【摘 要】
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近年来随着通信技术的不断发展,人们对太赫兹频段的高性能天线需求日益迫切。可重构阵列天线凭借其高增益,高带宽,波束扫描和波束合成等特性受到极大的关注。液晶材料作为一种具有大范围介电常数可调特性的材料,可以用于构造毫米波及太赫兹可重构反射阵列天线。本文围绕基于液晶的电控可重构反射阵列天线设计,开展了液晶反射式移相器设计与制作、偏置电压线布局、二维波束扫描等关键技术的研究。主要工作内容如下。首先采用双偶
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近年来随着通信技术的不断发展,人们对太赫兹频段的高性能天线需求日益迫切。可重构阵列天线凭借其高增益,高带宽,波束扫描和波束合成等特性受到极大的关注。液晶材料作为一种具有大范围介电常数可调特性的材料,可以用于构造毫米波及太赫兹可重构反射阵列天线。本文围绕基于液晶的电控可重构反射阵列天线设计,开展了液晶反射式移相器设计与制作、偏置电压线布局、二维波束扫描等关键技术的研究。主要工作内容如下。首先采用双偶极子结构的移相单元,设计了Ka波段的二维波束扫描反射阵列天线。天线的中心频率为36 GHz,阵列单元为20×20,阵面口径为71.2mm×71.2mm。仿真结果表明,工作频段为36 GHz时,天线E面主瓣最大增益为24.1 d Bi,3 d B波束带宽为7.5°,扫描范围可达±60°。天线H面的扫描角度为±60°,3 d B波束带宽为7.4°,不同扫描角度下的增益变化范围为20.7 d Bi-24.1 d Bi。在毫米波波束扫描天线研究的基础上,开展了太赫兹频段的反射式移相器研究。分别设计了基于开槽与双偶极子结构的反射移相单元,并制作了样件进行了移相性能测试验证。其中采用开槽结构的移相器,驱动电压0-10V情况下,在380.2-396.3 GHz频段内可实现超过200°以上的相移,最大相移为241.1°@390.6 GHz;采用双偶极子结构的移相器,在0-10 V的电压驱动下,分别在96.2-101.4 GHz和340-341 GHz频段内实现了360°以上的相移,最大相移分别为450°@99.8 GHz和361°@340.1 GHz。360°的移相单元为设计太赫兹频段的可重构天线奠定了技术基础。为了在太赫兹频段实现二维扫描,减少偏置电压加载线对反射阵列产生的负面影响,设计一种基于子阵列结构的馈电布线方案。详细分析了馈电线数量和走线布局对移相性能的影响,经过多种结构方案设计、对比与优化,最终确定子阵列为3×3结构,大反射阵列为10×10,面积为32.7 mm×32.7 mm。为了验证方案,制作了阵列中具有不同馈电线数量和布局的三种典型移相器样件。测试结果表明三个样件,在0-10 V电压驱动下,均可在4 GHz的带宽内实现360°以上的相移。为了减少液晶各向异性和非均匀性对仿真精度的影响,设计了一种采用液晶分块方法的改进移相器模型,数值计算结果表明设计与实验结果的最大相移差值降低了90%,有效提升了仿真设计精度。
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