可电子地操纵的平面相控阵列天线制造技术

给出了一种二维(2D)波束可操纵相控阵列天线，包括可连续电子操纵的材料，该材料包括可调谐材料或可变电介质材料，优选为液晶材料。提出了包括贴片天线阵列、可调谐移相器、馈送网络和偏置网络的紧凑型天线架构。类似于LC显示器，所提出的天线通过使用自动制造技术来制造，且因此，制造成本显著减小。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】可电子地操纵的平面相控阵列天线
给出了一种二维(2D)波束可操纵相控阵列天线，其包括可连续电子地操纵的材料，该材料包括可调谐材料或可变电介质材料，优选为液晶材料。提出了一种紧凑型天线架构，其包括贴片天线阵列、可调谐移相器、馈送网络和偏置网络。类似于LC显示器，所提出的天线通过使用自动制造技术来制造，且制造成本因此极大地降低。
技术介绍
本专利技术涉及相控阵列天线。具体而言，本专利技术涉及基于可电压调谐移相器的可电子地操纵相控阵列天线，该移相器的低损耗电介质材料可用所施加的电压来调谐。近些年来，由于广播卫星服务的迅速发展，对于移动终端，对可操纵天线的需求急剧增加。无线互联网、多媒体和广播服务从在L波段、Ku波段或K/Ka波段上运行的卫星通过可操纵天线提供给例如移动的交通工具(如汽车或飞机或轮船)或甚至是类似于移动TV或GPS的其他便携装置。可操纵天线可改变其主波束方向，以便确保主波束持续指向卫星。市场上的大多数可操纵天线是机械控制的。借助由电动机驱动的机械系统的辅助，天线方位在垂直面和方位面上受到调节。某些其他类型的天线系统使用混合式方法，类似于垂直面内的电子地操纵和方位面内的机械调节。由于使用机械系统，这些类型的移动终端笨重、具有相对较慢的波束操纵速度(即45°/s)、对于重力敏感且需要高维护成本。它们主要用于军事应用，且对于审美外观为关键要求的移动终端、即对于汽车行业并非优选。相控阵列天线是公知类型的可电子地操纵的天线(ESA)中的一种，其相比于可机械操纵的天线快速、紧凑、可靠且易于维护。其包括RF馈送/分布网络、可电子地调谐的移相器、发送/接收模块(用于有源阵列)以及辐射元件。各个辐射元件或辐射元件组的相位被可电子地调谐移相器调节为预定相位值，从而将辐射相位波前以规定的方向倾斜。这些天线是低重量且薄型的，而挑战在于由于其昂贵的电子装置所引起的相应的终端的高价格。可电子地调谐的移相器关于ESA的性能、成本和维度扮演了实质性角色。对可调谐移相器的RF性能进行量化的常用参数为移相器的依赖于频率的品质因数(FoM)。其通过所有调谐状态下最大微分相移和最高插入损耗的比率来定义。通常，目的在于获得带来高的FoM的、伴有最低插入损耗的最高可能微分相移。在现有技术中，用于可电子地调谐的移相器的技术方法包括微机电系统(MEMS)、半导体和可连续调谐电介质，例如钛酸锶钡(bariumstrontiumtitanate)(BST)和液晶(LC)。这些技术已经在例如可调谐性、功耗、响应时间和成本的不同方面进行比较。基于移相器的MEMS的现有技术的FoM大约为50°/dB到100°/dB。基于半导体的单片式微波集成电路(MMIC)移相器在＞20GHz的微波频率下具有40°/dB到70°/dB左右的FoM。类似地，基于BST的移相器对于上至10GHz的频率具有相对较高的性能(FoM为大约40°/dB到90°/dB)。液晶(LC)是另一种可能的可调谐电介质，其可用于高微波和毫米波应用。LC是具有低介电损耗的可连续调谐的材料。在实际应用中，其可调谐性可得到控制，即施加具有低功耗的偏置电压。其可调谐性定义为在施加的电压下介电常数中的分数变化。LC的有效介电常数依赖于分子关于RF场的取向。分子的希望的取向，即平行或垂直于RF场，可通过使用静电场或表面处理来实现。现有技术的基于微带线的LC移相器的FoM在20GHz下大约为110°/dB，且基于部分填充波导的LC移相器的FoM为200°/dB。薄型二维可操纵的阵列可在“贴片”架构中制造，其中，可电子地调谐的移相器安装在与辐射元件平行的另一层上。对于这样的大阵列(即具有16×16辐射元件的)，可电子地调谐的移相器的紧凑性成为问题。各个移相器或移相器组必须在有限的面积上制造。另外，它们必须个体地得到偏置，以便在垂直面和方位面二者之中对天线主波束进行操纵。基于MEMS或半导体的移相器需要多于一条的偏置线，取决于其微分相移分辨率。例如，3位移相器必须用三条偏置线来偏置。另一方面，当使用基于可调谐电介质的移相器时，需要仅仅一条偏置线。然而，具有360°微分相移的可电调谐移相器的紧凑型设计仍然是一项挑战。另外，由于大的ESA的紧凑型设计，为了不降低天线性能，必须防止可电子地调谐移相器和其他部件之间的耦合。在US20090091500中，给出了LC对于天线的可能的应用。然而，例如个体地对可调谐移相器进行偏置以及将RF信号馈送到天线的实际问题尚未讨论。另外，在本专利技术的范围内已经做出特殊的努力，以便设计紧凑型移相器并防止辐射元件与馈送网络之间的不希望的耦合。类似地，其他基于可变电介质的天线阵列在US6759980、US6864840中讨论，然而，用于各个天线元件的个体移相器必须一个元件又一个元件地安装到不同的基材。本专利技术在均匀的基材上集成了移相器，且允许使用液体可调谐电介质。US7,361,288和WO2011/036243公开了将液晶用作可操纵电介质的高频技术用部件。然而，这不是平面装置。如这些专利文件中介绍的这种移相器不能用于制造薄型天线。为高频技术应用开发的特殊液晶在例如WO2011/009524和WO2011/035863中公开。专利技术优点能通过使用自动制造技术制造的低成本、轻重量、可电子地操纵的相控阵列是例如汽车、飞机和雷达等移动终端感兴趣的。天线主波束方向可被连续操纵，以便经由卫星在移动交通工具上同时提供服务，例如无线互联网或广播。薄型天线的平面性和审美外观必须保持，因为这些是其他的关键性问题(即，对于汽车行业)。这样的天线需要紧凑、低损耗、可电子地调谐的移相器，其能集成到辐射元件和馈送网络。偏置网络是必需的，通过该网络，可对所有移相器个体地进行偏置。这样的可电子地操纵天线是本专利技术的主题。
技术实现思路
本专利技术提供了一种薄型可电子地操纵的平面相控阵列天线，其主波束可在一个或两个维度上连续操纵。天线包括输入、馈送网络、至少一个功率分配器(合并器)、至少一个可电子地调谐的移相器、偏置网络和至少两个辐射元件。可电子地操纵的相控阵列天线包括至少三个电介质基材的层叠，所述至少三个电介质基材优选为均匀的电介质基材，其中的至少两个是固体的并可承载多个电极。阵列天线的个体元件至少包括可电子地调谐的移相器、偏置网络和辐射元件。移相器电极被分组，以形成所述多个个体天线元件，而一个均匀的基材可承载用于任何数量的天线元件的电极。基材也可承载用于馈送网络的电极。液体或固体的连续可变电介质被两个上面提到的固体电介质基材夹在中间。使用可变电介质基材的可电子地调谐的移相器由此集成到天线中。可变电介质基材的介电常数连续受到控制，且移相器的电气特性连续受到控制，以实现用于连续波束操纵的、辐射元件之间的希望的微分相移，故天线可在垂直面和方位面中受到调节。在一实施例中，天线包括多个功率分配器和/或多个可电子调谐移相器和/或多个辐射元件。可电子操纵的相控阵列天线被构建为至少三个电介质材料的层叠。这些材料是前电介质基材(固体)、可变电介质(固体或液体)以及后电介质基材(固体)。本专利技术的主要优点之一在于，移相器和所有其他部件不是预先制造并在构建天线时组装为庞大的一个，相反，它们在三个上面提到的基材上同时制造。基于平面传输线(优选为微带线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种平面可连续操纵相控阵列天线，包括：馈送网络，至少一个包括电极的移相器，偏置网络，至少两个辐射元件，其中，移相器包括可电子地变化的电介质材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.09.27 EP 11182926.31.一种平面可连续操纵相控阵列天线，该相控阵列天线从上到下包括至少三个基材层：固体的前电介质基材层、固体的后电介质基材层和在前电介质基材层和后电介质基材层之间的能够电子地变化的电介质基材层，并且该相控阵列天线还包括：馈送网络，至少一个包括电极的移相器，偏置网络，至少两个辐射元件，其中，辐射元件在前电介质基材层的上侧，移相器被集成在该相控阵列天线中并且移相器是能够通过利用电介质基材层被电子地调谐的，并且移相器的电极是位于后电介质基材层的上侧的平面传输线并且也能够将信号馈送到辐射元件。2.根据权利要求1所述的相控阵列天线，其中，至少一个层包括均匀的基材。3.根据权利要求1所述的相控阵列天线，其中，移相器的能够电子地变化的电介质基材为液晶和/或钛酸锶钡。4.根据权利要求1所述的相控阵列天线，其中，移相器电极被规则或不规则地弯曲。5.根据权利要求1所述的相控阵列天线，其中，移相器电极被螺旋状布...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·杰考比，F·高尔登，O·H·卡拉拜伊，真边笃孝，
申请(专利权)人：默克专利股份有限公司，达姆施塔特工业大学，
类型：发明
国别省市：德国;DE