一种基于半导体技术的恒温液晶相控阵及其温度调控方法

本发明涉及液晶相控阵技术，特别是涉及一种基于半导体技术的恒温液晶相控阵及其温度调控方法。

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，用于军事和工业地面站应用，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。液晶显示面板拥有成熟的制造工艺，因此，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。然而，液晶相控阵的性能在很大程度上受到温度的影响。温度的变化可能导致液晶的物理特性改变，从而影响相控阵的相位控制精度、波束指向准确性和信号传输质量。

2、传统的散热或温度控制方法在效率、精度、和适应性方面存在一定的局限性，难以满足液晶相控阵在复杂工作环境和高性能要求下的温度稳定性需求。

3、液晶相控阵通常用于波束扫描和相位控制，这需要通过改变液晶分子的排列来调整电磁波的相位。液晶相控阵模块在工作过程中，会根据需要频繁地调整液晶分子的排列状态，以实现动态调控。当需要改变波束的方向或相位时，液晶分子的排列状态需要通过外加电场进行调整，在外加电场作用下重新排列，并在撤销电场后回到初始状态，从而准备下一次调整排列状态。然而，现有的液晶相控阵系统靠液晶分子自然复原，复原速度较慢，这限制了液晶相控阵调整波束方向或相位的调整速度。

4、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解决上述背景技术中存在的问题，提供一种基于半导体技术的恒温液晶相控阵及其温度调控方法。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种基于半导体技术的恒温液晶相控阵，包括液晶相控阵模块、半导体温度控制模块、温度传感器、电源以及控制单元；所述液晶相控阵模块，其包括石英玻璃上基板、石英玻璃下基板、设置于所述石英玻璃上基板和所述石英玻璃下基板之间的液晶材料、布置在所述石英玻璃下基板的上表面的馈电网络、布置在所述石英玻璃上基板的下表面的金属地、布置在所述石英玻璃上基板上的阵列单元；所述半导体温度控制模块设置于所述石英玻璃下基板的下表面，包括陶瓷上基板、陶瓷下基板、设置于所述陶瓷上基板和所述陶瓷下基板之间的金属导体、n型半导体和p型半导体，所述金属导体、所述n型半导体和所述p型半导体连接在电源回路中，通过改变电流方向实现对所述液晶相控阵模块制热或制冷；所述温度传感器经设置以检测所述液晶相控阵模块的温度；所述控制单元与所述半导体温度控制模块和所述温度传感器相连，其接收来自所述温度传感器的信号，控制所述半导体温度控制模块的工作状态以将所述液晶相控阵模块的温度调控于预设的温度范围内。

4、进一步地：

5、所述温度传感器设置在所述石英玻璃下基板与所述陶瓷上基板之间。

6、所述液晶相控阵模块和所述半导体温度控制模块由均布于所述石英玻璃下基板和所述陶瓷上基板之间的热固化胶集成。

7、在所述液晶相控阵模块的工作过程中，当监测到对液晶分子施加外加电场的电压移除后，所述控制单元控制所述半导体温度控制模块对所述液晶相控阵模块制热，以加快液晶分子恢复初始排列状态的复原过程。

8、所述液晶分子复原过程中，所述控制单元实时监测所述液晶相控阵的温度并与预设的最佳复原温度进行比较，若所述液晶相控阵的温度低于所述预设的最佳复原温度，所述控制单元控制所述半导体温度控制模块的工作状态以对所述液晶相控阵继续升温，直到达到预设的最佳复原温度。

9、所述控制单元将所述温度传感器检测的温度与预设的温度范围进行比较，若温度高于预设的温度范围的上限，所述控制单元控制所述半导体温度控制模块制冷，直至所述温度传感器检测的温度降至预设的温度范围内，若温度低于预设的温度范围的下限，所述控制单元控制所述半导体温度控制模块制热，直至所述温度传感器检测的温度升至预设的温度范围内。

10、一种所述基于半导体技术的恒温液晶相控阵的温度调控方法，包括：

11、所述温度传感器检测所述液晶相控阵模块的温度；

12、所述控制单元接收来自所述温度传感器检测的温度信号，根据所述温度信号控制所述半导体温度控制模块的工作状态，开启制热或制冷，以将所述液晶相控阵模块的温度调控于预设的温度范围内。

13、进一步地：

14、所述方法还包括：在所述液晶相控阵模块的工作过程中，当监测到对液晶分子施加外加电场的电压移除后，所述控制单元控制所述半导体温度控制模块对所述液晶相控阵模块制热，以加快液晶分子恢复初始排列状态的复原过程。

15、所述液晶分子复原过程中，所述控制单元实时监测所述液晶相控阵的温度并与预设的最佳复原温度进行比较，若所述液晶相控阵的温度低于所述预设的最佳复原温度，所述控制单元控制所述半导体温度控制模块的工作状态以对所述液晶相控阵继续升温，直到达到预设的最佳复原温度。

16、所述控制单元将所述温度传感器检测的温度与预设的温度范围进行比较，若温度高于预设的温度范围的上限，所述控制单元控制所述半导体温度控制模块制冷，直至所述温度传感器检测的温度降至预设的温度范围内，若温度低于预设的温度范围的下限，所述控制单元控制所述半导体温度控制模块制热，直至所述温度传感器检测的温度升至预设的温度范围内。

17、在本发明一些实施例中，一种基于半导体技术的温控液晶相控阵系统，包括：液晶相控阵模块，由阵列单元列、馈电网络、金属地、液晶材料和上下石英玻璃基板构成，用于实现电磁波束的相位控制和方向调整；半导体温度控制模块，包括半导体制冷陶瓷片、散热陶瓷片、金属导体、n型半导体和p型半导体，通过电流控制实现制冷或制热效果；温度传感器，分布于所述液晶相控阵模块的关键位置，实时监测温度变化；控制单元，接收来自温度传感器的信号，根据预设的温度范围，控制所述半导体温度控制模块的工作状态；电源模块，用于为系统各组件提供电能。所述半导体温度控制模块利用p型和n型半导体材料在直流电流作用下的热量吸收或释放现象，通过改变电流方向实现液晶相控阵的加热或制冷。所述温度传感器分布在液晶相控阵模块的石英玻璃基板与半导体温度控制模块的陶瓷基板之间，实时检测液晶相控阵的温度。所述控制单元基于接收到的温度信号与预设温度范围的对比，动态调节半导体温度控制模块的电流方向及强度，以维持液晶相控阵的最佳工作温度。所述系统通过闭环控制，能够在不同环境温度下维持液晶相控阵的稳定工作，并提高液晶分子的自然恢复速度。

18、本发明具有如下有益效果：

19、本发明通过在液晶相控阵系统引入半导体结构实现温度控制，不仅能够使液晶相控阵始终工作在最佳温度范围内，提供一种恒温的液晶相控阵系统，而且还能够有效解决液晶相控阵系统受环境温度变化影响和液晶分子自然复原慢的问题，实现液晶相控阵在不同稳定温度环境下的稳定运行和实现快速的自然复原响应，提高动态调控速度。本发明能够在各种温度环境下实现高精度、快速的电磁信号收发和调制。此外，半导体温度控制模块的结构紧凑，适合与液晶相控阵模块一体化集成，利于系统的小型化和便携化设计。

20、与现有技术相比，本发明的显著优点在于：

21、1. 高效精准的温度控制：利用半导体制冷技术响应速度快，能够在短时间内实现对液晶相控阵温度的精确调节，确保其始终工作在最佳温度范围内，提高性能稳定性。

22、2. 适应性强：可适应各种复杂的工作环境，无论是高温、低温还是温度变化剧烈的场合，都能有效维持液晶相控阵的正常工作。

23、3. 快速响应：通过在液晶分子复原过程中控制升温至预设的最佳复原温度，增加液晶分子的热动能，有效地缩短液晶分子自然复原的时间，有利于提高液晶相控阵在需要频繁调整波束方向或相位时的响应速度。

24、4. 小型化和集成化：半导体制冷模块结构紧凑，易于与液晶相控阵进行集成，不显著增加系统的体积和重量，有利于设备的小型化和便携化。

25、本发明的基于半导体技术的温控液晶相控阵系统通过引入半导体温度控制技术，实现对液晶相控阵工作温度的精确控制，提高了系统的稳定性和动态调控速度。该系统具有广泛的应用前景，为液晶相控阵技术的发展提供了新的解决方案。

26、本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。