

所述的第四电极层靠近液晶材料侧涂敷取向膜，取向膜进行表面磨擦处理后对所述的液晶材料的液晶分子排列进行取向；

离散电压在加载至液晶光学相控阵天线的第一电极层后，对入射波束进行大角度离散扫描过程中，数值变大，直至扫描到空间激光通信链路的对方通信终端时，离散电压数值变小；

所述的第四电极层加载连续电压为在级联液晶光学相控阵天线与对方通信终端的视轴误差小于100微弧度时加载；

空间激光通信链路的稳定通信过程中，级联液晶光学相控阵天线与对方通信终端的视轴误差小于2微弧度；

所述的第四电极层加载连续电压时，在液晶光学相控阵天线的第一电极层加载的离散电压的变化数值小于对入射波束进行大角度离散扫描过程中离散电压的变化数值；

所述的在第四电极层加载连续电压时，第三电极层为零电位，在第一电极层加载离散电压时，第二电极层为零电位。

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