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CN113889757A - 一种基于液晶的多重极化可重构贴片天线 - Google Patents

一种基于液晶的多重极化可重构贴片天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于液晶的多重极化可重构贴片天线，依次包括上玻璃基底(01)、第一金属图案层(02)、液晶层(03)、第二金属图案层(04)、下玻璃基底(05)和贴片天线层(06)。本发明通过移相单元之间的相位变化，实现振幅比变化，切换辐射天线的极化态，避免了传统移相模块引入有源器件，使天线单元插损大、成本高的劣势，且实现了单元天线宽带化，多种极化态的需求；本发明采用了多层复合结构设计，避免了直流信号干扰其他模块，同样使辐射层和传输层分开，增大了带宽，避免了干扰。

Description

一种基于液晶的多重极化可重构贴片天线
技术领域
本发明属于液晶天线技术领域，特别涉及一种基于液晶的多重极化可重构贴片天线。
背景技术
信息时代的飞速发展，带来了信息流的高速增加，现代的社会生活离不开通信系统。天线作为发射系统和自由空间的转换模块，具有不可或缺的作用。发射端将信息加载在微波上，通过传输网络到达天线系统，设计不同的结构产生定向或者扫描的波束。
宽频带，大容量，多功能，小型化，高集成度的天线是无线通信网络的发展趋势，单个天线系统的可重构化同样成为人们的设计方向。对于传统的极化可重构天线，采用的是在天线系统中加载PIN二极管方式，通断的变化实现天线极化的切换，但是在高频波段，二极管会带来插损大、成本高的缺点，不适用于高增益、低成本天线的设计和制作。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过移相单元之间的相位变化，实现振幅比变化，切换辐射天线的极化态，实现了单元天线宽带化，多种极化态需求的基于液晶的多重极化可重构贴片天线。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于液晶的多重极化可重构贴片天线，依次包括上玻璃基底、第一金属图案层、液晶层、第二金属图案层、下玻璃基底和贴片天线层。
进一步地，所述第一金属图案层包括四分之一波长阻抗变换器、3dB的T型功分器、两个移相器一、两个移相器二、90°移相器一、90°移相器二和薄膜电阻；四分之一波长阻抗变换器与3dB的T型功分器相连，四分之一波长阻抗变换器和薄膜电阻分别设置在第一金属图案层的两端；90°移相器一、90°移相器二分别设置在第一金属图案层的中部，一路移相器一和移相器二分别设置在90°移相器一的两端，另一路移相器一和移相器二分别设置在90°移相器二的两端。
进一步地，第二金属图案层包括耦合缝隙一、共面波导和耦合缝隙二，耦合缝隙一和耦合缝隙二设置在第二金属图案层的中部，共面波导设有多个，分别设置在耦合缝隙一和耦合缝隙二的四周。
进一步地，发射机将微波信号馈入到多重极化可重构贴片天线中，利用四分之一波长阻抗变换器对微波信号进行匹配，然后通过3dB的T型功分器将信号分成两束等幅同相的微波信号；
两路微波信号分别通过共面波导利用上下电磁耦合形式，完成从微带线到共面波导再到微带的信号传输；
每路信号依次经过调制移相器一和移相器二进行相位变化，再在薄膜电阻处产生信号间的串扰，最后两路信号在90°移相器一和90°移相器二处干涉合成，形成输出信号功率的可调分配；
通过控制两条支路上移相一和移相器二的相位改变，形成支路间相位差的变化，两条支路在90°移相器一和90°移相器二处产生信号干涉，输出功率比发生变化；90°移相器一和90°移相器二产生的干涉信号通过耦合缝隙一和耦合缝隙二馈到方形贴片天线上；
直流偏置线分别加载在移相一、移相器二、90°移相器一和90°移相器上，对每个单元偏置进行独立调节。
本发明的有益效果是：本发明设计了基于液晶的多重极化可重构贴片天线，通过移相单元之间的相位变化，实现振幅比变化，切换辐射天线的极化态，避免了传统移相模块引入有源器件，使天线单元插损大、成本高的劣势，且实现了单元天线宽带化，多种极化态的需求；本发明采用了多层复合结构设计，避免了直流信号干扰其他模块，同样使辐射层和传输层分开，增大了带宽，避免了干扰。
附图说明
图1为本发明的基于液晶的多重极化可重构贴片天线的原理图；
图2为本发明的基于液晶的多重极化可重构贴片天线的结构示意图；
图3为本发明的第一金属图案层俯视图；
图4为本发明的第二金属图案层俯视图；
图5为本发明的移相器原理图；
附图标记说明：01-上玻璃基底，02-第一金属图案层，021-四分之一波长阻抗变换器，022-3dB的T型功分器，023-移相器一，024-移相器二，025-90°移相器一，026-90°移相器二，027-薄膜电阻，03-液晶层，04-第二金属图案层，041-耦合缝隙一，042-共面波导，043-耦合缝隙二，05-下玻璃基底，06-贴片天线层。
具体实施方式
本发明提供了一种基于液晶的多重极化可重构贴片天线，主要包括了对第一金属图案层02、第二金属层04和贴片天线层06的图案设计，模块布局设计和尺寸设计。
如图1所示，是本发明器件实现多重极化可重构的功能模块和逻辑示意图。组成该器件具体可以包括：3dB的T型功分器022，移相器一023和移相器二024，90°移相器一025和90°移相器二026，贴片天线06。以上模块构成了一个液晶的可重构功分器和极化可重构天线单元，利用输出到90°移相器一025和90°移相器二026上的功率比变化，控制贴片天线06辐射电磁波极化态的改变。基于图1的物理逻辑图，设计出了本发明的基于液晶的多重极化可重构贴片天线的结构，如图2所示，依次包括上玻璃基底01、第一金属图案层02、液晶层03、第二金属图案层04、下玻璃基底05和贴片天线层06。
本发明采用了分层设计。第一金属图案层02和第二金属图案层04的分层设计，是为了避免馈入到移相器中的直流信号干扰其他模块。06为贴片天线层，辐射单元分层设计使得天线的带宽提高且避免了传输层对辐射层的辐射干扰，产生波束畸变。
第一金属图案层02实现微波信号的分束，信号相位的调制，信号的干涉合成功能。如图3所示，本发明的第一金属图案层02包括四分之一波长阻抗变换器021、3dB的T型功分器022、两个移相器一023、两个移相器二024、90°移相器一025、90°移相器二026和薄膜电阻027；四分之一波长阻抗变换器021与3dB的T型功分器022相连，四分之一波长阻抗变换器021和薄膜电阻027分别设置在第一金属图案层02的两端；90°移相器一025、90°移相器二026分别设置在第一金属图案层02的中部，一路移相器一023和移相器二024分别设置在90°移相器一025的两端，另一路移相器一023和移相器二024分别设置在90°移相器二026的两端。
第二金属图案层04实现高频信号的传输，低频直流信号的隔离，以及微波信号到辐射贴片的耦合。如图4所示，本发明的第二金属图案层04包括耦合缝隙一041、共面波导042和耦合缝隙二043，耦合缝隙一041和耦合缝隙二043设置在第二金属图案层04的中部，共面波导042设有多个，分别设置在耦合缝隙一041和耦合缝隙二043的四周。
本发明的工作原理为：当发射机将微波信号通过SMA接头馈入到多重极化可重构贴片天线中，利用四分之一波长阻抗变换器021对微波信号进行负载器件的匹配，然后通过3dB的T型功分器022将信号分成两束等幅同相的微波信号；
两路微波信号分别通过共面波导042利用上下电磁耦合形式，完成从微带线到共面波导再到微带的信号传输，实现直流信号的隔离，使直流偏置只加载在移相器处；
每路信号依次经过调制移相器一023和移相器二024进行相位变化，再在薄膜电阻027处产生信号间的串扰，最后两路信号在90°移相器一025和90°移相器二026处干涉合成，形成输出信号功率的可调分配；
通过控制两条支路上移相一023和移相器二024的相位改变，形成支路间相位差的变化，两条支路在90°移相器一025和90°移相器二026处产生信号干涉，输出功率比发生变化；90°移相器一025和90°移相器二026产生的干涉信号通过耦合缝隙一041和耦合缝隙二043馈到方形贴片天线06上；
直流偏置线分别加载在移相一023、移相器二024、90°移相器一025和90°移相器026上，对每个单元偏置进行独立调节。
当加载在90°移相器一025和90°移相器二026上的信号等幅情况下。90°移相器一025和90°移相器二026工作状态的切换，使馈到耦合缝隙一041和耦合缝隙043上的信号的相位差产生90°或-90°两种情况，控制贴片天线06左旋圆极化和右旋圆极化的两种极化状态的切换。
当加载在90°移相器一025和90°移相器二026上的信号功分比大的情况下。只有90°移相器一025有信号输出或只有90°移相器二026有信号输出两种工作状态的切换，可以控制贴片天线06水平极化和垂直极化两种极化状态的切换。
如图5所示，移相器的调相是利用电压控制液晶分子的旋转实现。当微带线加载上直流偏置后，下层的地平面之间形成电压。初始状态下液晶的有效介电常数为ε||，在电场的作用下，液晶分子会向电场线方向发生旋转，液晶在竖直状态下有效介电常数为ε⊥。电磁在真空下的传播速度为c，中心频率f处，移相量
Figure BDA0003356399000000041
可以根据介电常数改变量和移相单元长度l计算得出：
Figure BDA0003356399000000042
本发明的整个天线结构为互易对称的网络，所以S参数满足：S21＝S12；S13＝S31；S32＝S23。
在理想情况下，系统的端口应当没有反射且出射端口相互隔离，所以S参数满足S11＝S22＝S33＝S23＝0。
综上得知模块的S参数矩阵如下所示：
Figure BDA0003356399000000043
S11是信号馈入点信号反射系数，S22是第二端口(即3dB的T型功分器022与90°移相器一025之间的端口)信号反射系数，S33是第二端口信号反射系数，S12表示是第二端口传输到的信号馈入点信号传输系数，S21表示是信号馈入点传输到第二端口的信号传输系数，S13表示是第三端口(即3dB的T型功分器022与90°移相器二026之间的端口)传输到信号馈入点的信号传输系数，S31表示是信号馈入点传输到第三端口的信号传输系数，S23是第三端口到第二端口的信号传输系数；S32是第二端口到第三端口的信号传输系数；k表示的是第二端口与第三端口信号强度比；ψ表示的是信号馈入后到第二端口和第三端口的相位变化量。
结构上设计了四分之一波长扼流结构，实现了可加载直流信号的同时也避免了高频电磁信号的损失。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于液晶的多重极化可重构贴片天线，其特征在于，依次包括上玻璃基底(01)、第一金属图案层(02)、液晶层(03)、第二金属图案层(04)、下玻璃基底(05)和贴片天线层(06)。
2.根据权利要求1所述的一种基于液晶的多重极化可重构贴片天线，其特征在于，所述第一金属图案层(02)包括四分之一波长阻抗变换器(021)、3dB的T型功分器(022)、两个移相器一(023)、两个移相器二(024)、90°移相器一(025)、90°移相器二(026)和薄膜电阻(027)；四分之一波长阻抗变换器(021)与3dB的T型功分器(022)相连，四分之一波长阻抗变换器(021)和薄膜电阻(027)分别设置在第一金属图案层(02)的两端；90°移相器一(025)、90°移相器二(026)分别设置在第一金属图案层(02)的中部，一路移相器一(023)和移相器二(024)分别设置在90°移相器一(025)的两端，另一路移相器一(023)和移相器二(024)分别设置在90°移相器二(026)的两端。
3.根据权利要求2所述的一种基于液晶的多重极化可重构贴片天线，其特征在于，第二金属图案层(04)包括耦合缝隙一(041)、共面波导(042)和耦合缝隙二(043)，耦合缝隙一(041)和耦合缝隙二(043)设置在第二金属图案层(04)的中部，共面波导(042)设有多个，分别设置在耦合缝隙一(041)和耦合缝隙二(043)的四周。
4.根据权利要求3所述的一种基于液晶的多重极化可重构贴片天线，其特征在于，发射机将微波信号馈入到多重极化可重构贴片天线中，利用四分之一波长阻抗变换器(021)对微波信号进行匹配，然后通过3dB的T型功分器(022)将信号分成两束等幅同相的微波信号；
两路微波信号分别通过共面波导(042)利用上下电磁耦合形式，完成从微带线到共面波导再到微带的信号传输；
每路信号依次经过调制移相器一(023)和移相器二(024)进行相位变化，再在薄膜电阻(027)处产生信号间的串扰，最后两路信号在90°移相器一(025)和90°移相器二(026)处干涉合成，形成输出信号功率的可调分配；
通过控制两条支路上移相一(023)和移相器二(024)的相位改变，形成支路间相位差的变化，两条支路在90°移相器一(025)和90°移相器二(026)处产生信号干涉，输出功率比发生变化；90°移相器一(025)和90°移相器二(026)产生的干涉信号通过耦合缝隙一(041)和耦合缝隙二(043)馈到方形贴片天线(06)上；
直流偏置线分别加载在移相一(023)、移相器二(024)、90°移相器一(025)和90°移相器(026)上，对每个单元偏置进行独立调节。
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