利用微波液晶技术设计与分析一种连续线性极化敏捷天线

《Engineering Science and Technology, an International Journal》：Design and analysis of a continuously linear polarization agile antenna using microwave liquid crystal technology

连续线性极化敏捷天线设计及分析，基于微波液晶（LC）技术，提出双馈微带贴片天线与可调相位网络结合的架构。该系统通过LC材料的电调特性实现±18度连续极化角调整，XPD优于25 dB，支持Ku波段（12 GHz）卫星通信动态极化同步。采用全被动LC器件降低功耗，利用液晶成熟制程实现低成本大面积极 ch?生产，仿真验证相位误差优于80度/dB，相位调制插入损耗低于2.3 dB。

　　随着无线通信技术的快速发展，从地面网络到卫星平台，再到新兴的物联网生态系统，对更高数据传输速率、更高效的频谱利用率以及更稳定的连接性提出了更高的要求。这种进步正在重新定义无线通信在移动通信、遥感、生物医学监测和车联网等领域的应用。因此，关键硬件组件，尤其是天线，其性能变得尤为重要。天线是无线通信系统中的核心部件，它作为电能与电磁波之间的转换器，其设计直接影响系统的覆盖范围、数据传输能力、能耗以及可靠性。不同应用场景对天线的要求各不相同，例如卫星系统需要高增益和偏振敏感的天线以支持长距离通信，而可穿戴设备和物联网设备则更注重紧凑性和低功耗。随着无线技术的多样化，天线的创新仍然是确保跨平台无缝连接的关键。

为了满足现代应用对天线性能的高要求，天线技术必须解决效率、增益、紧凑性、主波束可重构性和偏振控制等挑战。近年来，已经出现了许多专门的解决方案，如用于连续波束控制的相控阵列和漏波天线，以及用于太赫兹系统的芯片天线和用于生物医学监测的可穿戴天线。尽管这些技术在特定性能指标上取得了进展，但偏振敏捷性，特别是能够连续调整线性偏振角度的能力，仍然是一个关键但尚未广泛实现的功能。这在动态环境中的移动卫星终端中尤为重要，因为偏振灵活性对于保持可靠的链路连接和提高传输效率与信道容量至关重要。

本文提出了一种基于微波液晶（LC）技术的连续线性偏振敏捷天线设计与分析。该概念专门针对Ku波段（例如12 GHz）的卫星通信应用，其中系统通常使用线性偏振，并且保持偏振对齐，即所谓的偏振失真角调整，对于实现可靠移动操作和避免链路损耗至关重要。天线系统采用了一种可调的馈电网络，其中包括两个定向耦合器和基于LC的连续可调相位移相位移器。这些馈电网络为双馈微带贴片天线提供信号，从而实现了偏振失真角范围内的全范围线性偏振控制。所提出的可调馈电网络使用微波LC技术实现，使整个结构保持被动架构，无需低噪声放大器（LNA）。

LC材料具有电调谐的介电特性，并且其固有的介电损耗通常在10 GHz以上的频率下低于0.06，且随着频率的增加，其损耗角（loss tangent）会下降，使其特别适合Ku波段及更高频率的应用。此外，LC材料得益于其在液晶显示器（LCD）制造中的成熟生产基础设施，允许低成本、大面积和可扩展的生产。全波仿真结果表明，在12 GHz频率下，该系统在偏振失真角范围内实现了交叉极化鉴别度（XPD）超过25 dB的性能。基于LC的相位移器仅需两个偏置电压，即可提供180°的差分相位移，插入损耗低于2.3 dB，从而得到80°/dB的相位移性能指标。这些结果证明了该设计在Ku波段及更高频率卫星系统中实现低损耗、可扩展和可重构天线阵列的可行性。

在本文中，提出的可调馈电网络采用了一种独特的拓扑结构，通过两个定向耦合器和连续可调的相位移器实现偏振控制。这种结构不仅保证了信号的高效率，还能够在不消耗额外功率的情况下实现连续调整。天线单元的尺寸被限制为0.5λ? × 0.5λ?，以防止在高扫描角度下产生栅瓣效应，例如超过60°的扫描角度。因此，相位移器采用了曲折结构以适应有限的单元尺寸，同时保持其物理长度。该设计通过精确控制差分相位移，实现了连续的偏振调整，使天线能够在不同方向下保持最佳性能。

此外，所提出的天线设计还结合了双馈的微带贴片天线，其结构包括两个相位移器和两个3 dB定向耦合器。天线单元的层叠结构采用了五层设计，其中各层的材料和厚度均经过优化，以确保性能的稳定性。为了实现独立调整相位移器，还设计了直流阻断结构，以防止不必要的直流连接。这种设计在确保信号完整性的同时，实现了对偏振调整的灵活控制。

在模拟方面，该天线设计使用了Keysight的Advanced Design System（ADS）Momentum和Dassault Systèmes的CST Studio Suite进行建模和仿真。通过精细的网格划分和对所有可能的损耗进行详细建模，确保了模拟结果的准确性。仿真结果表明，天线在12 GHz中心频率下具有10 dB的匹配带宽，且在该带宽内，两个天线馈电之间的隔离度低于15 dB。因此，天线在12 GHz下的交叉极化鉴别度达到了约25 dB，显示出良好的性能。

在实际应用中，该设计能够实现从145°到240°的连续偏振调整，从而满足移动卫星终端在动态环境中的需求。通过LC材料的连续调谐特性，可以实现对偏振角度的精确控制，同时保持低插入损耗和高XPD性能。这种设计不仅适用于Ku波段，还具备扩展至更高频率的潜力，为未来的卫星通信系统提供了新的解决方案。

与现有的偏振敏捷天线相比，本文提出的设计在多个方面具有优势。首先，它能够实现连续的偏振调整，而不仅仅是切换到正交的线性偏振或圆偏振。其次，该设计采用被动架构，避免了需要低噪声放大器的复杂性。第三，LC材料的成熟制造工艺使其具备低成本、可扩展的生产优势。此外，通过采用双馈结构和定向耦合器，该天线能够实现更宽的频率覆盖和更高的增益。

总的来说，本文提出的基于微波LC技术的连续线性偏振敏捷天线设计，为卫星通信系统提供了一种创新的解决方案。其设计能够满足现代通信对高效率、高增益、紧凑性以及偏振控制的需求，同时具备低损耗和高可扩展性。通过结合LC材料的优异特性，该天线能够在不消耗额外功率的情况下实现连续的偏振调整，从而提高系统在动态环境下的性能和可靠性。这一设计不仅为Ku波段的卫星通信提供了新的可能性，也为未来更高频率的通信系统奠定了基础。