CN105489987A - 一种基于液晶材料的基片集成波导微波可调滤波器 - Google Patents

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Abstract

该发明公开了一种基于液晶材料的基片集成波导微波可调滤波器，属于无线通信、卫星通信、雷达系统等技术领域，具体涉及一种基于液晶材料的滤波器。解决现有的封装过程中液晶材料泄露的问题，通过层间通孔互连与带线阶梯型阻抗变换的方式解决阻抗失配的问题，采用直接接触式馈电来加入调制电压，通过在基片集成波导上表面金属层上刻蚀开口谐振环结构实现带通滤波器，将基片集成波导上表面金属层倒置与液晶材料接触，形成基于液晶材料的基片集成波导可调滤波器。解决了传统封装方法中液晶泄露的问题，具有阻抗匹配、该滤波器频率响应的连续可调的效果。

Description

一种基于液晶材料的基片集成波导微波可调滤波器
技术领域
本发明属于无线通信、卫星通信、雷达系统等技术领域，具体涉及一种基于液晶材料的滤波器。
背景技术
随着现代无线通信技术的快速发展，无线通信技术的应用日益繁多，频率资源紧张的问题日益突出，越来越多的应用环境要求其所用的电路具备高性能、高集成度、频率可调谐、多频带、低成本等特点，进而提高频谱资源的利用率。可调滤波器正是实现频率选择、分配等技术的关键器件。因此，重量轻、尺寸小、调谐电压低、调谐速度快、调谐范围宽、损耗低、品质因数高、功率容量大、集成度高等成为设计现代可调滤波器的要求。
现有的微波滤波器的主要实现形式有集总元件型和传输线型，传输线型滤波器的传输结构主要包括波导、同轴线、带状线和微带线等。波导型的微波滤波器具有损耗低、品质因数高和功率容量大的优点，但其缺点是尺寸较大，不利于系统的小型化和高度集成化。同轴线型的微波滤波器具有电磁屏蔽性能好、损耗低和尺寸小等优点，但工作频率较高(10GHz以上)时，该类微带滤波器的物理尺寸会太小，使加工困难。平面电路中常用的带线滤波器具有尺寸小、易加工、高集成度等优点，但其辐射损耗较大。
基片集成波导(SIW)型微波滤波器继承了波导型微波滤波器的损耗低、品质因数高、功率容量大等优点，同时也集合了带线型微波滤波器的低剖面、小尺寸、高集成度等优点。
目前，已有公开的技术当中，实现微波器件频率可调谐的技术主要包括：铁氧体铁电材料调谐、可变二极管调谐、射频微机电系统(RFMEMS)调谐。铁氧体器件的调谐速度慢、体积大；铁电材料(如BST)调谐技术的线性度较差，同时其材料(Ba0.45Sr0.55TiO3)的密度为5.9-6.0g/cm3，大于采用液晶材料的密度1.0096g/cm3,相同条件下，采用BST铁电薄膜的可调器件的重量远大于采用液晶材料的可调器件的重量，故采用液晶材料更加有利于满足轻重量的无线通信应用环境，如移动设备、航空航天设备等，另外，采用BST铁电薄膜技术所需要的调谐电压最高需达到30V，这也远大于采用液晶材料调谐时所使用的调谐电压(最高约为10V)；变容二极管的调谐速度快，但该技术的偏置电压电路比较复杂，同时线性度差；RFMEMS性能指标比较好，但该技术的损耗较大，其偏置电压电路比较复杂，成本高。
基于上述可调技术实现的微波可调滤波器的性能指标已不能满足现代无线通信的发展要求，所以运用新材料、新技术、新工艺、新方法设计高性能的微波可调滤波器是必然的发展趋势。最近出现的利用场致液晶材料的新型调谐方式，具有低成本、小型化、较低的工作电压以及方便加工等优势，并且利用该材料的介电常数随电场可调谐的特点制作的可调谐微波滤波器，能够弥补传统可调微波滤波器的不足，同时其重量轻、调谐电压低等特点更加能够满足现代无线通信工程应用中的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于液晶材料的基片集成波导微波可调滤波器的新型封装及其设计方法，解决现有的封装过程中液晶材料泄露的问题，通过层间通孔互连与带线阶梯型阻抗变换的方式解决阻抗失配的问题，采用直接接触式馈电来加入调制电压，通过在基片集成波导上表面金属层上刻蚀开口谐振环结构实现带通滤波器，将基片集成波导上表面金属层倒置与液晶材料接触，形成基于液晶材料的基片集成波导可调滤波器。
本发明的技术方案是一种基于液晶材料的新型基片集成波导微波可调滤波器,该滤波器包括:金属载板(29),设置于金属载板上的中间层介质基板(28),设置于中间层介质基板上的上层介质基板(1)；所述上层介质基板一端上表面设置输入共面波导馈线(2)，输入共面波导馈线末端通过金属化信号通孔(6)连接位于下表面的微带线(8)，微带线(8)通过阶梯阻抗变换器(9)与基片集成波导上层金属面(11)连接，基片集成波导上层金属面另一端通过阶梯阻抗变换器(19)与微带线(20)连接，微带线(20)的末端通过金属化信号通孔(23)连接位于上表面的输出共面波导馈线(26)；所述输入共面波导馈线(2)与输出共面波导馈线(26)两侧各设置一共面波导的金属接地面，所述基片集成波导上层金属面(11)上开设有未封闭的谐振环，所述上层介质基板上设有液晶注入孔；所述中间层介质基板(28)为环状，中间镂空，沿信号传播方向的两侧设置有金属化屏蔽通孔(16)，防止信号泄露；通过上层介质基板上设有的液晶注入孔往中间层介质基板的镂空部分注入液晶，最后再密封液晶注入孔。
进一步的，所述基片集成波导上层金属面(11)上沿信号传播方向开设有3个未封闭的谐振环，第二个谐振环的尺寸大于第一个和第三个谐振环，第一个和第三个谐振环大小相同。
进一步的，所述上层介质基板上设有多个液晶注入孔，分别位于中间层介质基板的镂空部分的正上方。
进一步的，所述输入/输出共面波导馈线为50欧姆共面波导馈线。
进一步的，所述上层介质基板厚度为0.254mm；28为中间层介质基板厚度为0.254mm；29为金属载板厚度为1mm。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用的结构能够有效封装液晶。采用的方法是将该中间层介质基板上刻蚀出镂空结构，并将其镂空以外部分通过导电胶粘合在底层金属载板上，形成与该介质基板同样厚度的凹槽，用以容纳液晶材料，然后将顶层介质基板通过导电胶粘合在有凹槽的介质基板上，从而实现了液晶的封装，解决了传统封装方法中液晶泄露的问题；
2、本发明采用的结构克服了由液晶器件调谐过程中由于阻抗变化而引入的阻抗失配问题。采用的方法是通过层间通孔互连的方式将液晶接触部分的基片集成波导倒置金属层过渡到上层具有固定阻抗的共面波导结构，并在金属通孔与导致金属层之间采用阶梯阻抗过渡的方法来达到阻抗匹配的目的，从而解决了阻抗失配问题；
3、本发明使得基片集成波导能够快速应用于液晶可调滤波器设计。本发明采用的是接触式馈电于开口谐振环缺陷地结构的方法，即谐振单元采用开口谐振环缺陷地结构，输入输出的馈线采用直接接触式馈电的方式，这样保持了整个滤波器的低频通路，用以加载低频调制电压，从而解决了传统宽边耦合滤波器由于不连续性而无法加载调制电压的问题；
4、本发明可以得到连续可调的滤波响应。采用外置电压调制液晶的方法，使得液晶的介电常数在一定范围内连续可调，从而实现该滤波器频率响应的连续可调。
附图说明
图1为本发明基片集成波导液晶可调滤波器的三维图；
图2为该可调滤波器的侧视图
图3为该可调滤波器上层介质基板正面示意图
图4为该可调滤波器上层介质基板背面示意图
图5为该可调滤波器中间层介质基板正面示意图
图6为该可调滤波器中间层介质基板背面示意图
图7为该可调滤波器金属载板正面示意图
图8为该可调滤波器金属载板背面示意图
对附图中的标示说明如下：
2、26为输入输出50欧姆共面波导馈线；3、4、25、27为共面波导的金属接地面；6、23为金属化信号通孔；16为金属化屏蔽通孔；5、7、21、22为金属化信号通孔圆盘；8、20为上层介质基板下表面倒置微带线；9、19为阶梯阻抗变换器；13、14、15为开口谐振环；11为基片集成波导上层金属面，1为上层介质基板(厚度为0.254mm)；28为中间层介质基板(厚度为0.254mm)；29为金属载板(厚度为1mm)；10、12、18、24为液晶注入孔(非金属化通孔)；17为中间层介质基板上的凹槽(厚度为0.254mm)。
具体实施方式
1.解决了液晶的封装问题。采用的方法是将该中间层介质基板上刻蚀出镂空结构，并将其镂空以外部分通过导电胶粘合在底层金属载板上，形成与该介质基板同样厚度的凹槽，用以容纳液晶材料，然后将顶层介质基板通过导电胶粘合在有凹槽的介质基板上，从而实现了液晶的封装，解决了传统封装方法中液晶泄露的问题，极大提高了工程应用价值；
2.解决了由液晶器件调谐过程中由于阻抗变化而引入的阻抗失配问题。采用的方法是通过层间通孔互连的方式将液晶接触部分的基片集成波导倒置金属层过渡到上层具有固定阻抗的共面波导结构，并在金属通孔与导致金属层之间采用阶梯阻抗过渡的方法来达到阻抗匹配的目的，从而解决了阻抗失配问题；
3.解决了传统宽边耦合滤波器无法加载调制电压的问题，本发明采用的是接触式馈电开口谐振环缺陷地结构的方法，即谐振单元采用开口谐振环缺陷地结构，输入输出的馈线采用直接接触式馈电的方式，这样保持了整个滤波器的低频通路，用以加载低频调制电压，从而解决了传统宽边耦合滤波器由于不连续性而无法加载调制电压的问题；
本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供基于液晶材料基片集成波导微波可调滤波器的新型封装，其具体结构如图1所示，包括以下部件：
介质基板和金属载板。其中，介质基板用以承载输入输出馈线和基片集成波导的上金属面；金属载板一方面作为基片集成波导的下金属面；另一方面作为容纳液晶的凹槽的下表面。二者在装配时通过导电胶粘合在一起实现对液晶的封装。
1)介质基板：
上层介质基板的下表面蚀刻的是馈线结构和基片集成波导的带谐振单元的上金属面，谐振单元采用开口谐振环缺陷地结构，信号通过馈线馈入后经过谐振单元形成所需的滤波器频率响应。上层介质基板的上表面蚀刻的是50欧姆共面波导作为输入输出端口，50欧姆共面波导端口经由金属化通孔与下表面的馈线相连接，一方面通过连续的金属连接加载调制电压，另一方面弥补了上下面传输线不连续性问题。
2)金属载板：
金属载板上表面与具有镂空结构的介质基板通过导电胶粘合在一起，形成与介质基板同厚度的凹槽，该凹槽用于容纳液晶；另一方面，金属载板亦作为基片集成波导的下表面。
3)装配：
将金属载板与介质基板、介质基板与介质基板均通过导电胶粘合在一起后，通过在上层介质基板上面预留的注入孔注入液晶，然后用AB胶密封预留的注入孔以致完成装配。
4)工作过程：
通过Bias-T将外部调制电压加载到射频信号上后，经由上层介质基板的上层输入输出端口输入到所设计的基片集成波导滤波器。当调制信号峰值电压幅度为0时，液晶分子的长轴之间彼此平行，且平行于介质基板，此时的介电常数较小。当调制信号峰值电压幅度增加时，介质基板凹槽内液晶分子的指向会逐渐向电场方向发生偏转，直到调制电压足够高且达到该液晶材料的饱和电压时，该液晶的极化达到饱和，在此过程中该液晶的介电常数随之增大并达到最大值。
正是因为该液晶材料的介电常数能够随着调制电压的变化而变化，导致谐振单元的电长度随着液晶介电常数的改变而改变，从而其谐振频率随之发生改变，故最终实现连续可调的滤波器频率响应。
本发明提供了一种基于液晶材料的基片集成波导微波可调滤波器的新型封装及其设计方法，其三维结构图如图1所示，侧视图如图2所示。该滤波器采用的是在基片集成波导上层金属面(11)上刻蚀开口谐振环(13、14、15)实现带通特性；基片集成波导上层金属面(11)、中间层介质基板两侧的金属化屏蔽通孔(16)以及最下层金属载板(29)共同构成基片集成波导；上层介质基板下表面倒置微带线(8、20)通过阶梯阻抗变换器(9、19)与基片集成波导上层金属面(11)连接形成微带线到基片集成波导的阻抗匹配过渡；金属化信号通孔圆盘(5、7、21、22)处于输入输出50欧姆共面波导馈线(2、26)与上层介质基板下表面倒置微带线(8、20)的连接处，能有效减小传输线与信号通孔之间的信号不连续性；液晶装载于中间层介质基板(28)上的凹槽(17)中。外部信号通过输入输出50欧姆共面波导馈线(2、26)进入滤波器形成所需的频率响应，与射频信号叠加在一起的低频调制信号(通过Bias-T接入)也通过倒置微带部分产生所需的电场并调制液晶材料改变其介电常数，从而形成频率响应可调。上层介质基板下表面倒置微带线(8、20)通过两个金属化信号通孔(6、23)穿过上层介质基板(1)过渡到上层介质基板(1)上表面与外部固定输入输出50欧姆共面波导馈线(2、26)相连，从而形成完整的滤波器。
装配的步骤是首先将中间层介质基板(28)与金属载板(29)通过导电胶粘合一起，然后将上层介质基板(1)与中间层介质基板(28)通过导电胶粘合一起，再通过上层介质基板(1)上预留的液晶注入孔(10、12、18、24)将液晶注入中间层介质基板上的凹槽(17)里面。工作的时候，射频信号和调制电压信号通过输入输出50欧姆共面波导馈线(2、26)加入，然后通过改变调制电压的幅度来改变液晶的介电常数，最终得到连续可调的频率响应。

Claims (5)

1.一种基于液晶材料的基片集成波导微波可调滤波器,该滤波器包括:金属载板(29),设置于金属载板上的中间层介质基板(28),设置于中间层介质基板上的上层介质基板(1)；所述上层介质基板一端上表面设置输入共面波导馈线(2)，输入共面波导馈线末端通过金属化信号通孔(6)连接位于下表面的微带线(8)，微带线(8)通过阶梯阻抗变换器(9)与基片集成波导上层金属面(11)连接，基片集成波导上层金属面另一端通过阶梯阻抗变换器(19)与微带线(20)连接，微带线(20)的末端通过金属化信号通孔(23)连接位于上表面的输出共面波导馈线(26)；所述输入共面波导馈线(2)与输出共面波导馈线(26)两侧各设置一共面波导的金属接地面，所述基片集成波导上层金属面(11)上开设有未封闭的谐振环，所述上层介质基板上设有液晶注入孔；所述中间层介质基板(28)为环状，中间镂空，沿信号传播方向的两侧设置有金属化屏蔽通孔(16)，防止信号泄露；通过上层介质基板上设有的液晶注入孔往中间层介质基板的镂空部分注入液晶，最后再密封液晶注入孔。
2.如权利要求1所述的一种基于液晶材料的基片集成波导微波可调滤波器，其特征在于所述基片集成波导上层金属面(11)上沿信号传播方向开设有3个未封闭的谐振环，第二个谐振环的尺寸大于第一个和第三个谐振环，第一个和第三个谐振环大小相同。
3.如权利要求1所述的一种基于液晶材料的新型基片集成波导微波可调滤波器，其特征在于所述上层介质基板上设有多个液晶注入孔，分别位于中间层介质基板的镂空部分的正上方。
4.如权利要求1所述的一种基于液晶材料的基片集成波导微波可调滤波器，其特征在所述输入/输出共面波导馈线为50欧姆共面波导馈线。
5.如权利要求1所述的一种基于液晶材料的基片集成波导微波可调滤波器，其特征在所述上层介质基板厚度为0.254mm；28为中间层介质基板厚度为0.254mm；29为金属载板厚度为1mm。
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