共形液晶光学相控阵天线及其波控方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种共形液晶光学相控阵天线及其波控方法和装置，应用于自由空间激光通信、激光雷达等领域；为解决现有的平面型液晶光学相控阵列天线存爱的视场范围窄、对飞行器表面空气动力学性能影响大、天线面积有限和天线安装灵活性较低等问题；本发明专利技术的共形液晶光学相控阵天线的核心器件采用共形的设计方案，以形成共形液晶光学相控阵列天线，不仅能够达到更大的角覆盖范围，还能够降低天线对通信终端空气动力学性能的影响；本发明专利技术的共形液晶光学相控阵具备较大大波束扫描范围，能实现更宽的空域角度覆盖。

【技术实现步骤摘要】
共形液晶光学相控阵天线及其波控方法和装置
本专利技术属于自由空间激光通信、激光雷达等领域，特别涉及一种液晶光电子器件与激光相控技术。
技术介绍
激光相控体制在自由空间光通信、激光雷达领域得到越来越广泛的应用，目前国内外研究的激光空间扫描控制方法有机械式和非机械式两种。机械式方法具有响应速度慢、控制精度低和灵活性较差等缺点，难以满足快速捕获、高精度跟踪、快速捷变的应用需求；非机械式方法中，液晶光学相控阵(LCOPA)采用驱动电压低、相位调制深度大的液晶作为相位调制的电光材料，其具备指向精度高、驱动电压低、有效像素多等优势，成为激光相控技术的重要研究方向。平面型液晶光学相控阵列天线的波束扫描范围受到单元天线尺度和结构(包括液晶盒形状、厚度、大小、阵列单元尺寸等)的因素影响，使得平面相控阵天线视场范围窄(约±3°)、对飞行器表面空气动力学性能影响大、天线面积有限和天线安装灵活性较低等缺点。由于卫星激光通信系统对光束扫描覆盖范围有更宽的要求，以实现高性能的激光通信系统，这需要采用更大角覆盖、更灵活稳定的新型液晶光学相控阵天线。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提出一种共形液晶光学相控阵天线，采用共形设计的基板；根据搭载平台的外形来设计，使阵列天线的表面与工作平台的外形相吻合。为解决上述技术问题，本专利技术提出一种共形液晶光学相控阵的光学装置，增大了波束扫描范围，实现更宽的空域角度覆盖。为解决上述技术问题，本专利技术还提出一种共形液晶光学相控阵的波控方法，通过计算得到所要加载在相控单元上的驱动电压，从而完成对入射激光光束的指向扫描。本专利技术采用的技术方案之一为：一种共形液晶光学相控阵天线，包括：形状一致的弧形上基板和弧形下基板，以及夹在弧形上基板和弧形下基板之间的液晶。所述上基板和下基板上均包含有取向层和电极层。所述上基板的电极层为公共电极。所述下基板的电极层为光栅阵列电极。本专利技术采用的技术方案之二为：一种共形液晶光学相控阵的波控方法，通过计算出各辐射单元的相移量和扫描角度的关系，得到所要加载在相控单元上的驱动电压，从而完成对入射激光光束的指向扫描。所述相移量计算过程为：以O为圆弧形共形液晶光学相控阵天线的圆心，R为半径，设该圆弧形共形液晶光学相控阵天线由2N+1个相控单元组成，孔径中心为第0个相控单元，左右对称分布N个相控单元；各相控单元沿圆弧等间隔排列，相邻两个相控单元中心点与圆心O连线的夹角α相等，相邻两个相控阵单元中心点的距离d相等，每个相控单元均指向相同的扫描方向θs，以第0个相控单元为参考相位，即第0个相控单元的相控单元相移量(Δφ)0＝0，则各相控阵单元的相对于第0个单元的相移值为：其中，k为真空波数，i为相控单元的位置，负号表示该相控单元位置位于波束扫描方向同侧，正号表示该相控单元位置位于波束扫描方向反侧。本专利技术采用的技术方案之三为：一种共形液晶光学相控阵的光学装置，包括：激光器、聚焦透镜和上述共形液晶光学相控阵天线。所述共形液晶光学相控阵天线中心的激励源为球面波，该激励源满足对各辐射单元一致的同相位激励。在所述光栅阵列电极上加载对应的量化电压。该电压通过方案二的一种共形液晶光学相控阵的波控方法计算得到；从而实现纯相位调制，最终实现对入射波束的大角度扫描。本专利技术的有益效果：本专利技术的共形液晶光学相控阵天线的核心器件采用共形设计的基板，其形状可以根据搭载平台的外形来设计，使阵列天线的表面与工作平台的外形相吻合，有利于提高天线的有效利用面积、增加天线口径，有利于降低天线对平台性能的影响，提高系统的稳定性。更优地，本专利技术的共形液晶光学相控阵能够增大波束扫描范围，实现更宽的空域角度覆盖。附图说明图1为本专利技术结构及实施例一提供的共形液晶光学相控阵天线的结构示意图；图2为本专利技术实施例二提供的共形液晶光学相控阵天线波控原理示意图；图3为本专利技术实施例三提供的共形液晶光学相控阵光学装置的结构示意图。具体实施方式为便于本领域技术人员理解本专利技术的
技术实现思路
，下面结合附图1-3对本
技术实现思路
进一步阐释。实施例一如图1所示为本专利技术及实施例一提供的共形液晶光学相控阵天线的结构示意图，该共形液晶光学相控阵天线包括：相对设置且形状一致的弧形上基板21和弧形下基板27，上基板21面向下基板27的一侧形成有公共电极22，下基板21形成有公共电极22的这侧形成一层取向层23；下基板27面向上基板21的一侧形成有光栅阵列电极25，光栅阵列电极25之间形成有一定间隔，下基板27形成有光栅阵列电极25的这侧形成一层取向层26；取向层23与取向层26之间填充有液晶24。需要注意的是：本专利技术中的上基板21和下基板27的弧形结构为本专利技术的一种特例。而共形概念上的相控阵，其基板的形状可以根据搭载天线的平台(如飞机、卫星等)的外形不同而改变。故此，本专利技术所述的共形液晶光学相控阵可以拓展至球面形状、圆锥面形状、椭球面形状、抛物面形状、多平面形状等等多种几何曲面结构。上基板21与下基板27的材质为玻璃，图1中采用进行表示。实施例二如图2所示，为一以圆弧形为特例的共形液晶光学相控阵，该器件能够实现共形的特性并达到大角度的波束扫描。为实现上述目的，本专利技术提供一种共形液晶光学相控阵的波控方法，该方法能够计算出各辐射单元的相移量和扫描角度的关系。对共形液晶光学相控阵采用纯相位调制的方式，加载不同的量化电压产生一定的相移量Δφ(Δφ为液晶光学相控阵天线相邻相控单元的相位跃迁量)，使其出射波阵面为类似闪耀光栅的相位台阶。根据共形液晶相控阵的电压—相移曲线，可以得到每个单元上加载的电压。为此，需先求得各相控单元的相移值(Δφ)i。在图2中，以O为圆弧形液晶光学相控阵的圆心，R为半径。设该圆弧形液晶光学相控阵由2N+1个相控单元组成，孔径中心为第0个相控单元，第0个相控单元左右对称分布N个相控单元。假设将圆弧形液晶光学相控阵的圆心角Ω均匀划分为2N个角度，则各相控单元均为等间距分布且以间隔α沿圆周排列，α＝Ω/2N。若相邻单元的间距为d，则d约等于角度α所对应的圆弧长度，即d＝Rα。设每个单元均指向相同的扫描方向θs，以正中间的单元为参考相位，即(Δφ)0＝0，则由图所示的几何关系可以推导出各单元的相对于第0个单元的相移值为其中，θs为波束扫描角度，k为真空波数，R为圆形液晶相控阵半径，α为两单元之间所夹的圆心角，i为相控单元的位置。负号表示该相控单元位置位于波束扫描方向同侧，正号表示该相控单元位置位于波束扫描方向反侧。其中，部分相控单元的相移值超前于第0个单元，而部分相控单元的相移值滞后于第0个单元。为形成闪耀光栅的相位分布，将最小相移值的相控单元置为0，所有单元的相移值减去最小相移值，且保证一个光栅周期内的最大相位延迟值不超过2π。如此可以得到处理后的所有单元的相移值，再根据电压—本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种共形液晶光学相控阵天线，其特征在于，包括：形状一致的弧形上基板和弧形下基板，以及夹在弧形上基板和弧形下基板之间的液晶。/n

【技术特征摘要】
1.一种共形液晶光学相控阵天线，其特征在于，包括：形状一致的弧形上基板和弧形下基板，以及夹在弧形上基板和弧形下基板之间的液晶。


2.根据权利要求1所述的一种共形液晶光学相控阵天线，其特征在于，所述上基板和下基板上均包含有取向层和电极层。


3.根据权利要求2所述的一种共形液晶光学相控阵天线，其特征在于，所述上基板的电极层为公共电极。


4.根据权利要求3所述的一种共形液晶光学相控阵天线，其特征在于，所述下基板的电极层为光栅阵列电极。


5.一种共形液晶光学相控阵的光学装置，其特征在于，包括：激光器、聚焦透镜和权利要求1-4任一所述的共形液晶光学相控阵天线。


6.根据权利要求5所述的一种共形液晶光学相控阵的光学装置，其特征在于，所述共形液晶光学相控阵天线中心的激励源为球面波，该激励源满足对各辐射单元一致的同相位激励。


7.根据权利要求5所述的一种共形液晶光学相控阵的光学装置，其特征在于，在所述光栅阵列电极上加载对应的量化电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪相如，吴亮，熊彩东，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51