【摘 要】
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毫米波频段由于其具有窄波束和大带宽等特性,近十几年来得到越来越多的关注和开发,基于该频段的无损检测、医学诊断、超高速通信和雷达成像等领域得到蓬勃发展,各类高性能天线的需求日益增加。可重构反射阵列天线在毫米波频段仍具备高增益、波束扫描、波束形成等性能,一直都是相关领域的研究重点。液晶材料在毫米波乃至更高频段内的性能表现十分优异,很适合用作可重构反射阵列天线的可控介质材料。本文针对毫米波相控阵天线的需
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毫米波频段由于其具有窄波束和大带宽等特性,近十几年来得到越来越多的关注和开发,基于该频段的无损检测、医学诊断、超高速通信和雷达成像等领域得到蓬勃发展,各类高性能天线的需求日益增加。可重构反射阵列天线在毫米波频段仍具备高增益、波束扫描、波束形成等性能,一直都是相关领域的研究重点。液晶材料在毫米波乃至更高频段内的性能表现十分优异,很适合用作可重构反射阵列天线的可控介质材料。本文针对毫米波相控阵天线的需求开展了基于液晶的毫米波反射式扫描阵列天线的研究,通过电控实现波束的二维扫描。具体研究内容如下:设计了基于液晶的W波段移相器,通过传输线理论解释了移相器的工作原理。仿真计算结果表明,该器件在99.8 GHz实现514.5°的相移。在94.8 GHz至102.1GHz频段内,相移均超过了360°,相移曲线的线性度较好。采用半导体真空溅射技术,结合紫外光刻以及湿法刻蚀工艺制作了双偶极子贴片结构移相器样品,测试结果表明在5.4 V偏置电压下可实现超过360°的相移,30 V时达到饱和。90.6GHz至94.4 GHz范围内实现360°相移,相对带宽为4.11%,在92.5 GHz达到最大相移395.6°。为了实现二维扫描,在液晶移相器基础上设计了一种新型的馈电方案。参考液晶显示静态驱动技术,将每一个反射单元视为独立的“像素点”,通过馈线和接地板独立加载偏置电压。为了减小工艺难度,将每3×3个反射单元作为一个子阵,每个子阵通过矩形框线统一馈电。通过软件仿真分析了方案的可行性,确定了馈电线的具体尺寸参数和走线方式。制作了带有馈电网络的移相器样品,进行工艺容差分析。测试结果表明,在±10 um工艺误差范围内,在15 V电压下实现了超过360°的相移,样品平均最大相移的工作频点在97 GHz左右。设计了基于多路输出电压源的天线驱动电路。采用降压稳压器LTC3649和双通道数字电位器AD5242实现直流升压功能,实现最大50 V输出电压和2 m V调节精度,采用全桥整型电路实现直流信号转为方波信号。电路总共扩展至40路电压输出,满足移相器和天线测试需要。设计了基于液晶的毫米波二维波束扫描阵列天线。基于前文设计的液晶移相器,设计了阵列规模为30×30,阵面口径为32.7 mm×32.7 mm反射阵列。仿真结果表明,天线E面最大增益为21.2 d Bi,工作频点在94 GHz,最大电扫描角度为56°,天线带宽为9.6%;H面电扫描角度为43°,不同角度下的最大增益变化范围为20.5 d Bi～21.2 d Bi。同时与布有二维馈电网络的反射阵列天线进行仿真对比,结果显示该天线E面、H面的性能略有下降,分析了性能下降的原因。
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