一种太赫兹阵列及天线前端的制作方法

1.本发明属于太赫兹波束形成技术，具体为一种太赫兹阵列及天线前端。


背景技术：

2.为实现太赫兹频段的任意波束形成，除常规的有源片上相控阵架构，基于可调谐材料的太赫兹波束形成方案已得到研究人员的广泛关注。基于可调谐材料的太赫兹天线利用材料本身受外界激励本征参数发生改变的原理实现对相位的改变，典型材料包括温控二氧化钒、液晶、石墨烯等。
3.其中，基于液晶的波束形成天线通常采用液晶移相器实现辐射单元的移相功能，由于液晶移相器采用电压控制，因此需要给液晶移相器单元加载电压偏置网络。2015年，在《design and demonstr，ation of an electronically scanned reflectarray antenna at 100ghz using multi
‑
resonant cells based on liquid crystals》一文中，西班牙马德里理工大学g.perez
‑
palomino提出液晶相控阵天线，并在100ghz附近实现波束扫描，扫描范围55
°
，其偏置电压通过行馈的形式实现，能实现波束一维扫描，但波束副瓣较高。若实现任意波束形成，对液晶移相器的控制需达到单元级。由于电压偏置线本身具有一定的线宽，以及相邻偏压线之间的距离限制，液晶阵面内用于布局偏压线的空间有限。随着阵列规模的加大以及频率的进一步升高，单元级电压偏置网络越来越复杂，尤其是阵面中心区域的移相器的偏压线布局，因此，实现液晶相控阵任意波束形成扫描所需的偏置网络的设计已经成为制约液晶太赫兹天线发展的瓶颈问题。现有的液晶太赫兹天线，大多数偏置网络的设计仅实现了波束一维扫描。


技术实现要素：

4.本发明提出了一种太赫兹阵列。
5.实现本发明目的的技术方案为：一种太赫兹阵列，包括上层石英基板、下层石英基板，所述上层石英基板的下表面镀有反射式超表面移相器阵列；所述下层石英基板的上表面镀有一层金属接地层；所述上层石英基板、下层石英基板间填充有液晶，所述反射式超表面移相器阵列通过控制线加载电压。
6.优选地，所述反射式超表面移相器阵列包括m
×
m个超表面单元，每个超表面单元引出一条控制线至阵面边缘与电压输入引脚连接。
7.优选地，所述反射式超表面移相器阵列包括n
×
n个子阵，每个子阵包括2
×
2个超表面单元，每个子阵内的超表面单元通过一条控制线串联在一起，且每个子阵引出一条控制线至阵面边缘与电压输入引脚连接。
8.优选地，所述反射式超表面移相器阵列分为5个区，分别为a、b、c、d和e区，a、b、c、d四个区为边缘区，e区为中心区，每个区域内的控制线分别独立布线，通过移相器之间的行或列通道引至阵面边缘，其中e区的偏压线分别通过位于a、b、c、d区的4个通道引至液晶阵面边缘。
9.优选地，所述超表面单元为超表面双极子单元。
10.优选地，控制线通过反射式超表面移相器阵列行与行之间的间隙引至阵面边缘。
11.优选地，相邻控制线之间的最窄缝隙宽度大于控制线线宽。
12.优选地，所述液晶采用向列型液晶。
13.本发明还提出了一种基于太赫兹阵列的天线前端，包括：喇叭馈源、太赫兹阵列、阵面支撑结构件、电压转接板以及吸波材料，所述太赫兹阵列设置在阵面支撑结构件上，所述喇叭馈源设置在太赫兹阵列的俯仰面且相对于太赫兹阵列法线倾斜一定角度放置，所述吸波材料位于太赫兹阵列的上层边缘，所述的电压转接板位于太赫兹阵列的表面四周，采用pcb印制板形式，pcb板正面为电压控制线转接线，背面为接插件，太赫兹阵列的控制线通过压接接触与电压转接板上的电压控制转接线一一对应，电压控制转接线连接电压转接板背面的接插件。
14.本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明的太赫兹阵列中子阵独立控制，实现了任意波束形成；本发明大大降低了控制网络的设计难度；本发明中控制线通过行与行之间的空间引出，减小对超表面单元主辐射面的影响；本发明的天线前端通过合理的分区并优化偏置电压网络，每个辐射单元的移相可以单独控制，能够实现太赫兹液晶相控阵天线的二维扫描；采用偏馈方式，避免对法向波束的遮挡；采用n(n≤3)比特数字式液晶阵阵面，阵面控制电压仅2
n
种取值，控制电路简单；阵列规模不小于225元，可进一步扩大；所提出太赫兹液晶相控阵天线的方案，可在345ghz附近实现
±
45
°
的二维扫描，，并避免正馈反射阵的法向遮挡效应。
15.下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
16.图1为本发明的反射式超表面移相器阵列结构示意图。
17.图2为本发明的一个单元的结构示意图。
18.图3为超表面单元与子阵的移相曲线。
19.图4是本发明基于太赫兹阵列的天线前端的结构示意图。
20.图5是基于太赫兹阵列的天线前端的液晶阵面示意图。
21.图6是基于太赫兹阵列的天线前端的液晶阵面分区控制图。
22.图7是基于太赫兹阵列的天线前端的电压转接板示意图。
23.图8是基于太赫兹阵列的天线前端的液晶阵面a区域的电压偏置网络示意图。
24.图9是基于太赫兹阵列的天线前端的液晶阵面b区域的电压偏置网络示意图。
25.图10是基于太赫兹阵列的天线前端的液晶阵面c区域的电压偏置网络示意图。
26.图11是基于太赫兹阵列的天线前端的的电压偏置网络示意图。
27.图12是基于太赫兹阵列的天线前端的晶阵面e区域的电压偏置网络示意图。
28.图13是具体实施例液晶移相器的移相曲线。
29.图14是具体实施例在345ghz扫描状态下的辐射方向图。
具体实施方式
30.一种太赫兹阵列，包括上层石英基板、下层石英基板，所述上层石英基板的下表面
镀有反射式超表面移相器阵列；所述下层石英基板的上表面镀有一层金属接地层；所述上层石英基板、下层石英基板间填充有液晶，所述反射式超表面移相器阵列通过控制线加载电压。
31.进一步的实施例中，所述反射式超表面移相器阵列包括m
×
m个超表面单元，每个超表面单元引出一条控制线至阵面边缘与电压输入引脚连接。
32.进一步的实施例中，所述反射式超表面移相器阵列包括n
×
n个子阵，每个子阵包括2
×
2个超表面单元，每个子阵内的超表面单元通过一条控制线串联在一起，且每个子阵引出一条控制线至阵面边缘与电压输入引脚连接。
33.在某些实施例中，每个超表面单元采用一根控制线将两个极子级联，每根细偏压线通过移相器之间的空隙形成的通道引至液晶阵面边缘，实现对超表面单元的独立控制。
34.控制线与电压引脚一一对应。电压引脚用于加载波束形成所需的电压值，实现对子阵、超表面单元的独立控制。
35.进一步的实施例中，所述反射式超表面移相器阵列分为5个区，分别为a、b、c、d和e区，a、b、c、d四个区为边缘区，e区为中心区，每个区域内的控制线分别独立布线，通过移相器之间的行或列通道引至阵面边缘，其中e区的偏压线分别通过位于a、b、c、d区的4个通道引至液晶阵面边缘。
36.进一步的实施例中，所述超表面单元为超表面双极子单元。其移相能力通过所加偏置电压对液晶分子的指向变化来调节相位，在工作频段内具有超过360
°
的移相范围。相同的偏置电压下，一个子阵的移相值与单个超表面单元的移相值相同。
37.进一步的实施例中，控制线通过行与行之间的间隙引至阵面边缘。
38.进一步的实施例中，相邻控制线之间的最窄缝隙宽度大于控制线线宽。以避免相互之间的干扰以及承受相邻偏压线之间的电压差。
39.进一步的实施例中，所述液晶采用向列型液晶，具有较宽的介电常数变化范围。
40.进一步的是实施例中，所述超表面单元与子阵的移相曲线相同。
41.超表面移相器共2n种移相状态，每种移相状态对应一种电压值。整个液晶阵面的扫描角度由2n种电压值的分布决定。
42.一种基于太赫兹阵列的天线前端，包括：喇叭馈源、太赫兹阵列、阵面支撑结构件、电压转接板以及吸波材料，所述太赫兹阵列设置在阵面支撑结构件上，所述喇叭馈源设置在太赫兹阵列的俯仰面，通过金属柱固定在阵面支撑结构件上且相对于太赫兹阵列法线倾斜一定角度放置，所述吸波材料位于太赫兹阵列的上表面四周，所述的电压转接板位于太赫兹阵列的下表面外围，采用pcb印制板形式，pcb板正面为电压控制线转接线，背面为接插件，太赫兹阵列的控制线通过压接接触与电压转接板上的电压控制线转接线一一对应，电压控制转接线通过插针与电压转接板背面的接插件
43.进一步的实施例中，所述喇叭馈源为角锥喇叭。其
‑
10db波束宽度覆盖液晶阵面。
44.在某些实施例中，构成天线前端的太赫兹阵列上层石英基板的尺寸大于下层石英基板的尺寸。
45.本发明的子阵能独立控制，可实现太赫兹液晶阵列的任意波束形成，在保证液晶阵列辐射性能的同时，大大降低工艺难度和加工成本。
46.下面通过实施例进行更详细的描述。
47.实施例
48.如图1、2所示，一种太赫兹阵列，包括上层石英基板101、下层石英基板102，上层石英基板101的下表面镀有辐射移相一体的反射式双极子反射式超表面移相器阵列103；下层石英基板的上表面镀有一层金属接地层；上下两层石英基板间的腔体中填充向列型液晶105。
49.上层石英基板101和下层石英基板102的边长均为10.4mm、厚度360um，介电常数为3.78，损耗正切为0.002。
50.辐射移相一体的反射式超表面移相器阵列103包括8
×
8个子阵107，每个子阵107包括2
×
2个超表面单元，共16
×
16个超表面双极子单元106组成，每个子阵内的2
×
2个超表面单元106通过一条控制线相连，控制线通过行与行之间的间隙引至阵面边缘，控制线线宽为10um，控制线之间的距离为15um，控制线107与阵面边缘电压引脚109一一对应，电压引脚109用于加载波束形成所需的电压值，实现对子阵的独立控制，饱和电压取值为30v。电压引脚的尺寸为50um
×
30um。本实施例中，子阵规模为2
×
2，对辐射波束的性能影响较小。
51.液晶采用向列型液晶hfut
‑
hb01，介电常数变化范围为[2.4，3.4]。具体实施时，液晶灌入上下基板形成的腔体中，采用环氧树脂胶进行密封处理。
[0052]
超表面单元为双极子单元106，由平行的长金属条和短金属条组成。长金属贴片尺寸205um
×
40um，短金属贴片长尺寸长190um
×
40um，厚度为0.4um。其移相能力通过所加偏置电压对液晶分子的指向变化来调节相位。在工作频段内具有大于360
°
的移相范围。
[0053]
通过全波软件仿真得到工作频率325
‑
380ghz时移相器子阵的移相曲线与单个单元的移相曲线对比如图3所示。可以看出，子阵的移相曲线与单元的移相曲线最大差距不超过50
°
，表明电压偏置线的布局对移相器的移相曲线影响相对很小，为子阵级的波束形成提供了可行性证明。
[0054]
实施例2
[0055]
一种天线前端，如图4～7所示，包括：馈源角锥喇叭201、2比特数字太赫兹阵列202、阵面支撑结构件203、电压偏置网络204、偏压线扩展层205、电压转接板206、吸波材料207。
[0056]
馈源角锥喇叭201，尺寸大小为1.72mm
×
2.28mm
×
4.25mm，在345ghz的10db波束宽度为28
°
，馈源角锥喇叭201相对于阵面法线倾斜50
°
放置，避免扫描范围内的波束遮挡。
[0057]
太赫兹阵列202自上而下依次为上层石英基板101、镀在上层石英基板101下表面的反射式超表面移相器阵列209、向列型液晶210、镀在下层石英基板102上表面的金属地。上层石英基板101和下层石英基板102厚度均为1mm，介电常数为3.78，损耗正切0.002。向列型液晶210的厚度为45um，介电常数受电压调控变化范围在2.4
‑
3.5之间。反射式超表面移相器阵列209由20
×
20个双极子超表面单元组成。每个双极子超表面单元的大小为415um
×
415um。双极子液晶移相器的移相曲线进行2比特量化，共4种移相状态，每种移相状态对应一种电压值，对应关系如表1。整个阵面的扫描角度由4种电压值的分布决定。
[0058]
表1移相状态与电压值对应关系
[0059]
数字状态移相范围(
°
)液晶介电常数施加电压值(v)000
‑
902.6600190
‑
1802.822.3
10180
‑
2703.053.111270
‑
3603.3320
[0060]
阵面支撑结构件203用于固定馈源喇叭101，馈源喇叭101的口径中心距离2比特数字太赫兹阵列202中心距离为12mm。
[0061]
电压偏置网络204位于2比特数字太赫兹阵列202的上层石英基板101的下表面上，与反射式超表面移相器阵列209同层，以实现对双极子液晶移相器单元的独立控制。电压偏置网络204的控制线通过移相器之间的空间形成走线通道。每个双极子液晶移相器单元采用一根细偏压线213将两个极子连在一起，每根细偏压线213通过移相器之间的空隙引至液晶阵面边缘。为避免细偏压线213相互之间的干扰以及承受相邻偏压线之间的电压差，细偏压线213线宽为10um，偏压线之间的最窄缝宽为10um。行通道和列通道允许布置的偏置线最大条数为7。整个2比特数字太赫兹阵列202分为5个区，分别为a、b、c、d和e区，每个区分别对立设计相应的区电压偏置网络。区域a 114、区域b 115、区域c116、区域d117控制的移相器单元数分别为104、84、104和88，阵面中心区域e118控制的移相器单元数为20。区域a214的偏压线通过13个列通道引至2比特数字太赫兹阵列202上边缘，区域b215的偏压线通过12个行通道引至2比特数字太赫兹阵列202左边缘，区域c216的偏压线通过13个列通道引至2比特数字太赫兹阵列202下边缘，区域d217的偏压线通过12个行通道引至2比特数字太赫兹阵列202右边缘，区域e218的偏压线分别通过位于区域a、b、c、d的4个通道引至2比特数字太赫兹阵列202边缘。根据偏压线所控制的液晶移相器单元在阵面所处的位置对相应的偏压线进行编号，便于后续对移相器单元进行电压寻址赋值。
[0062]
偏压线扩展层205与电压偏置网络204位于同一层，通过电压偏置线走线实现与液晶阵面边缘的粗偏压线219连接，实现电压偏置网络细偏压线小间距到偏压线扩展层粗偏压线大间距的变换过渡。
[0063]
电压转接板206位于2比特数字太赫兹阵列202的外围，采用pcb印制板形式，pcb正面为电压控制转接线220，背面为插针式接插件。2比特数字太赫兹阵列202边缘的粗偏压线219通过压接接触与电压转接板206上的电压控制转接线220一一对应。电压控制转接线220通过插针连接背面的接插件。
[0064]
吸波材料207位于2比特数字太赫兹阵列202的上层边缘，用于减小阵面边缘以及偏压线对太赫兹信号的反射。
[0065]
通过以上技术途径，本发明采用2比特数字式液晶阵阵面，每个辐射单元的移相可以单独控制，阵面控制电压仅4种取值，控制电路简单，阵列规模400元，可在345ghz附近实现105
°
的二维扫描。
[0066]
图5给出了本实施例2比特液晶移相器的仿真移相曲线。可见，在345ghz，该液晶移相器的移相曲线大于360
°
。
[0067]
图6给出了本实施例345ghz频点处扫描辐射方向图。可以看到，本实施例的天线扫描方向图表现良好，可实现105
°
扫描的扫描范围。