基于液晶电调的可重构全息天线及其方向图综合方法研究

The real-time reconfiguration of antenna radiation pattern and the generation of arbitrary shape pattern, can meet the complex requirements of communication system and environment. This project will propose the method of ideally reconstructing the interference pattern at aperture field based on the holographic principle, and furthermore put forward the pattern synthesis method for arbitrary shape; a novel reconfigurable technology using liquid crystal tunable technology is studied. The antenna radiation performance and the tunable phase shifter are realized through controlling the permittivity of liquid crystal by applying a biasing voltage. This is the characteristic of the project, which is different from the traditional reconfiguration method using electronic devices; for the radiation patch with arbitrary shape, the combination method of liquid crystal molecules orientation and the block model of permittivity tensor algorithm is proposed. The simulation complexity caused by the anisotropy and inhomogeneity of the liquid crystal is fully considered, which avoids the error existing in the homogeneous permittivity model. The proposed pattern synthesis technique by this project can not only achieve high gain beam scanning, but also can realize pattern synthesis of arbitrary shape. This can greatly enhance the adaptability of the antenna to the antenna system and environment, and expand the application field of the antenna; the research of this project can improve the application theory and technology of liquid crystal material, and promote the application of liquid crystal in reconfigurable antennas and microwave components.

天线方向图实时可重构及生成任意形状方向图的能力，可以很好地满足通信系统及环境变化的复杂要求。本项目将基于全息原理，提出理想重建口面场干涉图样的方法，进而提出任意形状方向图综合的方法；在可重构技术方面，研究较为新颖的液晶电调技术，通过外加电压控制液晶介电常数来实现天线辐射性能和移相器的可调谐，是本项目的特色所在，这不同于依靠电子器件的传统可重构方法；针对任意形状的辐射贴片，提出液晶分子指向算法和介电常数张量分块模型相结合的方法，充分考虑由液晶材料各向异性和介电常数分布不均匀性所带来的仿真复杂性，解决现有研究中常采用的均匀介电常数模型的误差。通过本项目的研究，提出的方向图综合新技术不仅可以实现高增益波束扫描，也可以实现任意形状的方向图综合，大大提高天线对系统及环境的适应能力，扩展天线的应用领域；本项目的研究可以完善液晶材料的应用理论与技术，促进液晶材料在各类可重构天线及微波元件中的应用研究。

天线方向图实时可重构及生成任意形状方向图的能力，可以很好地满足通信系统及环境变化的复杂要求。本项目的主要研究内容包括：1）基于全息原理，提出理想重建口面场干涉图样的方法，进而提出任意形状方向图综合的方法；2）在可重构技术方面，研究较为新颖的液晶电调技术，通过外加电压控制液晶介电常数来实现天线辐射性能和移相器的可调谐；3）针对任意形状的辐射贴片，提出液晶分子指向算法和介电常数张量分块模型相结合的方法，解决现有研究中常采用的均匀介电常数模型的误差；4）此外，对基于PIN二极管的电控波束扫描漏波天线进行了很多研究，提出了毫米波定频波束扫描漏波天线的低损耗技术、方向图赋形技术等。.通过本项目的研究，提出的方向图综合新技术不仅可实现高增益波束扫描，也可实现任意形状的方向图综合，大大提高天线对系统及环境的适应能力，扩展天线的应用领域；完善了液晶材料的应用理论与技术，促进液晶材料在各类可重构天线及微波元件中的应用研究；基于PIN二极管电控技术，实现了线极化宽角波束扫描、圆极化波束扫描、圆极化可切换波束扫描、双频段共口径波束扫描等等电控漏波天线设计。.本项目的科学意义在于：1）基于全息原理提出的方向图综合方法，不仅能够产生高增益窄波束的辐射方向图，也能够根据系统需要和环境变化而产生任意形状的辐射方向图；2）采用了较为新颖的液晶电调技术，通过外加电压控制使介质材料（液晶）的介电常数变化的方式来实现天线性能的可调谐，这一点不同于传统的依靠电子器件实现电流路径变化的可重构方式。3) 针对可重构全息天线提出抑制副瓣电平的新方法，这是一种适用于周期性结构方向图综合的新方法；4) 提出电控波束扫描漏波天线的低损耗设计方法，解决电子开关元件的加载以及介质选取等多方面因素产生的损耗问题，尤其是在毫米波波段，实现天线总损耗的降低与天线增益的提高。