一种双波束、二维扫描的液晶相控阵

本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种双波束、二维扫描的液晶相控阵。

背景技术：

1、为满足移动终端在 l、c、ku、ka 或 w 波段运行的多种服务，如无线互联网、多媒体、通信和广播服务，电子可重构毫米波系统以其小体积、多功能、频谱效率高、灵活性强等优点成为当前的研究热点，用于工业地面站应用，包括机载，船载或汽车等移动终端。常用于相控阵波束扫描的技术方法包括射频微机电系统(rf mems)，半导体解决方案和铁电体，如钛酸钡锶(bst)。另一种方法是使用在高频段具有低损耗的液晶材料。这些方法中，液晶在寿命、连续性和封装方面优于mems；在频率范围和偏置电压方面优于bst，是研制波束扫描相控阵的理想材料。受益于液晶显示面板的成熟制造工艺，液晶相控阵在制造成本上也具有独特优势。第三代合作关系和新无线电波段中，具有成本竞争力和高性能的液晶基相控阵模块能够支持波束赋形和波束转向的能力，是新兴小单元基站和客户端设备的关键技术。因此，研究适用于各种移动终端的液晶相控阵对于无线通信系统来说具有十分重要的意义。

2、液晶相控阵体积小、质量轻、功耗低，满足现代通讯设备的轻薄化和低功耗需求。并且，由于液晶的电调特性，可以实现连续的方向图扫描。然而，普通液晶相控阵的增益一般都很低。因为在方向图扫描时，大角度的扫描通常需要很长的液晶微带线来提供天线辐射单元间较大的相位差，这将给相控阵带来巨大的损耗。除此之外，多个液晶直流偏置线的引入也会造成较高的损耗。普通液晶相控阵通常还具有成本高、难集成和响应较慢的缺点。

3、需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本技术的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种双波束、二维扫描的液晶相控阵。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种双波束、二维扫描的液晶相控阵，包括上基板、下基板、设置于所述上基板和所述下基板之间的液晶介质和设置于所述液晶介质的上方与下方的取向层、布置在所述下基板的上表面的共面波导传输线和慢波液晶移相馈电网络、布置在所述上基板的上表面的多个缝隙耦合贴片天线单元、以及布置在所述上基板的下表面的金属地；其中，所述共面波导传输线连接所述慢波液晶移相馈电网络，所述金属地上开设有多个耦合缝隙，所述慢波液晶移相馈电网络的各慢波液晶移相器通过耦合缝隙与各缝隙耦合贴片天线单元对应耦合，各缝隙耦合贴片天线单元通过相应的慢波液晶移相器独立调控，以实现双波束和二维扫描。

4、进一步地，所述慢波液晶移相馈电网络包括16个慢波液晶移相器，配置成h型构造的对称馈电网络，其中每4个慢波液晶移相器一组按照h型的几何布局排列，分别布置在h型的四个臂上，每组中相邻的两个慢波液晶移相器形成方向相反的馈电信号，从而产生所需的相位差；相应地，配置有16个缝隙耦合贴片天线单元和16个耦合缝隙。

5、进一步地，所述缝隙耦合贴片天线单元为长条矩形，其长度方向与对应的慢波液晶移相器的慢波传输线的延伸方向垂直，所述16个缝隙耦合贴片天线单元形成4×4天线阵列。

6、进一步地，所述缝隙耦合贴片天线单元之间按0.25λ~1λ的间隔排列成均匀面阵。

7、进一步地，所述耦合缝隙为h型缝隙或直线型缝隙，其长度方向与对应的慢波液晶移相器的慢波传输线的延伸方向垂直。

8、进一步地，所述慢波液晶移相馈电网络还包括偏置网络、直流块以及一分十六功率分配器，16个慢波液晶移相器分别位于所述一分十六功率分配器的输出端口，所述偏置网络对称分布于所述一分十六功率分配器的两侧，所述直流块设置于每个慢波液晶移相器之前，所述偏置网络包括16根直流偏置线，且对称分布。

9、进一步地，所述共面波导传输线具有共面地，所述共面地与慢波液晶移相馈电网络的金属地不在同一平面，且交错重叠布置。

10、进一步地，所述共面波导传输线的共面金属地进行倒圆角处理。

11、进一步地，所述上基板和所述下基板为石英玻璃基板。

12、进一步地，所述取向层为聚酰亚胺薄膜。

13、在一些具体实施例中，一种基于液晶的双波束、二维扫描、高增益和易于一体化集成的液晶相控阵，包括共面波导传输线、慢波液晶移相馈电网络、缝隙耦合贴片天线单元和上、下石英玻璃基板，还包括设置于所述液晶介质上方与下方的聚酰亚胺薄膜作为液晶介质分子的取向层。

14、在一些具体实施例中，所述慢波液晶移相器馈电网络包括：液晶介质、聚酰亚胺薄膜、偏置网络、直流焊盘、直流块、一分十六功率分配器、慢波传输线。液晶介质由所述聚酰亚胺薄膜取向，固定于所述上、下石英玻璃基板之间。

15、在一些具体实施例中，所述共面波导传输线连接于一分十六功率分配器的前端，十六个慢波液晶移相器分别位于十六个缝隙耦合贴片天线单元的下方玻璃基板上，与直流块和偏置网络位于同一层。十六个缝隙耦合贴片天线单元均布于上方玻璃基板的上表面。

16、可选的，所述十六个缝隙耦合贴片天线单元同向馈电；较优地，所述十六个缝隙耦合贴片天线单元以h型馈电网络分别两两反向馈电。

17、可选地，所述直流块加载于一分四功率分配器的输出端口；较优地，所述直流块加载于一分十六功率分配器的输出端口。

18、可选地，所述偏置网络加载于一分十六功率分配器的同侧；较优地，所述偏置网络对称布置，分别位于一分十六功分器的两侧。

19、可选地，所述缝隙耦合贴片天线单元按间隔0.25λ~1λ的间隔排列成均匀面阵；较优地，所述端射天线单元按0.8λ的间隔均匀布置为平面阵。

20、可选地，所述共面波导传输线与所述上方石英玻璃基板的金属地对称布置；较优地，所述共面波导传输线与所述金属地重叠布置。

21、可选地，所述共面波导传输线的共面金属地不进行倒角处理；较优地，所述共面波导传输线的共面金属地进行倒圆角处理。

22、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

23、本发明的液晶相控阵通过创新设计实现了双波束、二维扫描、高增益以及易于一体化集成的特点，显著提升了无线通信系统的性能。通过缝隙耦合馈电的贴片天线单元设计，本发明的相控阵可进行基于液晶电调控的双波束、二维扫描，实现了在30ghz频率下的7.65dbi高辐射增益和2ghz的-10db阻抗带宽，很好地满足了二维扫描的调控需求。本发明能够在有限的物理尺寸下实现更大的相位调制范围，不仅优化了相控阵的方向图扫描能力，还有利于液晶相控阵的小型化和一体化集成加工。

24、本发明实施例的h型馈电网络利用电流的反向馈电特性，实现了优化的4×4面阵的双波束成型，增强了相控阵的灵活性和应用范围。同时，本发明解决了传统液晶相控阵增益低和损耗大的问题，实现了30ghz频率下2ghz的宽带宽和高增益，同时降低了慢波液晶移相器的插入损耗。

25、h型馈电网络与慢波液晶移相器的配合实现了低剖面的双波束、二维扫描相控阵，有利于提升液晶相控阵的灵活度，且在30ghz频率范围内可实现连续波束扫描，扫描角度达到±30°，且扫描范围内增益达到12.1dbi至15.3dbi之间。

26、综上所述，本发明的液晶相控阵以其高增益、灵活的双波束扫描能力、以及易于一体化集成的特点，为可重构毫米波系统提供了强有力的技术支撑，在无线通信领域具有广泛应用前景。

27、本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。