[发明专利]一种基于液晶材料的折合平面反射阵天线

说明书

本发明公开了一种基于液晶材料的折合平面反射阵天线，该天线包括：馈源天线、用于极化翻转和相位补偿的主反射单元及用于极化选择的上反射单元；所述主反射单元位于所述上反射单元的下方并相距一定距离；所述主反射单元上设置有贯穿上下表面的通孔；所述馈源天线设置于所述通孔的下方。本天线无需功分器、T/R组件等，天线效率高，又因为阵面的每个微带单元都是相位调节的因素，波束赋形相对容易。因此，液晶调谐折合平面发射阵天线结合了抛物面天线和阵列天线的诸多优点，在空间、卫星通信领域应用前景广阔。

技术领域

本发明涉及天线设计领域，具体涉及一种基于液晶材料的折合平面反射阵天线。

背景技术

折合式平面反射阵天线是在传统平面反射阵天线设计概念的基础上利用光路折合的原理使反射阵天线的焦距降低为原反射阵的一半，具有低剖面、低交叉极化的优点，同时也避免了口径遮挡。在毫米波的应用中，折合反射面天线用空气馈电的方式避免了阵列天线馈电网络损耗，为高性能高增益提供了全新的解决方案，相对于相控阵天线技术，折合反射面多波束避免了大量造价昂贵的TR组件以及相当复杂的馈电网络，可极大的节省天线系统的成本，提高系统集成度。目前，折合平面反射阵天线波束扫描主要采用电子器件调谐技术来实现，其扫描速度快、偏置电压较低、直流功耗较小，成为了目前最成熟的波束扫描调控方式。但是由于电子器件射频功率容量较低，可调控电子器件存在截止频率的限制，且随着频率的提高，电子器件损耗将增大，因此电子调谐技术难以应用于高频段、大功率等场景，从而限制了其在平面反射阵中的应用。由此可见，传统的波束扫描技术已难以满足现代通信系统对天线高频段、低损耗及紧凑性等需求，液晶材料作为电子可控移相器的替代品，一经提出就受到了广泛的关注，它可以工作在很宽的频带范围内，包括毫米波和亚毫米波频段。近年来，可调相控反射阵列天线越来越受研究者的关注。相对于传统相控阵天线而言，它具有较低的成本，易于加工且物理尺寸小。

液晶是一种介于固态和液态之间的物质，在微波频段具有双折射特性及介电各向异性，在微波雷达、精确制导和无线宽带通信等领域具有巨大的发展潜力。液晶材料在较宽的频段内保持着较强的介电各向异性，通过表面取向、施加电场或磁场可改变其分子指向，来改变其介电常数，从而实现天线的波束扫描。同时，液晶材料对电场比较敏感且有较大的双折射特性，能方便的通过改变外加电场和磁场实现调谐功能，使其在太赫兹领域有着广泛的应用前景，越来越多的应用于电控移相器、滤波器、频率选择表面和可重构反射阵列天线中。

对于液晶材料在微波毫米波频段的特性研究，英国埃塞克斯大学的D.M.Syahkal教授利用有限元法对向列相液晶材料在宽带毫米波频率范围(30GHz-60GHz)进行了精确建模分析；他们采用宽带微带传输线结构和传输矩阵提取法向列相材料的特性进行准确测试，得到了介电常数和损耗正切角随频率和偏置电压的变化关系。2015年伦敦大学的Fernandez.F.A等人对液晶材料微波器件建模进行分析，提出了宽带表征建模方案，并对传播特性进行了分析。W.Hu等人利用液晶材料设计了一款平面反射阵天线，可实现若干个波束选择功能，增益达到25dB。国内对于此方面的研究还处于起步阶段，清华大学的杨博子教授课题组对微波频率和红外波段的液晶调制器进行了研究，将液晶材料应用于微波调制器中，电子科技大学开展了多项液晶材料在可调微波元器件方面的应用研究，设计了基于液晶材料的移相器、滤波器等微波元件。已有相关报道大都集中于液晶材料的物理特性(折射率、介电常数、磁化率、电导率和粘度)及其在光学应用方面的研究，关于液晶材料应用于折合反射阵天线的研究至今未见相关报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于液晶材料的折合平面反射阵天线，以实现对电磁波近场聚焦、多波束控制、大角度波束覆盖的目的。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于液晶材料的折合平面反射阵天线，其包括：馈源天线、用于极化翻转和相位补偿的主反射单元及用于极化选择的上反射单元；所述主反射单元位于所述上反射单元的下方并相距一定距离；所述主反射单元上设置有贯穿上下表面的通孔；所述馈源天线设置于所述通孔的下方。