微波液晶相控陣波束掃描控制器研究

馮泊寧，高火濤* ，張小林，楊運坤，梁立正

(1.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088；3.鳴飛偉業(yè)技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

相控陣可實現(xiàn)電磁波束對空間精確、靈活、穩(wěn)定、無慣性的快速掃描,在激光、毫米波、太赫茲和微波雷達(dá)與通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,是各軍事強國一直以來關(guān)注的熱點[1-3]。利用液晶材料在偏壓作用下介電特性發(fā)生變化的特性來實現(xiàn)波束空間掃描的液晶相控陣是一種新型相控陣[4-6],具有驅(qū)動電壓小、功耗低和響應(yīng)速度快等優(yōu)點[7],可以有效提高雷達(dá)波束控制的性能。因此,液晶相控陣成為目前相控陣技術(shù)的一個重要研究方向。液晶相控陣波束掃描的核心器件是360°移相角電控液晶移相器,其品質(zhì)對整個相控陣的性能起著至關(guān)重要的作用,而控制液晶移相器的關(guān)鍵部件是偏壓驅(qū)動器[8-10]。

目前,對于液晶相控陣的研究多集中在光學(xué)、太赫茲和毫米波等領(lǐng)域,且相對成熟,與之相對應(yīng)的波控器也主要為光學(xué)、太赫茲和毫米波液晶相控陣[11-17],在微波段鮮見。為此,針對微波段液晶相控陣對波控器新的特殊需求,在分析微波液晶相控陣波控原理和波控器功能要求基礎(chǔ)上,提出了一種液晶移相量與偏置電壓關(guān)系的計算模型及波控器系統(tǒng)設(shè)計方案和硬件電路與控制軟件研制方法,并利用液晶偏壓-移相特性曲線,建立波束指向控制數(shù)據(jù)庫。通過搭建波控測試試驗平臺進(jìn)行靜態(tài)指標(biāo)和液晶相控陣掃描組件應(yīng)用聯(lián)試,驗證設(shè)計方案的正確性和研制設(shè)備的實用性。

1 液晶移相基本原理與電控偏壓分析

液晶相控陣的實質(zhì)是液晶材料的分子空間排列取向或宏觀介電特性或折射率隨驅(qū)動控制電壓變化而發(fā)生變化,進(jìn)而使通過的電磁信號的相位發(fā)生改變,實現(xiàn)對波束的電控掃描[18-19]。

1.1 液晶移相器結(jié)構(gòu)

圖1為液晶材料介電特性隨偏置電壓變換原理。當(dāng)偏置電壓小于閾值電壓時,液晶分子不發(fā)生偏轉(zhuǎn);當(dāng)偏置電壓大于閾值電壓時,液晶分子的指向開始朝著平行于板間電場的方向偏轉(zhuǎn),當(dāng)偏置電壓足夠大,除去緊挨著配向?qū)拥囊壕?大部分液晶分子平行于板間電場。與之對應(yīng),有效介電常數(shù)完成從ε⊥到ε‖的轉(zhuǎn)換。

圖1 液晶材料介電特性隨偏置電壓變換原理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電常數(shù)改變時產(chǎn)生的差分相移:

(1)

式中:β‖為液晶處于飽和偏置時的相移常數(shù),β⊥為無偏置有配向時的相移常數(shù),Lp為移相器的物理長度,c0為光在真空中的傳播速度。由此可知,液晶移相器可在移相物理長度確定的情況下通過改變液晶材料介電常數(shù),從而達(dá)到移相的目的。而改變液晶材料的介電常數(shù)或折射率的核心方法是根據(jù)液晶材料的介電常數(shù)與偏壓的關(guān)系,調(diào)整施加在液晶材料電極上的電壓。

1.2 液晶移相器等效電學(xué)模型

對液晶移相器的上下極板施加偏置電壓,極間電場使液晶分子產(chǎn)生取向極化,同時還會伴隨產(chǎn)生電子位移極化。一般情況下,有極分子電介質(zhì)的取向極化效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于電子位移極化。因此,在液晶移相器中,其極化過程主要考慮取向極化[20]。相較于液晶分子指向矢的變化,取向極化過程中產(chǎn)生的偶極重取的弛豫時間遠(yuǎn)小于指向矢偏轉(zhuǎn)的弛豫時間。當(dāng)極間偏置電壓反向時,外電場對電偶極矩的力矩方向不變,因此,可通過低頻交流電驅(qū)動移相器。相較于直流電壓驅(qū)動,交流電驅(qū)動能夠很好地避免電極老化和離子遷移效應(yīng)[21]。

(a)液晶移相器等效電路圖

(b)液晶移相器等效簡化電路

1.3 液晶移相器偏壓驅(qū)動分析

研究液晶移相器的相位與偏壓的關(guān)系,首先需要獲得液晶指向矢與外加電場間的關(guān)系。

由虎克定理可得液晶彈性自由能密度為:

(2)

式中:K11、K22、K33分別為液晶分子的展曲、扭曲、彎曲彈性系數(shù)。液晶分子主軸方向的指向矢n=(cosθcosφ,cosθsinφ,sinθ),如圖3所示。電場自由能密度為:

(3)

式中:D=εE,E=-?Φ,Φ為電勢。

圖3 液晶分子指向矢空間示意Fig.3 Schematic diagram of director space of liquid crystal molecules

在一維情況下,液晶分子指向矢只有x、y方向的分量且?/?x=0,因此液晶的總吉布斯自由能密度為:

(4)

式中:Δε=ε‖-ε⊥。由Frank-Oseen的液晶連續(xù)體彈性形變理論可知,液晶分子處于穩(wěn)定狀態(tài)時,其吉布斯彈性自由能最小。應(yīng)用變分原理,液晶指向矢各分量及電位對應(yīng)的Euler-Lagrange方程表示為:

(5)

采用中心差分格式取代微分項進(jìn)行迭代,控制迭代誤差小于設(shè)定閾值,即可求得液晶分子指向矢分布的最優(yōu)解。

根據(jù)1.2節(jié)中的移相器電學(xué)模型,由分壓公式可得實際加載在液晶層上的電壓為:

(6)

(7)

式中:n‖為液晶分子不發(fā)生偏轉(zhuǎn)時的e光折射率,ne(ULCD,z)為電壓ULCD時z處的e光折射率,可由此處的液晶指向矢得到。結(jié)合式(7),將液晶移相器的材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)代入仿真模型中,在不同的偏置電壓US下,可以得到如圖4所示的典型頻點下的偏壓-移相曲線。

圖4 液晶移相器偏壓-移相曲線Fig.4 Liquid crystal phase shifter bias-phase shift curve

可以看出,液晶分子偏轉(zhuǎn)的閾值電壓約為5 V。當(dāng)偏置電壓小于5 V時,液晶分子幾乎不發(fā)生偏轉(zhuǎn),對應(yīng)的介電常數(shù)變化也很小。當(dāng)偏置電壓大于5 V時,移相器的移相量隨偏置電壓的上升有較明顯的改變。當(dāng)偏置電壓接近30 V時,移相量已接近飽和。因此,根據(jù)上述液晶材料特性和液晶相控陣基本設(shè)計要求,波控器需要實現(xiàn)在0～30 V內(nèi)步進(jìn)可調(diào)。

依據(jù)圖2(b)所示電學(xué)模型,在液晶移相器兩端加載偏置電壓的過程可等效為電容充電的過程。其充放電時間與偏置電壓頻率有關(guān)。

(8)

以10倍安全系數(shù)選取交流電頻率,經(jīng)過計算,采用占空比50%,頻率為1 kHz的方波信號驅(qū)動液晶移相器。

2 波束控制系統(tǒng)設(shè)計方案

微波段液晶相控陣掃描組件是相控陣系統(tǒng)的核心部件,主要由波控器、液晶移相器和天線陣列三部分組成。波控器的主要功能是接收指令、生成移相數(shù)據(jù)并進(jìn)行傳輸和驅(qū)動。

為實現(xiàn)100單元的相控陣驅(qū)動,根據(jù)模塊化設(shè)計方法,波控系統(tǒng)主要由電源模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、上位機管理模塊、存儲模塊、運算器以及移相驅(qū)動器六部分構(gòu)成。電源模塊主要負(fù)責(zé)波控器各模塊的供電。存儲器模塊負(fù)責(zé)緩存上位機管理系統(tǒng)發(fā)送的通信數(shù)據(jù)和控制指令。上位機與運算器(FPGA)間的通信通過USB2.0實現(xiàn),通信內(nèi)容包括控制指令和電壓數(shù)據(jù)的接收以及運算結(jié)果和驅(qū)動狀態(tài)的反饋。圖5為波控器和液晶相控陣系統(tǒng)框架。

圖5 波控器和液晶相控陣系統(tǒng)框架Fig.5 Schematic diagram of composition of the wave controller and the liquid crystal phased array

2.1 運算器模塊

運算器選用Altera公司的Cyclone IV系列EP4CE10型號FPGA。該芯片內(nèi)置10 000個邏輯單元(Logic Element,LE),179個用戶I/O接口,以及豐富的RAM資源。支持LVTTL、LVDS、PCI等多種I/O標(biāo)準(zhǔn)。片上50 MHz時鐘可通過內(nèi)部PLL IP核倍頻至200 MHz作為嵌入式軟核Nios II的工作時鐘。移相數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及驅(qū)動器控制均由 Nios II軟核完成。

2.2 驅(qū)動器模塊

驅(qū)動器由AD5504芯片及門控芯片74HC245組成。主要負(fù)責(zé)將運算器的數(shù)據(jù)以特定的通信協(xié)議加載到液晶相控陣的各個電極上。AD5504是一款四通道、12位、支持SPI接口的串行輸入高壓數(shù)模轉(zhuǎn)換器。由于其單個封裝中共包含4個DAC,因此,需要25片AD5504以實現(xiàn)對100路移相器同時提供偏壓。根據(jù)芯片設(shè)計要求,為實現(xiàn)偏置電壓0～30 V步進(jìn)可調(diào),供電電源VDD至少應(yīng)設(shè)置為30.5 V以使用最大DAC的分辨率。采用74HC245芯片作為門控,實現(xiàn)對25片AD5504進(jìn)行片選。AD5504通過LDAC引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。在FPGA的控制下,該引腳在所有AD5504芯片經(jīng)過遍歷后被同時拉低。此時所有數(shù)據(jù)從輸入寄存器復(fù)制到DAC 寄存器,完成DAC輸出的同步更新。

2.3 上位機管理模塊

波控系統(tǒng)的工作流程如圖6所示。波控器由多個模塊組成,為實現(xiàn)集中控制,設(shè)計了上位機管理模塊,如圖7所示。上位機管理模塊主要負(fù)責(zé)波控器的啟停、工作模式選擇、通信模式選擇和參數(shù)顯示等工作。上位機根據(jù)預(yù)設(shè)掃描角度的大小計算出相控陣每個單元所需的相位調(diào)制量,然后通過對應(yīng)的偏壓-移相曲線得到每個單元所需的偏置電壓。

圖6 波控系統(tǒng)工作示意Fig.6 Schematic diagram of wave control system operation

圖7 上位機管理系統(tǒng)Fig.7 PC management system

系統(tǒng)上電后,首先對波控器進(jìn)行初始化,包括電源檢測、通信接口檢測和驅(qū)動器檢測。檢測完成后,進(jìn)行通信參數(shù)設(shè)置并打開USB設(shè)備。然后進(jìn)行波控器的工作模式設(shè)定。波控器可實現(xiàn)自動掃描和手動掃描。在自動掃描模式下,用戶通過設(shè)置工作頻率、φ方向的波束方向以及波束指向方向的保持時間,可實現(xiàn)液晶相控陣在θ方向0°～45°以15°的步進(jìn)值周期循環(huán)掃描。在手動掃描模式下,用戶通過設(shè)置工作頻率、φ和θ方向的波束方向,可實現(xiàn)液晶相控陣的波束定向指向。

3 測試與驗證

3.1 靜態(tài)指標(biāo)測試

為驗證設(shè)計方案的正確性,在DAC最大量程為30 V的情況下選取了8組頻率為1 kHz、幅值不同的方波進(jìn)行輸出電壓測試,測試結(jié)果如表1所示。圖8為波控器輸出電壓示波器顯示圖(典型結(jié)果)。

表1 目標(biāo)電壓與實測電壓比較(典型結(jié)果)Tab.1 Target voltage vs. measured voltage (typical results) 單位:V

(a)目標(biāo)電壓幅值為0.72、13.66 V的實測圖

(b)目標(biāo)電壓幅值為20.00、30.00 V的實測圖

從以上結(jié)果可見,波控器電壓的實測值與目標(biāo)值間最大相差40 mV,統(tǒng)計平均誤差小于25 mV,輸出頻率誤差小于1 Hz,波控器的驅(qū)動數(shù)據(jù)響應(yīng)頻率高于100 Hz,波控器FPGA處理時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1 ms,電壓可在0～30 V實現(xiàn)步進(jìn)可調(diào),電壓步進(jìn)粒度為7.3 mV,各指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求。

3.2 微波暗室系統(tǒng)聯(lián)試

波控器系統(tǒng)測試原理及測試現(xiàn)場如圖9所示。在微波暗室中,通過垂直平面掃描方法分別在15、16、17 GHz這3個頻點對液晶相控陣系統(tǒng)的近場方向圖進(jìn)行測量,以驗證波控器輸出的偏置電壓是否能夠使波束指向預(yù)定角度。

(a)實驗室靜態(tài)指標(biāo)測試現(xiàn)場

由實驗結(jié)果可得,當(dāng)不施加偏置電壓時,液晶相控陣的波束指向與陣面法線方向平行,如圖10所示。圖11、圖12和圖13分別展示了液晶相控陣波束俯仰角在15°、30°和45°時的方向圖。可以看到,液晶相控陣在波控器的控制下波束掃描范圍可達(dá)±45°。在典型頻率下,天線陣波束偏轉(zhuǎn)角度精確,進(jìn)一步驗證了設(shè)計的波束控制系統(tǒng)的正確性。

(a)f=15 GHz

(b)f=15.8 GHz

(c)f=17 GHz

(a)f=15 GHz

(b)f=15.8 GHz

(c)f=17 GHz

(a)f=15 GHz

(b)f=16 GHz

(c)f=17 GHz

(a)f=15 GHz

(b)f=16 GHz

(c)f=16.8 GHz

4 結(jié)束語

針對微波段液晶相控陣對波控器新的特殊需求,在分析液晶相控陣波控器功能要求基礎(chǔ)上,提出了液晶移相量與偏置電壓關(guān)系的計算模型,解算并繪制出了偏壓-移相曲線。基于模塊化和FPGA控制技術(shù),設(shè)計和研制了100路波控器系統(tǒng)及上位機控制系統(tǒng)。

測試結(jié)果表明,研制的波控器電壓調(diào)控范圍大、輸出頻率誤差小、驅(qū)動數(shù)據(jù)刷新頻率高。在與液晶相控陣的聯(lián)試中,通過波控器的控制,實際天線陣波束指向與目標(biāo)偏轉(zhuǎn)角度一致。波束控制系統(tǒng)的設(shè)計達(dá)到了預(yù)期目標(biāo),同時,也為液晶相控陣系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了技術(shù)支撐。