一种液晶移相单元及其构成的相控天线制造技术

本发明专利技术公开了一种液晶移相单元及其构成的相控天线，其特征是由相互平行的上层介质基板和下层介质基板形成夹层，夹层中封闭有向列型液晶形成液晶层，在上层介质基板和下层介质基板的表面形成有金属微带结构，利用金属微带结构施加偏置电压，并在液晶层中形成偏置电场，使液晶层中液晶分子的排列方向发生改变，从而改变液晶层介电常数，改变反射波的相位；在由液晶移相单元形成的阵列中，通过在每个单元上施加不同的电压获得需要的相位分布，从而获得相应的波束指向或者实现波前赋形。本发明专利技术采用电控的方式改变移相特性，能工作在100‑1000GHz频段，其易于加工、小型化、低成本。

Liquid crystal phase shifter and its phase control antenna

The invention discloses a liquid crystal phase shifter unit and a phased antenna, which is characterized by parallel upper and lower dielectric substrate dielectric substrate to form an interlayer, interlayer is sealed to form a liquid crystal layer of nematic liquid crystal, a metal microstrip structure is formed on the upper substrate and the lower substrate surface by metal microstrip structure bias, and the bias field formed in the liquid crystal layer, the arrangement direction of liquid crystal molecules in the liquid crystal layer is changed, thereby changing the liquid crystal layer dielectric constant, the phase change of the reflected wave; in the array formed by the liquid crystal phase shifter unit, by applying different voltages in each unit to obtain the phase distribution needs thus, to obtain the corresponding beam pointing or wavefront shaping. The invention adopts the electric control way change the phase characteristics, can work in 100 1000GHz band, its easy processing, small size and low cost.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于太赫兹电子学的成像和雷达领域，特别涉及一种液晶反射移相单元及其组成的相控反射式阵列天线。
技术介绍
与传统的机械扫描式天线相比，相控阵天线具有更加迅速精确的波束扫描能力。可以实现更远的目标搜索以及更加稳定可靠的性能。微带反射阵列天线综合了传统的抛物面反射式天线和微带阵列天线的优点。具有很高的辐射效率以及较宽的波束扫描角度。微带反射阵列研究的核心在于如何设计每个单元的结构和尺寸，使之对入射波实现特定的相位补偿，从而形成特定的波束。传统的微带反射阵列天线主要有以下几种设计方法，一是通过改变微带贴片的结构尺寸来实现相位补偿；二是通过在不同贴片上加载不同长度的相位延迟线来补偿相位；三是通过对贴片单元旋转不同的角度来获得不同的相位补偿；四是通过在贴片下的基板上加载缝隙来实现相移。上述方法中当微带阵列的结构已经确定便不再能改变，天线的波束指向也就确定了，无法实现相控。若需要通过电控等方式控制移相单元的相移变化，可以通过给每个阵元添加一个移相器来实现。传统的移相器有变容二极管移相器、铁氧体移相器、PIN二极管移相器、MEMS移相器等。其中，变容二极管在高频段的寄生特性比较严重，仅能运用于低频段；铁氧体移相器的移相特性易随外界环境迁移，难以精确控制；MEMS移相器有需要精密的加工技术，实现难度大、制造成本过高等缺点；而基于PIN二极管的高位移相器需占用较大面积，必然会加大阵元之间的间距，恶化天线的栅瓣指标。因器件高频性能(变容二极管)、加工难度(MEMS)、电路面积(PIN二极管)等多种因素的制约，以上几种反射式相控阵列的工作频率一般在W波段以下，难以胜任更高频率的工作。
技术实现思路
本专利技术是为避免上述现有技术存在的不足之处，提供一种加工难度小、小型化、低成本的液晶移相单元及其构成的相控天线，以期采用电控的方式改变移相特性，使其能工作在100-1000GHz频段。本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案：本专利技术液晶移相单元的结构特点是：由相互平行的上层介质基板和下层介质基板形成夹层，在所述夹层中封闭有向列型液晶形成液晶层，在所述上层介质基板和下层介质基板的表面形成有金属微带结构，利用所述金属微带结构施加偏置电压，并在所述液晶层中形成偏置电场，使液晶层中液晶分子的排列方向发生改变，从而改变液晶层介电常数，改变反射波的相位。本专利技术液晶移相单元的结构特点也在于：所述上层介质基板和下层介质基板的形状大小相同。本专利技术液晶移相单元的结构特点也在于：所述上层介质基板和下层介质基板都是边长为D，厚度为t1的正方体结构。本专利技术液晶移相单元的结构特点也在于：所述金属微带结构包括：处在所述上层介质基板的上表面的上层金属贴片和处在上层介质基板的下表面的中间层金属贴片，所述上层金属贴片和中间层金属贴片大小和形状相同，处在上下相对的位置上，是长度为L、宽度为W、厚度为t0的长条形状；在所述上层介质基板的下表面、与所述下层金属贴片呈“十”字交叉刻蚀一条宽度为w、厚度为t0、并与所述下层金属贴片电连接的连接线；在所述下层介质基板的上表面全覆盖一层下层金属贴片作为接地电极。本专利技术液晶移相单元的结构特点也在于：通过连接线在中间层金属贴片上施加偏置电压，利用所述中间层金属贴片上施加的偏置电压和接地电极在液晶层中形成偏置电场，偏置电场使液晶层中液晶分子的排列方向发生改变，从而改变液晶层介电常数，改变反射波的相位。利用本专利技术液晶移相单元构成的相控天线的结构特点是：在由所述液晶移相单元形成的阵列中，通过在每个单元上施加不同的电压获得需要的相位分布，从而获得相应的波束指向或者实现波前赋形。与已有技术相比，本专利技术有益效果体现在：本专利技术利用液晶反射单元可以通过电控连续改变反射波的相位的特性，采用电控的方式改变移相特性，相位连续可调，可以在100-1000GHz频段工作，其加工难度小、小型化、低成本。附图说明图1为本专利技术结构示意图；图2为本专利技术中由液晶移相单元组成的阵列示意图；图3为本专利技术中液晶移相单元结构的主视图；图4为本专利技术中第一层基底下表面的贴片结构示意图；图5为本专利技术液晶移相单元纵切面示意图；图6是频率为315GHz时液晶移相单元的移相曲线；图中标号：1上层介质基板，2下层介质基板，3液晶层，4上层金属贴片，5中间层金属贴片，6下层金属贴片，7连接线。具体实施方式参见图1、图3、图4和图5，本实施例中液晶移相单元的结构形式是：由相互平行的上层介质基板1和下层介质基板2形成夹层，在所述夹层中封闭有向列型液晶形成液晶层3，在所述上层介质基板和下层介质基板的表面形成有金属微带结构，利用所述金属微带结构施加偏置电压，并在所述液晶层中形成偏置电场，使液晶层中液晶分子的排列方向发生改变，从而改变液晶层介电常数，改变反射波的相位。具体实施中，相应的结构设置也包括：上层介质基板和下层介质基板的形状大小相同。上层介质基板和下层介质基板都是边长为D，厚度为t1的正方体结构。处在所述上层介质基板的上表面的上层金属贴片4和处在上层介质基板的下表面的中间层金属贴片5，所述上层金属贴片和中间层金属贴片大小和形状相同，处在上下相对的位置上，是长度为L、宽度为W、厚度为t0的长条形状；在所述上层介质基板的下表面、与所述下层金属贴片6呈“十”字交叉刻蚀一条宽度为w、厚度为t0、并与所述下层金属贴片电连接的连接线7；在所述下层介质基板的上表面全覆盖一层下层金属贴片作为接地电极。通过连接线在中间层金属贴片上施加偏置电压，利用所述中间层金属贴片上施加的偏置电压和接地电极在液晶层中形成偏置电场，偏置电场使液晶层中液晶分子的排列方向发生改变，从而改变液晶层介电常数，改变反射波的相位。参见图2，利用本实施例中液晶移相单元构成的相控天线是在由所述液晶移相单元形成的阵列中，通过在每个单元上施加不同的电压获得需要的相位分布，从而获得相应的波束指向或者实现波前赋形。具体实施中，液晶层的厚度为t2，在液晶层的周围用环氧树脂进行密封，并在液晶层的上表面和下表面用聚酰亚胺膜定向；下层金属贴片是制作在上层介质基板的下表面上的偶极子金属贴片，连接线与下层金属贴片在同一平面上呈“十”字交叉，厚度均为t0，上层介质基板和下层介质基板采用石英制成。本专利技术通过连接线在金属贴片上施加电压，从而在液晶层中形成电场。向列型液晶分子的指向在电场中作用下会改变，液晶的介电常数也会因此改变。通过在液晶层上施加偏压可以改变液晶材料的电特性，从而改变移相单元表面的反射波的相位。通过对液晶移相单元进行仿真测试后获得相应的相移曲线，便可以通过控制电压来获得需要的相位补偿。在液晶移相单元形成的阵列中通过在每个单元上施加不同的电压来获得需要的相位分布，从而获得相应的波束指向。本专利技术中采用偶极子金属贴片结构，在获得了需要的性能的同时简化了结构，使得制作工艺更加简单。利用上层金属贴片更进一步优化了移相单元的移相特性，增加了单元的移相范围，优化移相单元的性能。具体应用中设置：D＝420um，t1＝250um；液晶层中液晶选择型号为GT3-23001的向列型液晶，液晶层厚度t2为25um；上层金属贴片、中间层金属贴片、下层金属贴片以及连接线均以金属铜为材质，厚度均为1um；L＝225um，W＝35um，w＝5um，移相单元的中心工作频率为31本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种液晶移相单元，其特征是：由相互平行的上层介质基板和下层介质基板形成夹层，在所述夹层中封闭有向列型液晶形成液晶层，在所述上层介质基板和下层介质基板的表面形成有金属微带结构，利用所述金属微带结构施加偏置电压，并在所述液晶层中形成偏置电场，使液晶层中液晶分子的排列方向发生改变，从而改变液晶层介电常数，改变反射波的相位。

【技术特征摘要】
1.一种液晶移相单元，其特征是：由相互平行的上层介质基板和下层介质基板形成夹层，在所述夹层中封闭有向列型液晶形成液晶层，在所述上层介质基板和下层介质基板的表面形成有金属微带结构，利用所述金属微带结构施加偏置电压，并在所述液晶层中形成偏置电场，使液晶层中液晶分子的排列方向发生改变，从而改变液晶层介电常数，改变反射波的相位。2.根据权利要求1所述的液晶移相单元，其特征是，所述上层介质基板和下层介质基板的形状大小相同。3.根据权利要求1所述的液晶移相单元，其特征是：所述上层介质基板和下层介质基板都是边长为D，厚度为t1的正方体结构。4.根据权利要求1所述的液晶移相单元，其特征是：所述金属微带结构包括：处在所述上层介质基板的上表面的上层金属贴片和处在上层介质基板的下表面的中间层金属贴片，所述上层金属贴片和中间层...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨军，蔡成刚，叶明旭，尹治平，邓光晟，陆红波，阮久福，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34