基于子阵划分的K波段二维波束扫描液晶反射阵列

本发明属于微波天线，具体涉及一种基于子阵划分的k波段二维波束扫描液晶反射阵列。

背景技术：

1、液晶是一种介于固态和液态之间的物质，具有双折射特性，通过施加在液晶盒上的电场或磁场的调制可以实现液晶的双折射特性，目前已经被广泛应用于可见光波段。液晶材料在更长的波段内任然保持着相当强的介电各向异性。作为可重构反射阵列天线的主要组成部分，反射阵列移相单元的性能好坏直接影响天线的性能。

2、液晶反射移相单元利用液晶材料介电常数电控可调的性质来实现对反射电磁波相位的控制。当反射阵列单元金属贴片外加偏置电场时，金属贴片与接地板之间会形成电场，造成液晶分子的排列方向会随着电压的大小变化而有序变化，使得液晶材料的等效介电常数发生改变，从而改变单元中贴片的谐振频率，进而发生相移的变化。

3、子阵划分将阵列天线划分成若干个子阵，每个子阵的内部阵元共用一个收发通道和控制器件，因此，采用子阵划分技术可以有效地减少控制点的使用。

4、中国专利申请“基于液晶的太赫兹二维电控波束扫描阵列天线”和“一种太赫兹反射式二维扫描阵列天线”公开了三种子阵划分方式，2×2、3×3和2×4的子阵；这些子阵划分方式确实能够在设计上减少馈电网络的数量，对于2×2和3×3的子阵来说能够减少75％和89％的馈电线的数量，但是这种划分方式会限制波束的极限扫描范围；以3×3为例，该子阵划分方式能够减少89％的馈电数量，但其e面扫描角度为-28°到28°，h面扫描角度为26°到69°，影响了波束的极限扫描角度。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于子阵划分的k波段二维波束扫描液晶反射阵列，采用新型子阵划分方式，在减少馈电线数量的同时保证其最大角度扫描。

2、本发明所提出的技术问题是这样解决的：

3、一种基于子阵划分的k波段二维波束扫描液晶反射阵列，包括上层介质基板、微带电路层、封胶框、液晶层、接地板、下层介质基板、偏置网络和馈源结构；

4、馈源结构位于上层介质基板的上方且留有间距，朝向上层介质基板的上表面中心位置；微带电路层位于上层介质基板的下表面，由n×n二维周期排布的金属贴片组成，n为正整数；上层介质基板和下层介质基板平行，接地板满覆下层介质基板的上表面；封胶框围绕下层介质基板的上表面四周边缘且与上层介质基板连接，形成密封的液晶盒，液晶盒内填充有液晶层；

5、金属贴片及对应位置的液晶层、接地板作为液晶移相单元；液晶移相单元由中心向外依次划分为中心区域、中间区域和外围区域；对于中心区域，3×3的液晶移相单元作为一个液晶移相单元组；对于中间区域，2×2的液晶移相单元作为一个液晶移相单元组；对于外围区域，单个液晶移相单元作为一个液晶移相单元组；

6、偏置网络为若干个直流偏置线，通过外部直接对直流偏置线加电压；直流偏置线连接至各液晶移相单元组，用于控制各液晶移相单元组的偏置电压。

7、进一步的，上层介质基板和下层介质基板均采用rogers4350，相对介电常数为3.66，损耗角正切为0.004，厚度为1.016mm。

8、进一步的，金属贴片呈对称结构，包括“工”型偶极子、开口方形环结构和横向微带枝节；以“工”型偶极子的纵向枝节方向作为x轴方向，横向枝节方向作为y轴方向；开口方形环结构由方形环在x方向上截断得到；“工”型偶极子位于开口方形环结构的内部；横向微带枝节与y轴平行，贯穿开口方形环结构和“工”型偶极子的中心位置。

9、进一步的，对于中间区域和外围区域的液晶移相单元组，各液晶移相单元中的金属贴片，同一行的横向微带枝节连接，相邻两行之间的横向微带枝节头尾末端分别通过纵向微带枝节连接。

10、进一步的，中间区域的横向微带枝节和纵向微带枝节呈矩形环结构，外围区域的横向微带枝节和纵向微带枝节呈“曰”字型结构。

11、进一步的，液晶层的厚度为0.254mm，相对介电常数的变化范围为2.4～3.2。

12、本发明的有益效果是：

13、本发明所述阵列中液晶移相单元采用“工”双偶极子结构，能够有效的减小单元面积，实现贴片层结构的小型化；结构在x方向和y方向具有良好的对称性，同时该结构有多个参数可调，对“工”型结构来说，可以在保持单元尺寸的条件下调节w1和d1两个参数来调节低频点的谐振频率，对于x方向截断的方环，也可以在保持单元尺寸的情况下通过调节lx2参数实现高频点的频率调节，通过上述参数和其他参数的调节，可以实现理想的反射特性曲线。相比于经典的双偶极子移相单元，“工”双偶极子结构单元的尺寸更小，并且在都是两个谐振点的情况下，“工”型双偶极子的其他参数性能相比双偶极子也有提高，获得了更大的相位带宽和更高的移相量。

14、本发明所述阵列中子阵划分的分布方式分为三个部分，三个部分分别对应单个液晶移相单元，2×2子阵单元和3×3子阵单元；外围部分采用单个液晶移相单元以提高相位补偿精度，从而提升阵列增益，降低副瓣电平，中间部分和中心部分分别采用2×2和3×3的子阵阵列来减少馈线数量；通过这种新型子阵划分方式，馈线数量减少了57％，同时能够在±40°范围内实现二维波束扫描。相比于现有技术的子阵划分方式，本发明在减少馈电线数量的同时保证了其求大角度扫描。

技术特征：

1.一种基于子阵划分的k波段二维波束扫描液晶反射阵列，其特征在于，包括上层介质基板、微带电路层、封胶框、液晶层、接地板、下层介质基板、偏置网络和馈源结构；

2.根据权利要求1所述的基于子阵划分的k波段二维波束扫描液晶反射阵列，其特征在于，上层介质基板和下层介质基板均采用rogers4350，相对介电常数为3.66，损耗角正切为0.004，厚度为1.016mm。

3.根据权利要求1所述的基于子阵划分的k波段二维波束扫描液晶反射阵列，其特征在于，金属贴片呈对称结构，包括“工”型偶极子、开口方形环结构和横向微带枝节；以“工”型偶极子的纵向枝节方向作为x轴方向，横向枝节方向作为y轴方向；开口方形环结构由方形环在x方向上截断得到；“工”型偶极子位于开口方形环结构的内部；横向微带枝节与y轴平行，贯穿开口方形环结构和“工”型偶极子的中心位置。

4.根据权利要求3所述的基于子阵划分的k波段二维波束扫描液晶反射阵列，其特征在于，对于中间区域和外围区域的液晶移相单元组，各液晶移相单元中的金属贴片，同一行的横向微带枝节连接，相邻两行之间的横向微带枝节头尾末端分别通过纵向微带枝节连接。

5.根据权利要求4所述的基于子阵划分的k波段二维波束扫描液晶反射阵列，其特征在于，中间区域的横向微带枝节和纵向微带枝节呈矩形环结构，外围区域的横向微带枝节和纵向微带枝节呈“曰”字型结构。

6.根据权利要求1所述的基于子阵划分的k波段二维波束扫描液晶反射阵列，其特征在于，液晶层的厚度为0.254mm，相对介电常数的变化范围为2.4～3.2。

技术总结本发明公开了一种基于子阵划分的K波段二维波束扫描液晶反射阵列，属于微波天线技术领域。本发明所述方法采用新型子阵划分的分布方式分为三个部分，三个部分分别对应单个液晶移相单元、2×2子阵单元和3×3子阵单元；阵列外围部分采用单个液晶移相单元以提高相位补偿精度，从而提升阵列增益，降低副瓣电平，中间部分和中心部分分别采用2×2和3×3的子阵阵列来减少馈线数量。本发明通过新型子阵划分方式，馈线数量减少了57％，同时能够在±40°范围内实现二维波束扫描。技术研发人员：张天良,后万鹏,王磊松,井姝棋,文宇凡,黄麒霖,陇悦琨,刘继辉受保护的技术使用者：电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20