[发明专利]基于液晶的太赫兹开槽移相单元及其构成的相控阵天线

说明书

本发明公开了一种基于液晶的太赫兹开槽移相单元及其构成的相控阵天线，开槽移相单元包括有上、下两层介质基板，上、下两层介质基板的间隙中注入有液晶层，上层介质基板下侧设有金属微带贴片电极，下层介质基板上侧设有金属接地电极；金属微带贴片电极包括金属层，金属层的中部开设有矩形开槽，位于矩形开槽两端的金属层的边缘上对称开设有条形分割开槽；相控阵天线包括多个开槽移相单元，开槽移相单元以上、下两层介质基板的边长为周期平铺，组成相控阵天线。本发明具有加载电路简单、小型化、制造成本低、相位连续可调等特点。

技术领域

本发明属于太赫兹领域的成像、雷达、卫星通信领域，特别涉及一种基于液晶的太赫兹开槽移相单元及其构成的相控阵天线。

背景技术

与传统得机械扫描式天线相比，电扫描相控阵天线具有更加迅速精确的波束扫描能力。可以实现更远的目标搜索以及更加稳定可靠的性能。

微带阵列反射面天线综合了传统的抛物面天线和微带阵列天线的优点。可在亚毫米波和太赫兹范围内产生准直波束。具有很高的辐射效率以及较宽的波束扫描角度。微带阵列反射面天线研究的核心在于如何设计每个单元的结构和尺寸，使之对入射波实现特定的相位补偿，从而形成特定的波束。传统的微带反射阵列天线主要有以下几种设计方法，一是通过改变微带贴片的结构尺寸来实现相位补偿；二是通过在不同贴片上加载不同长度的相位延迟线来补偿相位；三是通过对贴片单元旋转不同的角度来获得不同的相位补偿；四是通过在贴片下的基板上加载缝隙来实现相移。

上述的方法中微带阵列的结构选定后无法调整，使得天线的波束指向也就确定了，无法令扫描角度发生变化。通常通过给每个阵元添加一个移相器，实现通过电控等方式控制移相单元的相移。传统的移相器有变容二极管移相器、铁氧体移相器、PIN二极管移相器、MEMS移相器等。变容二极管在高频段的寄生特性比较严重，仅能运用于低频段；铁氧体移相器的移相特性易随外界环境迁移，难以精确控制；MEMS移相器有需要精密的加工技术，实现难度大、制造成本过高等缺点；而基于PIN二极管的高位移相器需占用较大面积，必然会加大阵元之间的间距，恶化天线的栅瓣指标。因器件高频性能（变容二极管）、加工难度（MEMS）、电路面积（PIN二极管）等多种因素的制约，以上几种反射式相控阵列的工作频率一般在W波段以下，难以胜任更高频率的工作。

随着太赫兹领域的发展，反射阵列作为功能强大的波束形成平台，得到了广泛的研究。太赫兹频率下，可调电磁材料如铁电膜，液晶，甚至石墨烯等新材料都可以用作构建反射阵列元件的一部分，以达到相同的移相效果。可调电磁材料设计的反射阵列，采用了相对应的简单结构而实现了高增益，同时提供相控阵列的快速自适应波束成形能力。由于不需要像传统相控阵列那样的传输线馈电网络，调控也是方便的。收发器数量的大大减少，得到比传统相控阵列更低的成本。

目前的液晶电可控移向结构通常先设计移相单元，后通过连接线来对移相结构馈电。此过程中如果采用宽的连接线则会对移向性能造成很大影响，无法在大范围内实现很好的移相性能。而采用窄的连接线则会使得加工难度提高，成品率下降，以及加载电阻增加，电压分布不均匀等。此外，对于移相单元，如果结构过小，对液晶覆盖面不足，则会导致液晶层中的电场分布不均匀。

发明内容

本发明提供了一种基于液晶的太赫兹开槽移相单元及其构成的相控阵天线，该液晶移相单元可以工作在高达100GHz以上的太赫兹频段，并具有优异的性能，移相单元构成的反射面天线实现一维大角度连续扫描。

本发明采用的技术方案是：