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CN113889756A - 一种液晶编码超材料散射可重构低rcs阵列天线 - Google Patents

一种液晶编码超材料散射可重构低rcs阵列天线 Download PDF

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CN113889756A
CN113889756A CN202111281926.9A CN202111281926A CN113889756A CN 113889756 A CN113889756 A CN 113889756A CN 202111281926 A CN202111281926 A CN 202111281926A CN 113889756 A CN113889756 A CN 113889756A
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medium substrate
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胡巍
刘雨鑫
蒋迪
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University of Electronic Science and Technology of China
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Abstract

本发明公开了一种液晶编码超材料散射可重构低RCS阵列天线，包括多个阵列天线单元和功分器，多个阵列天线单元分别与功分器固定连接，每个阵列天线单元包括辐射贴片、上层介质基板、中层介质基板和下层介质基板，中层介质基板具有液晶槽，液晶槽位于辐射贴片的下方，并填充液晶。具有反射相位的连续可调谐性，低介电损耗，尤其适用于10GHz以上的频率，将液晶材料作为阵列天线单元的介质基底，则可以通过外加电场实现对各阵列单元反射波相位的控制，将不同的反射相位进行编码设计形成编码超材料，不同的编码模式对应不同的功能，从而实现不同功能的及时切换。

Description

一种液晶编码超材料散射可重构低RCS阵列天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种液晶编码超材料散射可重构低RCS阵列天线。
背景技术
雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)是描述隐身性能的一个关键技术指标，表征物体在电磁波照射情况下所产生回波强度的物理量。对于战斗机、轰炸机等飞行器而言，隐身能力的好坏很大程度上取决于RCS的大小。RCS越低越有可能不被敌方雷达探测到。随着隐形技术的日益发展和更新，散射可重构的天线因可实现不同状态的切换来降低RCS成为了一个重要的研究课题。
针对天线的散射特性可重构设计中，目前使用方法最多的就是加载一个二极管，通过调控加载二极管的状态实现不同工作状态的切换。然而二极管只有“通”和“断”两种状态，这会使得编码超材料功能单一，不能满足使用需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液晶编码超材料散射可重构低RCS阵列天线，旨在解决基于二极管设计的散射可重构天线，存在功能单一的技术问题。
包括多个阵列天线单元和功分器，多个所述阵列天线单元分别与所述功分器固定连接，并均位于所述功分器的顶部，且多个所述阵列天线单元按阵列排布；
每个所述阵列天线单元包括辐射贴片、上层介质基板、中层介质基板和下层介质基板，所述辐射贴片与所述上层介质基板固定连接，并位于所述上层介质基板的顶部，所述上层介质基板与所述中层介质基板固定连接，并位于所述中层介质基板的顶部，所述中层介质基板具有液晶槽，所述液晶槽位于所述辐射贴片的下方，并填充液晶，所述下层介质基板与所述中层介质基板固定连接，并位于所述中层介质基板的底部。
其中，每个所述阵列天线单元还包括第一金属柱、第二金属柱、微带传输线和第三金属柱，所述第一金属柱贯穿所述上层介质基板，并位于所述辐射贴片和所述中层介质基板之间，所述第二金属柱贯穿所述中层介质基板，并与所述功分器固定连接，并位于所述中层介质基板和所述功分器之间，所述微带传输线刻蚀在所述上层介质基板的底部，并将所述第一金属柱和所述第二金属柱连接，所述第三金属柱贯穿所述下层介质基板，并位于所述中层介质基板和所述功分器之间，且将所述第二金属柱和所述功分器连通。
其中，所述辐射贴片均呈菱形，且菱形的各边为圆弧形。
其中，所述辐射贴片中心对称，且四边为圆弧形。
其中，所述上层介质基板和所述中层介质基板的材料均为Roger5880，介电常数ε＝2.2，损耗角正切为tan＝0.0009。
其中，所述液晶槽的尺寸为8mm×8mm×0.5mm。
其中，每个所述阵列天线单元的尺寸均为15mm×15mm×1.254mm
本发明的有益效果为：通过加入液晶了液晶材料使得反射相位的满足可重构的功能；通过对液晶上下层施加不同偏置电压产生相位差从而实现各个单元编码的功能；通过将各个子阵引入不同的编码实现相位差，从而达到波束偏转和降低RCS的功能，达到同一块编码超材料上为不同的功能即时切换。
附图说明
为了更清楚地说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的液晶编码超材料散射可重构低RCS阵列天线的结构示意图。
图2是本发明的阵列天线单元的结构示意图。
图3是本发明的液晶槽的位置示意图。
图4是本发明的阵列天线单元的部分结构示意图。
图5是本发明的功分器的结构示意图。
图6是本发明的辐射贴片的尺寸标记图。
1-阵列天线单元、2-功分器、3-辐射贴片、4-上层介质基板、5-中层介质基板、6-下层介质基板、7-第一金属柱、8-第二金属柱、9-微带传输线、10-第三金属柱、11-液晶槽。
具体实施方式
下面详细描述发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释发明，而不能理解为对发明的限制。
在发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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，仅是为了便于描述发明和简化描述，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，因此不能理解为对发明的限制。此外，在发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1至图6，包括多个阵列天线单元1和功分器2，包括多个阵列天线单元1和功分器2，多个所述阵列天线单元1分别与所述功分器2固定连接，并均位于所述功分器2的顶部，且多个所述阵列天线单元1按阵列排布；
每个所述阵列天线单元1包括辐射贴片3、上层介质基板4、中层介质基板5和下层介质基板6，所述辐射贴片3与所述上层介质基板4固定连接，并位于所述上层介质基板4的顶部，所述上层介质基板4与所述中层介质基板5固定连接，并位于所述中层介质基板5的顶部，所述中层介质基板5具有液晶槽11，所述液晶槽11位于所述辐射贴片3的下方，并填充液晶，所述下层介质基板6与所述中层介质基板5固定连接，并位于所述中层介质基板5的底部。
在本实施方式中，通过引入了液晶材料实现了反射相位可重构的特点，通过对不同反射相位差进行编码，可实现RCS缩减和波束偏转等多种功能。
进一步地，每个所述阵列天线单元1还包括第一金属柱7、第二金属柱8、微带传输线9和第三金属柱10，所述第一金属柱7贯穿所述上层介质基板4，并位于所述辐射贴片3和所述中层介质基板5之间，所述第二金属柱8贯穿所述中层介质基板5，并与所述功分器固定连接，并位于所述中层介质基板5和所述功分器2之间，所述微带传输线9刻蚀在所述上层介质基板4的底部，并将所述第一金属柱7和所述第二金属柱8连接，所述第三金属柱10贯穿所述下层介质基板6，并位于所述中层介质基板5和所述功分器2之间，且将所述第二金属柱8和所述功分器2连通。
进一步地，所述辐射贴片3中心对称，且四边为圆弧形。
进一步地，所述上层介质基板4、所述中层介质基板5和所述下层介质基板6的材料均为Roger5880，介电常数ε＝2.2，损耗角正切为tan＝0.0009。
进一步地，所述液晶槽11的尺寸为8mm×8mm×0.5mm。
进一步地，每个所述阵列天线单元1的尺寸均为15mm×15mm×1.254mm。
具体的，通过给所述阵列天线单元1加载偏置电压从而改变所述液晶内部的电场分布，这样随着电压的增大液晶分子产生有序的偏转，这样液晶材料的介电常数就会改变，从而能够达到反射相位改变的能力。利用此特性，便可设计编码液晶超材料。
所述上层介质基板4与所述下层介质基板6均选用Roger5880，介电常数ε＝2.2，损耗角正切为tan＝0.0009。所述中层介质板上的所述液晶槽11由液晶填充，采用默克公司制造的微波液晶GT3-23001(ε∥＝3.2，ε⊥＝2.4，tanδ∥＝0.002，tanδ⊥＝0.006，Vmax＝14V)，厚度为0.254mm。所述上层介质基板4、所述中层介质基板5和所述下层介质基板6的尺寸均为15mm×15mm×0.5mm，所述液晶槽11的尺寸为8mm×8mm×0.5mm。所述辐射贴片3刻蚀在所述上层介质基板4的上表面，请参阅图6，所述辐射贴片3中心对称，且四边为圆弧形，LT＝10mm，LJ＝3mm，WJ＝0.4mm，R＝4.4mm，通过改变圆弧的大小，能够提供额外的相位补偿。所述微带传输线9刻蚀在所述上层介质基板4下表面。所述第一金属柱7采用半径0.18mm的铜柱，该铜柱将能量传输到所述辐射贴片3上。所述第二金属柱8采用半径0.18mm的铜柱，该铜柱用于能量传输。所述第三金属柱10采用半径0.6mm的铜柱，该铜柱用于同轴馈电。每个所述阵列天线单元1的尺寸为15mm×15mm×1.254mm。
超材料中单元的位相梯度变化导致了出射波束的重新定向。完成RCS缩减是编码超材料一个重要的应用。RCS缩减至少需要反射相位差0°和180°两种编码状态。本实施例，选择了4个编码状态，所述阵列天线单元1组成8×8的阵列。并且引入了所述功分器2，所述功分器2结构如图5所示。每个子阵采用相同的编码模式，将第一行所有阵元均设置为“00”状态、第二行所有阵元均设置为“01”状态、第三行所有阵元均设置为“10”状态、第四行行所有阵元均设置为“11”状态。而“00”、“01”、“10”和“11”这四种编码状态分别对应反射相位差0°，90°，180°和270°。这样每一子阵的相位差都均为90°。在Ku频段内。这样的设计便可在表面引发异常反射和漫反射，从而达到降低RCS的功能。同时由于不同的表面不同的相位带来的相位差，同样可使天线达到波束偏转的功能，这就可使得液晶编码超材料实现不同功能即时切换。
本发明通过加入液晶了液晶材料使得反射相位的满足可重构的功能；通过对液晶上下层施加不同偏置电压产生相位差从而实现各个单元编码的功能；通过将各个子阵引入不同的编码实现不同相位差，从而达到波束偏转和降低RCS的功能，达到同一块编码超材料上为不同的功能即时切换。
以上所揭露的仅为发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种液晶编码超材料散射可重构低RCS阵列天线，其特征在于，
包括多个阵列天线单元和功分器，多个所述阵列天线单元分别与所述功分器固定连接，并均位于所述功分器的顶部，且多个所述阵列天线单元按阵列排布；
每个所述阵列天线单元包括辐射贴片、上层介质基板、中层介质基板和下层介质基板，所述辐射贴片与所述上层介质基板固定连接，并位于所述上层介质基板的顶部，所述上层介质基板与所述中层介质基板固定连接，并位于所述中层介质基板的顶部，所述中层介质基板具有液晶槽，所述液晶槽位于所述辐射贴片的下方，并填充液晶，所述下层介质基板与所述中层介质基板固定连接，并位于所述中层介质基板的底部。
2.如权利要求1所述的液晶编码超材料散射可重构低RCS阵列天线，其特征在于，
每个所述阵列天线单元还包括第一金属柱、第二金属柱、微带传输线和第三金属柱，所述第一金属柱贯穿所述上层介质基板，并位于所述辐射贴片和所述中层介质基板之间，所述第二金属柱贯穿所述中层介质基板，并与所述功分器固定连接，并位于所述中层介质基板和所述功分器之间，所述微带传输线刻蚀在所述上层介质基板的底部，并将所述第一金属柱和所述第二金属柱连接，所述第三金属柱贯穿所述下层介质基板，并位于所述中层介质基板和所述功分器之间，且将所述第二金属柱和所述功分器连通。
3.如权利要求1所述的液晶编码超材料散射可重构低RCS阵列天线，其特征在于，
所述辐射贴片中心对称，且四边为圆弧形。
4.如权利要求1所述的液晶编码超材料散射可重构低RCS阵列天线，其特征在于，
所述上层介质基板和所述中层介质基板的材料均为Roger 5880，介电常数ε＝2.2，损耗角正切为tan＝0.0009。
5.如权利要求1所述的液晶编码超材料散射可重构低RCS阵列天线，其特征在于，
所述液晶槽的尺寸为8mm×8mm×0.5mm。
6.如权利要求1所述的液晶编码超材料散射可重构低RCS阵列天线，其特征在于，
每个所述阵列天线单元的尺寸均为15mm×15mm×1.254mm。
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