本发明涉及无线通信领域，特别是涉及相控阵天线技术领域。
背景技术：
低成本相控阵天线在卫星通信、5g等新基建领域需求越来越突出。高性能电磁液晶材料科技的进步，为低成本、低功耗相控阵天线设计提供了一个有效的解决方案，液晶相控阵天线技术作为一项具有革命意义的技术创新成为众多厂家关注研发的重点。
液晶分子可根据电场强度的变化实现偏转，进而实现相对介电常数可调的目的。通过对液晶相对介电常数的调节和控制是实现液晶移相器的基本原理。然而一方面液晶移相器单独密封于玻璃盒内，玻璃金属化过孔工艺依然存在困难；另一方面，液晶移相器作为独立器件很难像传统移相器一样与功率器件集中封装在同一个芯片内，致使移相器损耗很难通过功率器件弥补。
在现有技术中，研究人员通过非接触式耦合技术，实现了无孔化信号传输，如8图所示；通过在金属地板上开耦合逢，选用特殊长度和宽度的顶层及底层传输线放置与耦合缝处，即可实现信号由顶层输入端口至底层输出端口的过渡传输。另一方面，如9图所示；大功率输出功率放大器具有较高的功放效率，可实现低输入高输出功能。在相控阵天线总端口接入大功率功率放大器可提高系统效率，确保相控阵天线发射等效最大辐射功率，有效避免液晶移相器损耗引入的系统效率过低的问题。但是这些方案本身存在如下缺陷。
无论基于非接触式耦合技术实现的无孔化方案，还是基于大功率器件弥补液晶移相器带入的固有损耗技术，都无法从根本上解决现有液晶移相器固有损耗的问题。
耦合技术一方面会引入耦合孔带来的损耗问题，另一方面耦合孔本身具有小功率辐射，与天线辐射相互叠加，影响相控阵天线辐射。
大功率功率放大器的引入可以提高功率放大器效率，但其尺寸一般很大，散热结构更加庞大、沉重，同时也无法引入分布式小功率功率放大器引入的阵增益，对发射等效最大辐射功率提升有限；此外，对于接收阵列而言，先过液晶移相器带入的噪声问题无法通过功率放大器进行弥足。
技术实现要素：
(一)发明目的
本发明的目的是提供一种pcb液晶相控阵天线，一方面解决了液晶移相器单独密封于玻璃盒内，玻璃金属化过孔工艺依然存在困难的问题；另一方面解决了液晶移相器作为独立器件很难像传统移相器一样与功率器件集中封装在同一个芯片内，致使移相器损耗很难通过功率器件弥补的问题。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提供了一种pcb液晶相控阵天线，包括：天线罩层和间隔层，所述天线罩层与所述间隔层间隔设置，所述天线罩层与所述间隔层之间形成空气介质层；所述间隔层形成若干个腔室，每个所述腔室中均设置有液晶；第一传输线层，设置在所述间隔层上，并位于所述空气介质层中；所述空气介质层设有源器件，所述有源器件设置在所述间隔层表面，所述有源器件与所述第一传输线层连接；移相器层，与所述间隔层连接，并位于所述第一传输线层的相对侧，所述移相器层通过第一金属化过孔与所述有源器件电连接，所述第一金属化过孔贯穿所述间隔层；第三介质层，与所述移相器层连接，并位于所述间隔层的相对侧；第二传输线层，与所述第三介质层连接，并位于所述移相器层的相对侧，所述第二传输线层通过第二金属化过孔与所述移相器层电连接。
优选地，所述天线罩层包括辐射片层和辐射片介质层；所述辐射片层设置在所述辐射片介质层上，并位于所述空气介质层中；所述辐射片层由若干个辐射片组合构成，若干个所述辐射片呈矩形阵列式排布。
优选地，所述间隔层包括：第一金属地板层、与所述天线罩层之间形成所述空气介质层的第一介质层，所述第一金属地板层与所述第一介质层连接，并位于所述第一传输线层的相对侧；第一pp层，与所述第一金属地板层连接，并位于所述第一介质层的相对侧；第二介质层，与所述第一pp层连接，并位于所述第一金属地板层的相对侧；第二金属地板层，与所述第二介质层连接，并位于所述第一pp层的相对侧；第二pp层，与所述第二金属地板层连接，并位于所述第二介质层的相对侧；所述第二pp层或第二介质层上形成若干个所述腔室。
优选地，若干个所述腔室呈矩形阵列式排布，相邻的两个所述腔室通过联通槽连接相通；所述腔室为上下带有开口的腔室。
优选地，所述第一金属化过孔贯穿所述的第一介质层、第一金属地板层上的避让孔、第一pp层、第二介质层、第二金属地板层上的避让孔和第二pp层，并与所述腔室内设置有的传输线电连接；所述避让孔的直径大于所述第一金属化过孔的直径。
优选地，所述第二金属化过孔一端与所述移相器层电连接，另一端贯穿所述第三介质层，并与所述第二传输线层电连接。
优选地，所述第一金属地板层通过第三金属化过孔与所述第二金属地板层电连接；所述第三金属化过孔贯穿所述的第一介质层、第一金属地板层、第一pp层、第二介质层、第二金属地板层、第二pp层、移相器层和第三介质层。
优选地，还包括位于所述第一金属化过孔与所述第二金属化过孔之间的非金属化过孔；所述非金属化过孔贯穿所述的第一介质层、第一金属地板层、第一pp层、第二介质层、第二金属地板层和第二pp层，所述非金属化过孔的孔腔与所述腔室连接相通；所述非金属化过孔设置有两个，两个所述非金属化过孔间隔设置。
优选地，所述有源器件为功率放大器或低噪声放大器；所述移相器层由若干个移相器组成，若干个移相器呈矩形阵列式排布，所述移相器与所述腔室一一对应。
优选地，所述第一传输线层包括第一传输线,所述第一传输线一端为开路，另一端与所述有源器件电连接；所述第二传输线层包括第二传输线、功分/和路网络；所述功分/和路网络通过所述第二传输线与所述第二金属化过孔电连接；所述功分/和路网络的每条之路放置有隔直电容。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明设置了辐射片介质层、第一传输线层、第一介质层、第一金属地板层、第一pp层、第二介质层、第二金属地板层、第二pp层、移相器层、第三介质层、第二传输线层和辐射片层，使本发明形成多层pcb结构，进一步使本发明解决了液晶移相器单独密封于玻璃盒内，玻璃金属化过孔工艺依然存在困难的问题，同时也方便金属化及非金属化过孔的放置，有效实现多层互通互联，实现信号传输及屏蔽，提升系统性能，避免外界干扰。本发明采用pcb制盒方案，可实现表面高温焊接需求，解决了玻璃制盒无法通过回流焊的技术难题。
本发明的有源器件与第一传输线层连接，并位于空气介质层中，同时还通过第一金属化过孔与移相器层连接，而且移相器层还通过第二金属化过孔与第二传输线层连接，使本发明解决了液晶移相器作为独立器件很难像传统移相器一样与功率器件集中封装在同一个芯片内，致使移相器损耗很难通过功率器件弥补的问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的辐射片介质层结构示意图；
图3为本发明的第一传输线层结构示意图；
图4为本发明的第一金属地板层结构示意图；
图5为本发明的移相器层结构示意图；
图6为本发明的第二传输线层结构示意图；
图7为本发明第一实施例的结构示意图；
图8为现有技术中的相控阵天线结构示意图；
图9为现有技术中的相控阵天线结构示意图。
附图标记：
辐射片介质层1、第一传输线层2、第一介质层3、第一金属地板层4、第一pp层5、第二介质层6、第二金属地板层7、第二pp层8、移相器层9、第三介质层10、第二传输线层11、第一金属化过孔12、第二金属化过孔13、非金属化过孔14、辐射片层15、第三金属化过孔16、有源器件17、空气介质层18、腔室19、联通槽20、第一传输线21、避让孔22、第二传输线23、液晶24、移相器25、缝隙26、功分/和路网络连接27、隔直电容28。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1至图9所示，在本发明的实施例中，本发明提供一种pcb液晶相控阵天线，其特征在于，包括天线罩层和间隔层，其中天线罩层与间隔层间隔设置，天线罩层与间隔层之间形成空气介质层18；间隔层上形成若干个腔室19，每个腔室19中均设置有液晶。
在本发明的实施例中，本发明还包括第一传输线层2、移相器层9、第三介质层10和第二传输线层11，第一传输线层2设置在间隔层上，并位于空气介质层18中；空气介质层18设有源器件17，有源器件17设置在间隔层表面，有源器件17与第一传输线层2连接。其中移相器层9与间隔层连接，并位于第一传输线层2的相对侧，移相器层9通过第一金属化过孔12与有源器件17电连接，第一金属化过孔12贯穿间隔层。其中第三介质层10与移相器层9连接，并位于间隔层的相对侧。第二传输线层11与第三介质层10连接，并位于移相器层9的相对侧，第二传输线层11通过第二金属化过孔13与移相器层9电连接。
本发明设置了天线罩层、间隔层、第一传输线层2、移相器层9、第三介质层10和第二传输线层11，使本发明形成多层pcb结构，进一步使本发明解决了液晶移相器单独密封于玻璃盒内，玻璃金属化过孔工艺依然存在困难的问题，同时也方便金属化及非金属化过孔的放置，有效实现多层互通互联，实现信号传输及屏蔽，提升系统性能，避免外界干扰。本发明采用pcb制盒方案，可实现表面高温焊接需求，解决了玻璃制盒无法通过回流焊的技术难题。
本发明的有源器件17与第一传输线层2连接，并位于空气介质层18中，同时还通过第一金属化过孔12与移相器层9连接，而且移相器层9还通过第二金属化过孔13与第二传输线层11连接，使本发明解决了液晶移相器作为独立器件很难像传统移相器一样与功率器件集中封装在同一个芯片内，致使移相器损耗很难通过功率器件弥补的问题。
如图1所示，在本发明的实施例中，间隔层包括第一金属地板层4、与天线罩层之间形成空气介质层18的第一介质层3、第一pp层5、第二介质层6、第二金属地板层7和第二pp层8，其中第一金属地板层4与第一介质层3连接，并位于第一传输线层2的相对侧；第一pp层5与第一金属地板层4连接，并位于第一介质层3的相对侧。其中第二介质层6与第一pp层5连接，并位于第一金属地板层4的相对侧；其中第二金属地板层7与第二介质层6连接，并位于第一pp层5的相对侧；其中第二pp层8与第二金属地板层7连接，并位于第二介质层6的相对侧。在本实施例中，第二pp层8上形成若干个腔室；在其它的实施例中，第二介质层6上形成若干个腔室。
在本发明的一些实施例中，在第二介质层6与第一pp层5之间还可以加入有源器件17的供电层、移相器的控制层等。在其它的实施例中，第一pp层5换成其它具有可粘合第一金属地板层4和第二介质层6的粘合层。在pcb制作过程中，每层介质带有正反两面金属层，需要多层金属层时，就需要有多层介质层的压合，介质层两两之间需要放置pp层才能将两个介质层压合在一起。
如图5所示，在本发明的实施例中，若干个腔室19呈矩形阵列式排布，相邻的两个腔室19通过联通槽20连接相通，使本发明既可以提供更多的支撑区域，确保液晶厚度的均一性和精确性，又可以实现相互连通，降低灌输液晶的工艺复杂度。腔室19支撑臂尺寸需求小于玻璃制盒封框胶尺寸需求，可以降低阵列天线排版的工艺难度。在本实施例中，腔室19为上下带有开口的腔室，即腔室19由挖空的第二pp层8或第二介质层6形成。
如图2所示，在本发明的实施例中，天线罩层包括辐射片层15和辐射片介质层1；其中辐射片层15设置在辐射片介质层1上，并位于空气介质层18中；辐射片层15由若干个辐射片组合构成，若干个辐射片呈矩形阵列式排布，辐射片为本发明的天线，用于接收信号或发送信号。
如图3所示，在本发明的实施例中，本发明的第一传输线层2包括第一传输线21，接收辐射片发送的信号，其中第一传输线21一端为开路，另一端与有源器件17电连接，以实现射频信号的放大。在本实施例中，有源器件17选用功率放大器，在其它的实施例中，有源器件17还可以选用低噪声放大器。
如图1和图4所示，在本发明的实施例中，第一金属化过孔12贯穿第一介质层3、第一金属地板层4上的避让孔22、第一pp层5、第二介质层6、第二金属地板层7上的避让孔22和第二pp层8，并与腔室19内设置有的传输线电连接；使本发明的第一金属化过孔12直接连接第一传输线层2及腔室19内部的传输线，实现信号直连，同时也减小耦合渡引入的损耗和辐射，提升系统性能。在本实施例中，为了避免第一金属化过孔12与第一金属地板层4、第二金属地板层7导通，本发明的避让孔22的直径大于第一金属化过孔12的直径。在本实施例中，本发明的第二金属化过孔13一端与移相器层9连接，另一端贯穿第三介质层10，并与第二传输线层11电连接，使本发明减小耦合渡引入的损耗和辐射，提升系统性能。
如图1所示，在本发明的实施例中，本发明还包括用于实现腔体内真空状态的非金属化过孔14，非金属化过孔14位于第一金属化过孔12与第二金属化过孔13之间。非金属化过孔14贯穿第一介质层3、第一金属地板层4、第一pp层5、第二介质层6、第二金属地板层7、第二pp层8，同时将非金属化过孔14的孔腔与腔室19连接相通，使本发明为腔室内部灌输液晶提供准备。在本实施例中，非金属化过孔14设置有两个，两个非金属化过孔14间隔设置。
如图4所示，在本发明的实施例中，第一金属地板层4与第二金属地板层7均为带有缝隙26的金属地板层。其中第一金属地板层4与第二金属地板层7上均还形成有若干个避让孔22，避让孔22与缝隙26相互交叉设置，在本实施例中，缝隙26为工字形缝隙。第一金属地板层4通过第三金属化过孔16与第二金属地板层7电连接，而且第三金属化过孔16贯穿第一介质层3、第一金属地板层4、所述第一pp层5、第二介质层6、第二金属地板层7、第二pp层8、移相器层9和第三介质层10，使本发明实现信号屏蔽和各个金属地板的联通。
如图5所示，在本发明的实施例中，移相器层9由若干个移相器25组成，若干个移相器25呈矩形阵列式排布，移相器25与腔室19一一对应。在本实施例中，每个移相器25都有与之对应的第一金属化过孔12和第二金属化过孔13与其电连接。在本实施例中，移相器25通过第一金属化过孔12与有源器件17电连接，使本发明的第一传输线21与移相器25之间串联有源器17，可以有效避免液晶移相器损耗引入的系统效率过低的问题，提升液晶相控阵天线整体性能。
如图6所示，在本发明的实施例中，第二传输线层11包括第二传输线23、功分/和路网络27，功分/和路网络27通过第二传输线23与第二金属化过孔13连接，实现信号汇总，最终实现相控阵天线功能。在本实施例中，本发明的功分/和路网络27的每条之路放置有隔直电容28，使本发明避免各个移相器25加载电压串扰。
如图7所示，本发明将以接收天线为例，阐述pcb液晶相控阵原理及实施方式。
接收天线单元由辐射片介质层1，辐射片，空气介质层18，第一传输线2，第一介质层3，开有缝隙的第一金属地板层4组成。天线单元将空间中电磁波信号接收为电信号传输至第一传输线右端。
pcb液晶相控阵原理：第一传输线21的右端与有源器件17级联，有源器件17将第一传输线21的电信号转化放大，经第一金属孔12引导至移相器层9。移相器层9与第二金属地板层7之间挖空的腔室中填充由液晶，通过在液晶层与第二金属地板层7加载电压可实现液晶分子的偏转，改变液晶垂直方向介电常数，进而实现相位可调。相位调整后的电信号经第二金属孔13引导至功分/和路网络27。合路网络每条之路放置有隔直电容28，避免各个移相器加载电压串扰。经第二金属孔13引导过来的电信号与相控阵天线中其他相位调整后的电信号合路，共同实现相控阵天线系统。
本发明为多层pcb液晶相控阵天线，可实现金属及非金属化孔技术，提升传输效率，降低信号泄露，实现器件焊接，减小支撑区域尺寸，提高支撑密度，提升系统性能及稳定度等。这是现有玻璃制盒液晶相控阵天线无法实现的技术难点。
本发明将有源器件放置于天线单元及液晶移相器之间，与将有源器件埋于pcb板内部技术相比，结构更简化，成本更低，更方便调试与测试。
本发明将有源器件放置于天线单元及液晶移相器之间，在总端口加载有源器件相比，提升了天线阵增益，降低移相器引入的系统噪声，有效提升发射天线eirp及接收天线g/t值。
在传统的技术方案中，从上到下顺序为天线罩层→空气介质层→带有缝隙的金属地板层→介质层→开路传输线→移相器；这种结构下，由于移相器必须封装在支撑物内部，导致传输线与移相器之间不能放置有源器件。而本发明将第一传输线开路、金属地板层开缝位序颠倒，即第一传输线位于空气介质层的下方，就可以实现在空气介质层放置有源器件的目的。进而实现在第一传输线与移相器之间放置有源器件的结构，最终实现弥补移相器损耗的目的。
第一传输线一端开路，与金属地板层的上缝隙、pcb介质板厚度、空气高度及辐射片尺寸一起决定天线单元辐射效率及谐振频点。第一传输线的另一端与包括功率放大器或低噪声放大器等在内的有源器件级联，实现射频信号的放大。放大后的信号经传输线、金属化过孔再与腔室内移相器连接，实现移相功能。有源器件放置于天线单元与移相器之间可有效降低移相器损耗带入的系统功能降低。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
1.一种pcb液晶相控阵天线，其特征在于，包括：
天线罩层和间隔层，
所述天线罩层与所述间隔层间隔设置，所述天线罩层与所述间隔层之间形成空气介质层；
所述间隔层形成若干个腔室，每个所述腔室中均设置有液晶；
第一传输线层，设置在所述间隔层上，并位于所述空气介质层中；
所述空气介质层设有源器件，所述有源器件设置在所述间隔层表面，所述有源器件与所述第一传输线层连接；
移相器层，与所述间隔层连接，并位于所述第一传输线层的相对侧，所述移相器层通过第一金属化过孔与所述有源器件电连接，所述第一金属化过孔贯穿所述间隔层；
第三介质层，与所述移相器层连接，并位于所述间隔层的相对侧；
第二传输线层，与所述第三介质层连接，并位于所述移相器层的相对侧，所述第二传输线层通过第二金属化过孔与所述移相器层电连接。
2.根据权利要求1所述的一种pcb液晶相控阵天线，其特征在于，
所述天线罩层包括辐射片层和辐射片介质层；
所述辐射片层设置在所述辐射片介质层上，并位于所述空气介质层中；
所述辐射片层由若干个辐射片组合构成，若干个所述辐射片呈矩形阵列式排布。
3.根据权利要求1所述的一种pcb液晶相控阵天线，其特征在于，
所述间隔层包括：
第一金属地板层、与所述天线罩层之间形成所述空气介质层的第一介质层，
所述第一金属地板层与所述第一介质层连接，并位于所述第一传输线层的相对侧；
第一pp层，与所述第一金属地板层连接，并位于所述第一介质层的相对侧；
第二介质层，与所述第一pp层连接，并位于所述第一金属地板层的相对侧；
第二金属地板层，与所述第二介质层连接，并位于所述第一pp层的相对侧；
第二pp层，与所述第二金属地板层连接，并位于所述第二介质层的相对侧；
所述第二pp层或第二介质层上形成若干个所述腔室。
4.根据权利要求3所述的一种pcb液晶相控阵天线，其特征在于，
若干个所述腔室呈矩形阵列式排布，相邻的两个所述腔室通过联通槽连接相通；
所述腔室为上下带有开口的腔室。
5.根据权利要求3所述的一种pcb液晶相控阵天线，其特征在于，
所述第一金属化过孔贯穿所述的第一介质层、第一金属地板层上的避让孔、第一pp层、第二介质层、第二金属地板层上的避让孔和第二pp层，并与所述腔室内设置有的传输线电连接；
所述避让孔的直径大于所述第一金属化过孔的直径。
6.根据权利要求1所述的一种pcb液晶相控阵天线，其特征在于，
所述第二金属化过孔一端与所述移相器层电连接，另一端贯穿所述第三介质层，并与所述第二传输线层电连接。
7.根据权利要求3所述的一种pcb液晶相控阵天线，其特征在于，
所述第一金属地板层通过第三金属化过孔与所述第二金属地板层电连接；
所述第三金属化过孔贯穿所述的第一介质层、第一金属地板层、第一pp层、第二介质层、第二金属地板层、第二pp层、移相器层和第三介质层。
8.根据权利要求3所述的一种pcb液晶相控阵天线，其特征在于，
还包括位于所述第一金属化过孔与所述第二金属化过孔之间的非金属化过孔；
所述非金属化过孔贯穿所述的第一介质层、第一金属地板层、第一pp层、第二介质层、第二金属地板层和第二pp层，所述非金属化过孔的孔腔与所述腔室连接相通；
所述非金属化过孔设置有两个，两个所述非金属化过孔间隔设置。
9.根据权利要求1所述的一种pcb液晶相控阵天线，其特征在于，
所述有源器件为功率放大器或低噪声放大器；
所述移相器层由若干个移相器组成，若干个移相器呈矩形阵列式排布，所述移相器与所述腔室一一对应。
10.根据权利要求1所述的一种pcb液晶相控阵天线，其特征在于，
所述第一传输线层包括第一传输线,所述第一传输线一端为开路，另一端与所述有源器件电连接；
所述第二传输线层包括第二传输线、功分/和路网络；
所述功分/和路网络通过所述第二传输线与所述第二金属化过孔电连接；
所述功分/和路网络的每条之路放置有隔直电容。
技术总结