微波液晶相控阵波束扫描控制器研究

2023-12-15冯泊宁高火涛张小林杨运坤梁立正

无线电工程 2023年12期

冯泊宁，高火涛* ，张小林，杨运坤，梁立正

(1.武汉大学电子信息学院，湖北武汉 430072；2.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230088；3.鸣飞伟业技术有限公司，湖北武汉 430070)

0 引言

相控阵可实现电磁波束对空间精确、灵活、稳定、无惯性的快速扫描,在激光、毫米波、太赫兹和微波雷达与通信等领域得到了广泛应用,是各军事强国一直以来关注的热点[1-3]。利用液晶材料在偏压作用下介电特性发生变化的特性来实现波束空间扫描的液晶相控阵是一种新型相控阵[4-6],具有驱动电压小、功耗低和响应速度快等优点[7],可以有效提高雷达波束控制的性能。因此,液晶相控阵成为目前相控阵技术的一个重要研究方向。液晶相控阵波束扫描的核心器件是360°移相角电控液晶移相器,其品质对整个相控阵的性能起着至关重要的作用,而控制液晶移相器的关键部件是偏压驱动器[8-10]。

目前,对于液晶相控阵的研究多集中在光学、太赫兹和毫米波等领域,且相对成熟,与之相对应的波控器也主要为光学、太赫兹和毫米波液晶相控阵[11-17],在微波段鲜见。为此,针对微波段液晶相控阵对波控器新的特殊需求,在分析微波液晶相控阵波控原理和波控器功能要求基础上,提出了一种液晶移相量与偏置电压关系的计算模型及波控器系统设计方案和硬件电路与控制软件研制方法,并利用液晶偏压-移相特性曲线,建立波束指向控制数据库。通过搭建波控测试试验平台进行静态指标和液晶相控阵扫描组件应用联试,验证设计方案的正确性和研制设备的实用性。

1 液晶移相基本原理与电控偏压分析

液晶相控阵的实质是液晶材料的分子空间排列取向或宏观介电特性或折射率随驱动控制电压变化而发生变化,进而使通过的电磁信号的相位发生改变,实现对波束的电控扫描[18-19]。

1.1 液晶移相器结构

图1为液晶材料介电特性随偏置电压变换原理。当偏置电压小于阈值电压时,液晶分子不发生偏转;当偏置电压大于阈值电压时,液晶分子的指向开始朝着平行于板间电场的方向偏转,当偏置电压足够大,除去紧挨着配向层的液晶,大部分液晶分子平行于板间电场。与之对应,有效介电常数完成从ε⊥到ε‖的转换。

图1 液晶材料介电特性随偏置电压变换原理Fig.1 Schematic diagram of the dielectric properties of liquid crystal materials changing with bias voltage

式(1)表示液晶材料有效介电常数改变时产生的差分相移:

(1)

式中:β‖为液晶处于饱和偏置时的相移常数,β⊥为无偏置有配向时的相移常数,Lp为移相器的物理长度,c0为光在真空中的传播速度。由此可知,液晶移相器可在移相物理长度确定的情况下通过改变液晶材料介电常数,从而达到移相的目的。而改变液晶材料的介电常数或折射率的核心方法是根据液晶材料的介电常数与偏压的关系,调整施加在液晶材料电极上的电压。

1.2 液晶移相器等效电学模型

对液晶移相器的上下极板施加偏置电压,极间电场使液晶分子产生取向极化,同时还会伴随产生电子位移极化。一般情况下,有极分子电介质的取向极化效应远远强于电子位移极化。因此,在液晶移相器中,其极化过程主要考虑取向极化[20]。相较于液晶分子指向矢的变化,取向极化过程中产生的偶极重取的弛豫时间远小于指向矢偏转的弛豫时间。当极间偏置电压反向时,外电场对电偶极矩的力矩方向不变,因此,可通过低频交流电驱动移相器。相较于直流电压驱动,交流电驱动能够很好地避免电极老化和离子迁移效应[21]。

(a)液晶移相器等效电路图

(b)液晶移相器等效简化电路

1.3 液晶移相器偏压驱动分析

研究液晶移相器的相位与偏压的关系,首先需要获得液晶指向矢与外加电场间的关系。

由虎克定理可得液晶弹性自由能密度为:

(2)

式中:K11、K22、K33分别为液晶分子的展曲、扭曲、弯曲弹性系数。液晶分子主轴方向的指向矢n=(cosθcosφ,cosθsinφ,sinθ),如图3所示。电场自由能密度为:

(3)

式中:D=εE,E=-∇Φ,Φ为电势。

图3 液晶分子指向矢空间示意Fig.3 Schematic diagram of director space of liquid crystal molecules

在一维情况下,液晶分子指向矢只有x、y方向的分量且∂/∂x=0,因此液晶的总吉布斯自由能密度为:

(4)

式中:Δε=ε‖-ε⊥。由Frank-Oseen的液晶连续体弹性形变理论可知,液晶分子处于稳定状态时,其吉布斯弹性自由能最小。应用变分原理,液晶指向矢各分量及电位对应的Euler-Lagrange方程表示为:

(5)

采用中心差分格式取代微分项进行迭代,控制迭代误差小于设定阈值,即可求得液晶分子指向矢分布的最优解。

根据1.2节中的移相器电学模型,由分压公式可得实际加载在液晶层上的电压为:

(6)

(7)

式中:n‖为液晶分子不发生偏转时的e光折射率,ne(ULCD,z)为电压ULCD时z处的e光折射率,可由此处的液晶指向矢得到。结合式(7),将液晶移相器的材料参数和结构参数代入仿真模型中,在不同的偏置电压US下,可以得到如图4所示的典型频点下的偏压-移相曲线。

图4 液晶移相器偏压-移相曲线Fig.4 Liquid crystal phase shifter bias-phase shift curve

可以看出,液晶分子偏转的阈值电压约为5 V。当偏置电压小于5 V时,液晶分子几乎不发生偏转,对应的介电常数变化也很小。当偏置电压大于5 V时,移相器的移相量随偏置电压的上升有较明显的改变。当偏置电压接近30 V时,移相量已接近饱和。因此,根据上述液晶材料特性和液晶相控阵基本设计要求,波控器需要实现在0～30 V内步进可调。

依据图2(b)所示电学模型,在液晶移相器两端加载偏置电压的过程可等效为电容充电的过程。其充放电时间与偏置电压频率有关。

(8)

以10倍安全系数选取交流电频率,经过计算,采用占空比50%,频率为1 kHz的方波信号驱动液晶移相器。

2 波束控制系统设计方案

微波段液晶相控阵扫描组件是相控阵系统的核心部件,主要由波控器、液晶移相器和天线阵列三部分组成。波控器的主要功能是接收指令、生成移相数据并进行传输和驱动。

为实现100单元的相控阵驱动,根据模块化设计方法,波控系统主要由电源模块、数据通信模块、上位机管理模块、存储模块、运算器以及移相驱动器六部分构成。电源模块主要负责波控器各模块的供电。存储器模块负责缓存上位机管理系统发送的通信数据和控制指令。上位机与运算器(FPGA)间的通信通过USB2.0实现,通信内容包括控制指令和电压数据的接收以及运算结果和驱动状态的反馈。图5为波控器和液晶相控阵系统框架。

图5 波控器和液晶相控阵系统框架Fig.5 Schematic diagram of composition of the wave controller and the liquid crystal phased array

2.1 运算器模块

运算器选用Altera公司的Cyclone IV系列EP4CE10型号FPGA。该芯片内置10 000个逻辑单元(Logic Element,LE),179个用户I/O接口,以及丰富的RAM资源。支持LVTTL、LVDS、PCI等多种I/O标准。片上50 MHz时钟可通过内部PLL IP核倍频至200 MHz作为嵌入式软核Nios II的工作时钟。移相数据转换及驱动器控制均由 Nios II软核完成。

2.2 驱动器模块

驱动器由AD5504芯片及门控芯片74HC245组成。主要负责将运算器的数据以特定的通信协议加载到液晶相控阵的各个电极上。AD5504是一款四通道、12位、支持SPI接口的串行输入高压数模转换器。由于其单个封装中共包含4个DAC,因此,需要25片AD5504以实现对100路移相器同时提供偏压。根据芯片设计要求,为实现偏置电压0～30 V步进可调,供电电源VDD至少应设置为30.5 V以使用最大DAC的分辨率。采用74HC245芯片作为门控,实现对25片AD5504进行片选。AD5504通过LDAC引脚进行数据更新。在FPGA的控制下,该引脚在所有AD5504芯片经过遍历后被同时拉低。此时所有数据从输入寄存器复制到DAC 寄存器,完成DAC输出的同步更新。

2.3 上位机管理模块

波控系统的工作流程如图6所示。波控器由多个模块组成,为实现集中控制,设计了上位机管理模块,如图7所示。上位机管理模块主要负责波控器的启停、工作模式选择、通信模式选择和参数显示等工作。上位机根据预设扫描角度的大小计算出相控阵每个单元所需的相位调制量,然后通过对应的偏压-移相曲线得到每个单元所需的偏置电压。

图6 波控系统工作示意Fig.6 Schematic diagram of wave control system operation

图7 上位机管理系统Fig.7 PC management system

系统上电后,首先对波控器进行初始化,包括电源检测、通信接口检测和驱动器检测。检测完成后,进行通信参数设置并打开USB设备。然后进行波控器的工作模式设定。波控器可实现自动扫描和手动扫描。在自动扫描模式下,用户通过设置工作频率、φ方向的波束方向以及波束指向方向的保持时间,可实现液晶相控阵在θ方向0°～45°以15°的步进值周期循环扫描。在手动扫描模式下,用户通过设置工作频率、φ和θ方向的波束方向,可实现液晶相控阵的波束定向指向。

3 测试与验证

3.1 静态指标测试

为验证设计方案的正确性,在DAC最大量程为30 V的情况下选取了8组频率为1 kHz、幅值不同的方波进行输出电压测试,测试结果如表1所示。图8为波控器输出电压示波器显示图(典型结果)。

表1 目标电压与实测电压比较(典型结果)Tab.1 Target voltage vs. measured voltage (typical results) 单位:V

(a)目标电压幅值为0.72、13.66 V的实测图

(b)目标电压幅值为20.00、30.00 V的实测图

从以上结果可见,波控器电压的实测值与目标值间最大相差40 mV,统计平均误差小于25 mV,输出频率误差小于1 Hz,波控器的驱动数据响应频率高于100 Hz,波控器FPGA处理时间远远小于1 ms,电压可在0～30 V实现步进可调,电压步进粒度为7.3 mV,各指标均达到设计要求。

3.2 微波暗室系统联试

波控器系统测试原理及测试现场如图9所示。在微波暗室中,通过垂直平面扫描方法分别在15、16、17 GHz这3个频点对液晶相控阵系统的近场方向图进行测量,以验证波控器输出的偏置电压是否能够使波束指向预定角度。

(a)实验室静态指标测试现场

由实验结果可得,当不施加偏置电压时,液晶相控阵的波束指向与阵面法线方向平行,如图10所示。图11、图12和图13分别展示了液晶相控阵波束俯仰角在15°、30°和45°时的方向图。可以看到,液晶相控阵在波控器的控制下波束扫描范围可达±45°。在典型频率下,天线阵波束偏转角度精确,进一步验证了设计的波束控制系统的正确性。