CN107004936B - 用于可变微波移相器的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种移相器和制作移相器的方法。所述移相器可以包括壳体、电介质、电极和液晶层。所述壳体包括第一、第二、第三和第四导电壁，每个导电壁与其他所述壁中的一个相对。所述电介质位于壳体内并且在壳体内限定隔室。所述电极与所述隔室对准。所述液晶层填充所述隔室的空间。偏置线耦合至所述电极。所述移相器可以与基底集成波导集成在一起。

Description

用于可变微波移相器的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2014年12月5日提交的、申请号为14/562,158、发明名称为“用于可变微波移相器的系统和方法”的美国专利申请的优先权，其全部内容通过引用如同全部再现并入本申请。
技术领域
本公开一般涉及移相器。
背景技术
移相器用于诸如相控阵系统的微波系统中。移相器用于提供微波信号的可控相移，并且可使用各种技术进行构造。一些市售的移相器包括诸如晶体管和二极管的有源部件，并且其可基于微机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)。移相器可以用于各种技术领域，例如电信和雷达系统。
期望对移相器有所改进。例如，通常希望移相器具有相对低的功率需求，在操作期间表现出相对低的损耗，并且具有相对低的制造成本。
发明内容
在第一方面，本公开提供了一种装置，其包括壳体、电介质、电极和液晶层。所述壳体包括第一、第二、第三和第四导电壁，每个导电壁与其他所述壁中的一个相对。所述电介质位于所述壳体内并且在所述壳体内限定隔室。所述电极与所述隔室的内表面对齐。所述液晶(1iquid crystal，LC)层填充所述隔室的空间。偏置线耦合至所述电极。
所述电极可形成所述隔室的表面的至少一部分。
所述装置还可以包括波导部分和移相器部分。所述波导部分对应于所述装置的一部分，在所述装置的该部分处所述电介质填充所述导电壁之间的整个体积。所述移相器部分对应于所述装置的包括所述隔室的部分。
所述装置还包括在一个所述导电壁中的开口，且所述偏置线穿过所述开口。
所述电极可包括多个分段(section)，每个所述分段与相邻分段间隔开。所述电极还可包括将所述多个分段中的每一个电气连接到相邻分段的链接。
所述壳体可呈矩形棱柱形状。
可在所述隔室的至少一个表面上涂至少一个定向化学涂层(alignmentchemicalcoating)。可选取所述至少一个定向化学涂层，以便在没有施加的静电场的情况下将分子在平行于所述电极的平面的方向取向。
在另一方面，一种制造微波装置的方法。所述方法提供底部金属层，在所述第一金属层的顶部提供第一电介质层，在所述第一电介质层上提供电极，其中所述第一电极位于所述电介质层的与所述第一金属层相对的表面。所述方法还包括提供第二电介质层并在第二电介质层中产生隔室。所述隔室具有与所述电极相对应的尺寸。所述方法还包括，在所述隔室与所述电极对齐的位置将所述第二电介质层附接到所述第一电介质层，用液晶(LC)层填充所述隔室，以及在所述第二电介质层的顶部提供顶部金属层。所述方法还包括产生穿过所述顶部金属层、第二电介质层和第一电介质层的通孔(via)。所述方法还包括金属化所述通孔以在所述顶部金属层和所述底部金属层之间提供电气连接。
提供所述底部金属层和提供所述第一电介质可包括提供第一层压层，所述第一层压层是具有基底层、顶部金属层和底部金属层的印刷电路板层压体。提供所述电极可包括蚀刻所述第一层的所述顶部金属层以形成所述电极。
提供所述第二电介质层可包括提供第二层压层并从所述第二层压体去除所述顶部和底部金属层。
产生所述隔室可包括在所述第二电介质中产生孔并将所述第二电介质附接到所述第一电介质上。
所述方法还可包括将至少一个定向化学涂层涂到所述装置的与所述LC层接触的至少一个表面。可选取所述至少一个定向化学涂层，以便在没有施加的静电场的情况下将所述LC层的分子在平行于所述电极的平面的方向上取向。
所述电极可包括多个分段，每个所述分段与相邻分段间隔开。所述电极还可包括将所述多个分段中的每一个电气连接到相邻分段的链接。
所述方法可包括在所述装置的一侧产生至少两个通孔，所述至少两个通孔之间具有空间。所述方法还可包括产生耦合到所述电极并延伸穿过所述通孔之间的所述空间的偏置线。
提供所述第二电介质层可包括提供第二层压层并从所述第二层压体去除所述底部金属层。产生所述隔室还可包括产生穿过所述第二层压体的所述顶部金属层的孔。所述方法还可包括提供第三层压层并将所述第三层压体附接到所述第二层压体上。在一些实施例中，可以在所述隔室被填充液晶层之前进行所述通孔的金属化。
通过阅读以下对具体实施例连同附图的描述，本公开的其他方面和特征对于本领域普通技术人员将变得显而易见。
附图说明
现仅通过示例的方式参考附图描述本公开的实施例。
图1A是根据本公开一实施例的示例移相器的透视图；
图1B示出了根据本公开一实施例的处于第一状态的图1A的电介质层的透视图；
图1C示出了根据本公开一实施例的处于第二状态的图1A的电介质层的透视图；
图1D和1E示出了根据本公开实施例的LC隔室的可替代形状；
图2是根据本公开一实施例的与基底集成波导集成在一起的示例移相器的透视图；
图3是根据本公开一实施例的图1A的移相器的液晶层和示例电极的透视图；
图4示出了显示包含图3的电极的移相器的散射参数的图表；
图5A是根据本公开另一个实施例的图1A的移相器的液晶层和另一个示例电极的透视图；
图5B是图5A的电极的透视图；
图6示出了显示包含图5A和5B的电极的移相器的散射参数的图表；
图7A是示出根据本公开一实施例的制造移相器的示例过程的流程图；
图7B是示出根据本公开一实施例的制造移相器的示例过程的流程图；
图8是示出根据本公开一实施例的在图7B的过程中组合各种层的顺序的示例的示意图；
图9是示出根据本公开的另一个实施例的制造移相器的示例过程的流程图；
图10A是示出根据本公开一实施例的在图9的过程中组合各种层的顺序的示例的示意图；
图10B是根据图9的过程构造的示例移相器的透视图，为了清楚起见，省略了一些层；
图11示出了显示包含图5的电极的图10中的移相器的散射参数的图表；
图12是根据本公开一实施例的示例移相器的横截面俯视图；和
图13示出了显示图10B的示例移相器的相位调谐性能的图表。
具体实施方式
本文公开的各种实施例涉及包含有液晶层的可变微波移相器。如本文所使用的术语“微波”是指包括但不限于1kHz至1000GHz范围内的频率分量的电磁波。本文所述的移相器的各种实施例可与基底集成波导合并。
首先参考图1A，其示出了根据本公开一实施例的可变移相器100的透视图。移相器100包括现在将简要描述的各种部件。底部接地平面102和顶部接地平面104是导电层。因此，在一个实施例中，底部接地平面102和顶部接地平面104对应于移相器100的顶部和底部金属层。在各种实施例中，用于接地平面102和104的合适材料包括但不限于铜、金、银及其合金。
在一个实施例中，电介质层106包括支撑基底。在各种实施例中，电介质层106可包括任何合适的电介质材料，其可包括但不限于聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)、陶瓷、玻璃、SiO2、适当掺杂或未掺杂的GaAs及其组合。
电极108是导电层，并且在各种实施例中可以包括但不限于铜、金、银及其合金。在一个实施例中，电极108跨越电介质106的内表面，其位于电介质112的两侧之间。在一些实施例中，电极108更大并且能延伸超过电介质112的壁。在一些实施例中，电极108在电介质106和112之间延伸。在各种实施例中，电介质层112可包括任何合适的材料，其可包括但不限于聚四氟乙烯(PTFE)、陶瓷、玻璃、SiO2、GaAs及其组合。在一些实施例中，电介质106和112可由相同的材料组成。在其他实施例中，电介质106和112由不同的材料组成。电介质106和112被示为不同的层。在一个实施例中，电介质层106和112可以是单个结构。在一些实施例中，电介质106和112可被称为基底层，并且可包括例如印刷电路板(printed circuitboard，PCB)基底。在各种实施例中，电介质106和112由相同的材料构成。在其他实施例中，电介质106和112由不同的材料构成。可用于电介质106和112的市售产品连同诸如PCB制造过程将在下文详述。
电介质106和112以及顶部接地平面104限定了隔室或容器。LC(液晶)层114填充所述隔室的空间。在各种实施例中，电极108与所述隔室对齐。在一些实施例中，这通过使电极的至少一部分跨越所述隔室的整个表面来实现。在一些实施例中，电极108形成所述隔室的内表面。在其他的实施例中，电极108位于所述隔室的内表面上。在另外的其他实施例中，电极108在所述隔室的外部，并且不与LC层114物理接触。在各种实施例中，LC层114可包括但不限于扭曲向列LC、超扭曲向列LC和手性向列LC。向列相是液晶的最常见相之一，并且通常用于可调谐电子设备，因为所述相通常具有有吸引力的特性，例如大的调谐范围和低损耗。然而，应当理解，虽然本文公开的一些实施例使用向列LC，但是其它实施例也可以利用LC的其他相。因此，本文的各种实施方案使用单一液晶化合物或者包含两种或更多种单一液晶化合物的液晶混合物。在另外的其他实施例中，也能使用其它液晶化合物。
在一个实施例中，侧壁116均横跨在接地平面102和104之间。侧壁116由导电材料组成，其可与用于接地平面102和104的材料相同。因此，在各种实施例中，用于侧壁116的合适材料包括但不限于铜、金、银及其合金。在一个实施例中，侧壁116不需要沿移相器100长度连续。例如，在一些这样的实施例中，侧壁116可包括沿移相器长度以重复图案出现的导电材料分段。在一些这样的实施例中，侧壁116的分段之间的空间可以填充有电介质，例如电介质106和112。
虽然在图1A中未示出，但移相器100还包括耦合到电极108的偏置线，容许对电极108施加偏置电压。下面结合图12对偏置线进行更为详细的阐述。
从图1A可以看出，在一个实施例中，可认为移相器100包括壳体。所述壳体包括四个导电壁，其对应于顶部接地平面104、底部接地平面102和侧壁116。每个导电壁与所述导电壁中的另一个相对。在一个实施例中，移相器的形状类似于矩形棱柱，其每个金属壁对应于矩形棱柱的四个面中的一个。
在一个实施例中，LC层114包括各向异性的并且可以由向量表示的分子。当将某些条件应用于LC本体(LC bulk)时，LC本体的大多数分子将采用相同的取向。在一个实施例中，LC分子通常具有棒状形状，且所述取向是指棒状的纵向方向。当LC本体的大部分分子沿相同方向取向时，可以在垂直于代表着分子的所述向量的方向上找到最低电容率εlow，并且可以在平行于所述向量的方向上找到最高电容率εhigh。
在某些实施例中，电介质112的内表面、电极108的顶侧和与LC层114接触的104的底侧可以涂覆有薄层化学物质，用于LC层114内LC分子的对齐。这些化学物质在本文中将称为定向化学物质(alignment chemical)。在一个实施例中，定向化学物质可以包括但不限于聚酰亚胺。由于表面锚定效应，一些定向化学物质将在平行于涂覆表面的方向上确定LC分子向量的方向，而一些其他化学物质将在垂直于所述表面的方向上确定LC分子向量的方向。在各种实施例中，这样的表面处理或涂覆可以用于实现构成LC层114的所述LC本体的特定初始电容率值。
在本文公开的移相器的各种实施例中，当没有偏置电压施加在电极108和接地平面104之间时，LC层114的LC分子处于初始状态，其中大部分分子通常定向为垂直于穿过LC层114的信号的电场的方向。在一个实施例中，这对应于具有平行于电极108平面的取向的分子。在一些这样的实施例中，可包括定向化学物质的表面涂层被涂覆到电极108的顶表面和接地平面104的底侧(即，电极108和接地平面104的与LC层接触的表面)，以便将LC层114中的LC分子的向量的方向确定为平行于涂覆表面并垂直于穿过LC层114的微波信号的电场的方向。在这样的实施例中，由于表面锚定效应以及表面涂层的因素，在初始状态(即，没有对电极施加偏压)，所述LC分子具有与沿着电极108表面和顶部接地平面104几乎相同的取向。此外，在这样的实施例中，电介质112的内表面可涂覆有定向化学物质，其使LC层114中的LC分子的向量的方向确定为垂直于涂覆表面和穿过LC层114的微波信号的电场的方向。因此，当使用移相器100的这种实施例时，例如当它被耦合到波导或与波导集成在一起，并且微波信号传播到其中而没有偏压施加到电极时，穿过LC层114的微波信号的具有最低截止频率的横向电场(transverse electric，TE)模式(TE 10模式)遇到的LC层的分子取向中大部分垂直于所述场方向。这导致LC层114的有效电容率接近εlow。
图1B是处于第一状态的移相器100的LC层114的透视图，其对应于没有静电场的情形。换言之，图1B对应于没有偏置电压施加到电极108的情况。为了清楚起见，图1B中省略了移相器100的其余元件。可以看出，当使用合适的涂覆化学物质时，LC分子150可具有各种取向。然而，它们通常定向为垂直于穿过LC层114的微波信号的电场152的方向。在一个实施例中，这对应于定向为平行于电极108的平面的LC分子150。图1B的电场152示出了微波信号的TE 10模式。
当在电极108和接地平面104之间施加具有足够高的值的偏置电压时，LC层114的大多数LC分子沿着由偏置电压建立的静电场的方向旋转。因此，在这样的偏置条件下，穿过LC层114的微波信号的TE 10模式遇到的LC本体的分子取向中大部分与TE 10模式的电场对齐，因此LC层114的有效电容率接近εhigh。有了其他中间偏置电压，有效电容率介于两个值(εlow和εhigh)之间，且随偏置电压升高而升高。
图1C是处于第二状态的移相器100的LC层114的透视图，其对应于存在静电场的情形。换言之，图1C对应于将偏置电压施加到电极108的情况。箭头154表示静电场的方向。为了清楚起见，图1C中省略了移相器100的其余元件。可以看出，当在电极108和顶部接地平面104之间施加静电场时，LC分子150取向为静电场的方向。因此，在这种条件下，分子150通常与微波信号的电场152对齐。
尽管示出容纳LC层114的隔室具有大致对应于矩形棱柱的形状，但是可采用其他形状。图1D示出了LC隔室的替代形状160a。图1E示出了LC隔室的另一个替代形状160b。这些仅作为示例。其他实施例可为所述LC隔室采用其它形状。
与对应于施加在电极108和接地平面104之间的偏置电压的静电场形成对照，微波信号的电场不影响LC层114的LC分子的取向，因为微波信号的电场的方向变化太快，以至于LC分子无法跟随。
如上所述，通过使用合适的表面涂层，表面锚定效应建立了LC层114的低初始电容率状态。在一些实施例中，这可以用于实现移相器100的比没有涂层时所实现的相位调谐范围更大的相位调谐范围。使LC分子的向量定向为平行于涂覆表面方向的涂覆化学物质的示例包括但不限于来自日本日产化学工业(Nissan Chemical Industries)的SE-150和SE-3310，以及来自日本JSR公司(JSR Corporation)的AL3046和AL23201。使LC分子的向量定向为垂直于涂覆表面方向的涂覆化学物质的示例包括但不限于来自日本日产化学工业的SE-1211和SE-5300，以及来自日本JSR公司的AL63702。
在各种实施例中可用于LC层114的商业LC材料或LC混合物的示例包括但不限于E7、E44、E48、E31、E63、E80、和BL003、BL006、BL033、BL037、BL048、BL087、BL101、BL112、BL126、和ZLI-3308、ZLI-3273、ZLI-4801、ZLI-4692、ZLI-5048-000、ZLI-5049-100、ZLI-5081、ZLI-5100-100、ZLI-5800-000、和TL202、TL203、TL204、TL205、和MLC-6267、MLC-6284、MLC-6287、MLC-6288、MLC-6406、MLC-6422、MLC-6423、MLC-6425、MLC-6435、MLC-6437、MLC-7700、MLC-7800、MLC-9000、MLC-9100、MLC-9200、MLC-9300、MLC-10000、和GT3-23001、GT3-24002、GT3-24004、GT3-25003、和TUD-224、TUD-424、TUD-325、和MLC-6041-100、MDA-00-350、K15。另外，一些实施例利用新的LC混合物，例如来自德国Merck的新的混合物A、B和C(New MixA，B，C)，其公开在Manabe Atsutaka的“用于微波应用的液晶”，SPIE OPTO，国际光学和光子学会，2013。
对于本文公开的移相器的一些实施例的大规模生产，标准印刷电路基底材料可以用于电介质106和112。在这样的实施例中可用于电介质106和112的市售层压体的示例包括但不限于来自Rogers公司的：RT/duroid、ULTRALAM、TMM和XT/duroid高频层压体、RO3000系列、RO3200系列和RO4000系列高频层压体、RO3730、RO4500和RO4730层压体。在其它实施例中，电介质106和112由氧化铝陶瓷制成，其可用于需要更高制造精度的实施例中。氧化铝陶瓷产品的示例来自CoorsTek的ADS-996。
在一些实施例中，当选取用于电介质106和112的基底材料时，会考虑LC层114的电容率调谐范围。在这样的实施例中，基底(即电介质106和电介质112)的标称电容率可以选取为接近LC的电容率的中位数，以便减小移相器中的电容率不连续性。用于LC层114和电介质层106及112的材料的示例性组合分别是Merck的New Mix C(相对电容率介于2.5和3.5之间)和Rogers的RT/duroid 6002(标称相对电容率2.94)。LC材料和电介质材料的这种组合用于本文所述的移相器的各种实施例中。
在一些实施例中，TE 10模式是允许在移相器中传播的唯一模式。另一方面，作为经验法则，在一个实施例中，波导的工作频率的接受范围介于下截止频率的125％和189％之间。因此，在一个实施例中，选取电介质分段的宽度W以满足贯穿整个电容率调谐范围，即从εlow到εhigh的规则。因此，在这些实施例中，选取W以使条件和得以同时满足，其对应于条件在一些制造工艺中，电介质112的宽度W1具有下限。因此，在一些实施例中，为了具有最大LC填充率(即，最大可能LC层和进而最大相位调谐范围)，考虑制造工艺的最大公差，选取接近但不大于的W。
此外，在这样的实施例中，可以选取小于宽度W的一半的电介质层106和112的总厚度T。通过减小电介质层106和112的总厚度T，同时保持电介质层112和106之间的恒定厚度比(tb/ta)，可以减小实现特定相位调谐范围所需的最大调谐电压。通过增加112和106之间的厚度比(tb/ta)，同时保持电介质层106和112的恒定厚度T，可以实现更大的相位调谐范围，尽管这可能导致更高的最大调谐电压。因此，在一些实施例中，在保持足够的机械强度的同时，选取尽可能小的电介质层106的厚度ta。然后，选取电介质层112的厚度tb以提供在较大的相位调谐范围和较低的最大调谐电压之间的期望的折衷。
如图2所示，在一个实施例中，移相器100可以与标准基底集成波导(substrateintegrated waveguide，SIW)200无缝集成。在一个实施例中，电极108位于LC层114下方，并且不会延伸超出LC层所处的隔室。换言之，在这样的实施例中，电极108仅存在于LC层114的覆盖区(footprint)内。如上所述，在其他实施例中，电极108可以延伸超出LC层114的覆盖区。在一些实施例中，在电路制造期间，将SIW部分200和移相器部分100无缝地制造为集成结构205。
在移相器100的各种实施例中，电极108可采取各种不同的形式。将结合图3至图6详述两个不同的实施例，每个实施例具有不同的电极结构。
首先参考图3，其示出根据一实施例的移相器100的LC层114和电极108a的透视图。为了清楚起见，图3中省略了移相器100的其他部分。这些其他部分可与上面所描述的并在图1A中示出的相同。在该实施例中，电极108a是具有与LC层114的覆盖区相同形状的导电层。换言之，在一个实施例中，电极108a具有对应于LC层114的覆盖区的平面表面。
现在参考图4，其示出了用图3中实施例LC层114的不同相对电容率值(从2.5到3.5，以0.2为步长)显示模拟的S(scattering，散射)参数的图表。曲线图402是S21参数的图，曲线图404是S11参数的图。假设移相器100的各种实施例可以作为双端口交互设备来操作，则可以将两个端口任意命名为端口1和端口2。然后在端口2连接到匹配的负载并且端口1连接到微波源的条件下，S11参数表示从端口1出来的微波功率和注入端口1中的微波功率之间的比率；S21参数表示由匹配负载吸收的微波功率与注入端口1的微波功率之间的比率。在一些实施例中，当两个参数以dB格式表示时，使S11尽可能小并且使S21尽可能接近零可能是有利的。
对于对应于图4的模拟，选取以下参数：移相器的长度为18.5mm，电介质层106的厚度ta为5mil，电介质层112的厚度tb为20mil，LC层114的宽度wc为1.5mm，，电介质分段的宽度W为1.95mm，接地平面102、接地平面104和电极108a的厚度均为5μm。从图4的曲线图可以看出，对于不同的相对电容率值，在不同的频率出现几个传输缺陷，表示为S21曲线上的凹口和S11曲线上的峰顶。这种现象是由LC层114的电容率与电介质层106的电容率之间的差异以及电极108a的形状引起的。由于该结构内存在电极108a，微波信号的两种模式可分别同时存在于电极的下方和上方。此外，如果LC层114的电容率和电介质层106的电容率不同，则两种模式的相速度可不同。当这两种模式通过移相器时，它们可以是异相的，而这可衰减传输并且增强在某些频率上的反射。
现参考图5A和5B。图5A示出根据另一实施例的移相器100的LC层114和电极108b的透视图。为了清楚起见，图5A中省略了移相器100的其他部分。为了更清楚，图5B示出了图5A的电极108b本身的透视图。在一些实施例中，电极108b的配置可有助于减少或消除结合图3和图4详述的传输缺陷。在图5A和5B所示的实施例中，电极108b形如光栅，其具有多个由间隙502间隔开的电极分段501。为了在电极108b中保持等电位，电极分段501之间的间隙502不会一直延伸穿过电极，从而使每个电极分段501通过链接504连接到相邻的电极分段501。在图5A和5B所示的实施例中，间隙502是对称的，并且链接504位于电极108b的每个电极分段501的长度的中心。在其他实施例中，链接504可以位于除了电极分段501的长度的中心以外的位置。在一个实施例中，也可以认为电极108b由通过链路504耦合的单独的电极组成，其中链路504由与电极相同的材料制成。
在各种实施例中，电极分段501基本上形状相同。在一些实施例中，电极分段501具有矩形形状。在一些实施例中，将链接504制造得尽可能薄，使得间隙502在电极分段501之间几乎一直延伸穿过。在一个实施例中，可以说电极108b包括一系列等间隔的矩形电极肋，所述电极肋对应于电极分段501，电极分段501在其长度的中心通过链接504连接。在各种实施例中，电极分段501仅在中心处连接，并且在电极分段501的末端处没有链接或连接。
在各种实施例中，电极108b的结构不允许在电极108b下方支撑具有不同相速度的信号的寄生模式。换言之，如果间隙502存在于电极108b所示的电极结构中，则由图3中的电极108a所支撑的两个模式相互合并。
现在参考图6，其示出了包括图5A和5B的电极的移相器一实施例的LC层114的具有不同的相对电容率值(从2.5到3.5，以0.2为步长)的模拟S(散射)参数的图表。曲线图602是S21参数的图，曲线图604是S11参数的图。对于对应于图6曲线图的模拟，除了电极不同之外，移相器的尺寸与上面关于图4详述的尺寸相同。图6的曲线图示出与图3和图4的实施例相比，传输缺陷已经减轻。反射小于-20dB，插入损耗小于1dB。因此，在各种实施例中，可以为其性能选取如图5A和5B所示的电极108b。在各种实施例中，电极108b的周期P选取为远小于引导波长，以便最小化传输缺陷的发生率。在一些实施例中，电极108b的周期P选取为小于在最高工作频率下的引导波长的四分之一，这是在对应于图6的模拟中使用的尺寸。
电极108b的周期(period，P)是指一个电极分段501的宽度(p1)加上链接504的长度(p2)(参见图5B)，其中电极分段501的宽度和链接504的长度处于相同方向。在一些实施例中，电极108b由重复元件(例如，电极分段501和链接504)组成，并且所述周期指重复周期。在一些实施例中，选取制造工艺所容许的尽量小的p2，并且选取不产生传输缺陷而尽量大的p1。这将导致电极108b的最大可能电极面积，其容许基本均匀的静电场分布。
移相器100的各种实施例可以使用多层印刷电路板(PCB)制造技术进行制造。在一个实施例中，用于这种制造的基本材料是具有一个电介质层和附接在所述电介质层的每一侧上的两个铜层的PCB层压体。在一个实施例中，基本制造工艺包括铜蚀刻、切割通孔(孔)、通孔(孔)金属化等，下文将对此进行更详细的说明。在一个实施例中，为了实现图1A中的结构，通过切割通孔和金属化通孔来产生导电侧壁116。因此，在这样的实施例中，在顶部接地平面104上方使用附加基底层，以容许形成通过接地平面102、侧壁116和接地平面104的电短路(金属化)。所述附加基底层和顶部接地平面104由PCB层压体提供。
首先参考图7A，其示出了根据本公开一实施例的制造方法。方法700可以包含比所示出和/或描述的额外的或更少的工艺，并且可以以不同的顺序执行。
在702处，提供第一金属层。在一个实施例中，该金属层对应于接地平面102。
在702处，提供第一电介质层。在一个实施例中，该电介质层对应于电介质106。
在706处，在第一电介质层的与第一金属层相对的表面上产生电极，在一个实施例中该电极对应于电极108。
在708处，提供第二电介质层。在一个实施例中，该电介质层对应于电介质112。
在710处，产生隔室以容纳LC层114。在一个实施例中，所述隔室可包括在第二电介质中刻出的凹槽或腔。在其它实施例中，可以切割通过第二电介质的孔，并且一旦第二电介质层附接到第一电介质层，就形成隔室。
在712处，将第二电介质层附接到第一电介质层。在一个实施例中，通过化学键合其在一起而使电介质层彼此附接。在一些实施例中，使用环氧基树脂将电介质层接合在一起。在一些实施例中，通过除了使用化学粘合剂之外的其他方法将电介质层接合在一起。
在714处，用如上所述的适当的对齐化学物质涂覆隔室的壁，以便实现LC层114中LC分子的一致的方向取向，例如垂直于穿过LC层114的微波信号的电场的方向。在一个实施例中，这对应于定向为平行于电极108的平面的LC分子。
在716处，用液晶填充隔室。
在718处，在第二电介质上提供顶部金属层。在一个实施例中，该顶部金属层对应于顶部接地平面104。
在722处，在顶部金属层的表面，例如将与LC层114接触的表面涂覆对齐化学物质。
在724处，产生通过顶部金属层以及第一和第二电介质层的通孔。
在726处，金属化通孔。在一个实施例中，经金属化的通孔对应于侧壁116。
现在将结合图7和图8详述示例制造过程。图7B是示出根据本公开一实施例的制造方法的流程图。图8是示出在图7B的制造方法过程中表示如何组合各种层的示意图。
图7B中所示的方法750涉及使用多层印刷电路板(PCB)制造技术的制造方法。方法750可以包含比所示出和/或描述的额外的或更少的工艺，并且可以以不同的顺序执行。
在752处，选取第一层压体(L1)。如前所述，在一个实施例中，第一层压体L1包括一个电介质层和两个铜层。如上所述，在其他实施例中，可以使用除铜之外的其他金属。
在754处，通过蚀刻一个铜层在L1上产生电极108。
在756处，选取第二层压体(L2)。
在758处，从L2去除所述两个铜层。
在760处，在L2中产生具有LC层覆盖区形状的孔。所述孔可以通过切割穿过L2而产生。因此，一旦L2附接到L1，这就产生用于LC的隔室或容器。
在762处，将L2附接到L1。在一个实施例中，L2与L1化学键合。在一个实施例中，用环氧基树脂使L2键合到L1。在一个实施例中，当L2附接到L1时，对应于LC隔室的L2中的孔与电极108对齐。在一些实施例中，电极108延伸超出孔的尺寸，并且孔并非精细地与电极108对齐。
在764处，用对齐化学物质涂覆LC隔室的内壁。在一个实施例中，电介质层112的两个壁和电极108的表面涂覆对齐化学物质。在一个实施例中，电介质层112和电极108的表面涂覆有如上所述的适当的对齐化学物质，以便实现LC层114中的LC分子的方向取向，其通常垂直于传播通过LC层114的信号的电场的方向。在一个实施例中，这对应于平行于电极108的平面的分子取向。上文描述了对齐化学物质的各种示例。
在766处，用LC填充LC隔室。
在768处，选取第三层压体(L3)。
在770处，用对齐化学物质涂覆对应于接地平面104的L3的底部铜层的表面。
在772处，将L3附接到L2。因此，L3覆盖LC隔室。在一个实施例中，L3与L2化学键合。在一个实施例中，用环氧基树脂使L3键合到L2。L3的底部铜层提供接地平面104。
在774处，切割穿过L3、L2和L1的通孔。
在776处，金属化通孔，并且这形成侧壁116。金属侧壁在顶部接地平面104和底部接地平面102之间提供电短路。
如本领域技术人员将理解的，通过图7B的制造方法产生的所述结构不仅能包括一个或多个移相器，而且还能包括与移相器集成的一个或多个波导分段。在示例实施例中，电极、孔和LC将仅在所述结构中移相器所处的部分中产生，并且所述结构的剩余部分将对应类似图2所示的结构的基底集成波导。
在本文公开的移相器的一些实施例中，电极108不与LC层114接触。例如，在一些实施例中，在电介质112中切割凹槽或井而非穿过整个电介质112切割孔，以形成用于LC层114的隔室。在这样的实施例中，可以存在将电极108和LC层114分隔开的电介质层112。然而，一些制造工艺可能不支持在电介质中产生凹槽或井。另外，通过不切穿电介质，LC隔室的深度以及进而LC层114的厚度减小，进而可能减小移相器的调谐范围。
将结合图9、10A和10B详述一种替代的制造方法。图9是示出根据本公开一实施例的制造方法900的流程图。图10A是示出在图9的制造方法过程中表示如何组合各种层的示意图。图10B示出作为图9中所示方法900所产生的结果的移相器100b的一实施例，为了清楚起见省略了L3的基底和顶部铜层。
图9中所示的方法900涉及使用多层印刷电路板(PCB)制造技术的制造方法。方法900可以包含比所示出和/或描述的额外的或更少的工艺，并且可以以不同的顺序执行。
在902处，选取第一层压体(L1A)。如前所述，在一个实施例中，层压体具有一个电介质层和两个铜层。如上所述，在其他实施例中，可以使用除铜之外的金属。
在904处，通过蚀刻一个铜层在L1A上产生电极108。
在906处，选取第二层压体(L2A)。
在908处，从L2A去除一个所述铜层。
在910处，在L2A中产生具有LC层覆盖区形状的孔。所述孔可以通过切穿L2A而产生。因此，一旦L2A附接到L1A，这就产生用于LC的隔室或容器。
在912处，将L2A附接到L1A，其中L2A的非铜表面抵靠L1A放置。在一个实施例中，L2A与L1A化学键合。在一个实施例中，用环氧基树脂使L2A键合到L1A。在一个实施例中，当L2附接到L1时，对应于LC隔室的L2中的孔与电极108对齐。在一些实施例中，电极108延伸超出孔的尺寸，并且孔并非精细地与电极108对齐。
在914处，用对齐化学物质涂覆LC隔室的内壁。在一个实施例中，电介质层112的两个壁和电极108的表面涂覆对齐化学物质。在一个实施例中，电介质层112和电极108的表面涂覆不同的对齐化学物质，以便实现LC层114中的LC分子的方向取向，其通常垂直于传播通过LC层114的信号的电场的方向。在一个实施例中，这对应于平行于电极108平面的分子取向。上文描述了对齐化学物质的各种示例。
在916处，切割通孔穿过L2A和L1A。
在918处，金属化通孔，并且这形成侧壁116。
在920处，用LC填充LC隔室。在一些实施例中，在金属化通孔之后填充LC隔室。
在922处，选取第三层压体(L3A)。
在924处，用对齐化学物质涂覆对应于接地平面104b的L3A的底部铜层的表面。
在926处，将L3A附接到L2A。在一个实施例中，L3A与L2A化学键合。在一个实施例中，用环氧基树脂使L3A键合到L2A。在一些实施例中，通过除了使用化学粘合剂之外的方法将电介质层接合在一起。L3A的底部铜层提供接地平面104b。在一个实施例中，L3A的底部金属层的覆盖LC隔室的部分并未覆盖有环氧树脂。在一些实施例中，这通过在制造过程中使用合适的掩模来实现。
图10B示出作为图9中所示的方法900所产生的结果的移相器100b的一实施例。假定在方法900中，仅穿过L2A和L1A切割通孔，移相器100b的接地平面104b不对侧壁116和接地平面102短路。因此，在移相器100b中，仅两个层压体专用于移相器。L3A的底部铜用作屏蔽罩，并且L3A的顶部铜和电介质基底可用于支撑例如集成多层系统中的其他电路。
另外，方法900可用于产生类似于图2所示结构的波导部分和移相器部分。在一个实施例中，移相器部分对应于所述结构中LC隔室所处的部分，并且波导部分对应于没有LC隔室的部分。在一些实施例中，使用非导电环氧基树脂。在其他实施例中，使用例如导电环氧基树脂的导电粘合剂。环氧基树脂层970将接地平面104b从L2A的顶部金属层980分离，并因而从侧壁116分离。当环氧基树脂是非导电环氧基树脂时，在接地平面104b和侧壁116之间的环氧基树脂间隙的影响将在下面结合图11详述。当使用非导电粘合剂时，接地平面104b不会电耦合到所述结构的移相器部分中的侧壁116和接地平面102。因此，在这样的实施例中，由图9的方法900产生的所述结构的移相器部分不是常规意义上的波导。然而，如果环氧基树脂间隙足够小，则由图9的方法900产生的所述结构的移相器部分支持相同模式的微波信号。本领域技术人员将理解，即使当非导电环氧基树脂用于环氧基树脂层970时，由方法900产生的波导部分也将是真正的波导，因为L2A的顶部金属层980电耦合至侧壁并在装置的波导部分中的电介质上延伸。
现在参考图11，其示出了曲线图1102和1104，曲线图1102和1104示出了当非导电粘合材料用于将L3A接合到L2A时的图10B中移相器100b的模拟S参数。因此，图11允许通过模拟来检查环氧基树脂层970的影响。在对应于图11的模拟中使用的包括电极的移相器的尺寸与用于图6的模拟的尺寸相同。从比较图11和图6可以看出，在图11中，S21参数减小了不到1dB，S11参数大多仍然小于-20dB。与图6相比，图11中的传输性能得以良好维持。
接下来参考图12，其示出了根据本公开一实施例的移相器的横截面俯视图。图12中的视图示出了从DC偏置线1202到电极108b的连接。在该实施例中，在侧壁116中的至少一个侧壁中存在侧壁开口1204。偏置线1202从电极108b通过侧壁开口1204延伸到移相器的外部并且连接到偏置电压源，例如DC偏压的正极端子。在一个实施例中，在移相器的任一侧的通孔不是连续的，而是被切割成彼此间隔开的分段。在一些这样的实施例中，侧壁116沿移相器的长度不是连续的，并且电介质能填充侧壁开口1204的空间，该空间是侧壁116之间的空间。在一些这样的实施例中，通过一起蚀刻偏置线和电极来产生偏置线，并且偏置线位于与通孔之间的一个间隔对齐的位置。在一些这样的实施例中，偏置线延伸出介于电介质106和112之间的移相器。DC偏压的负极端子耦合到顶部接地平面104。在一个实施例中，使侧壁开口1204小于在移相器中传播的微波信号的自由空间波长的1/10，从而来自间隙的辐射损失可忽略不计。
图13示出了显示图10B的移相器100b的相位调谐性能的图表1302。尺寸与图4和图6中使用的尺寸相同。从图13可以看出，相位可以在0°和415°之间调节，LC的相对电容率从2.5变化到3.5。对应于相对电容率3.5的曲线展示图13中最不平坦的曲线，且在频率范围内其展示9°的最大相位偏差。每条曲线的相移与每个频率处相对电容率为2.5的相位相关。
在前面的描述中，为了解释的目的，阐明了许多细节以便提供对实施例的透彻理解。然而对本领域技术人员显而易见的是，这些具体细节并不是必需的。在其他实例中，以框图形式示出了公知的电气结构和电路，以免混淆理解。
上述实施例仅旨作为示例。本领域技术人员可以对特定实施例实施改变、修改和变化。所述权利要求的范围不应受到本文所阐述的特定实施例的限制，而是应作为一个整体以与说明书一致的方式来解释。

Claims (7)

1.一种移相器，包括
壳体，其具有第一、第二、第三和第四导电壁，每个导电壁与其他所述壁中的一个相对；
电介质层，其位于所述壳体内，并且所述电介质层在所述壳体内限定隔室；
电极，其与所述隔室对齐，
其中，所述电极包括：
多个电极分段，其中每个所述电极分段与每个相邻电极分段间隔开，其中，对于每个电极分段，链接在所述电极分段的长度的中心和每个相邻电极分段的长度的中心之间延伸，并且所述链接将所述电极分段与所述相邻电极分段电气连接，并将所述电极分段和所述相邻电极分段之间的空间分成相等的间隙；
液晶LC层，其填充所述隔室；和
偏置线，其耦合至所述电极。
2.根据权利要求1所述的移相器，其中所述电极形成所述隔室的表面的至少一部分。
3.根据权利要求1所述的移相器，还包括：
波导部分，所述波导部分包括处于所述导电壁之间基本上整个体积内的所述电介质层；和
移相器部分，所述移相器部分对应于所述移相器的包括所述隔室的部分。
4.根据权利要求1所述的移相器，还包括在一个所述导电壁中的开口，其中所述偏置线穿过所述开口。
5.根据权利要求1所述的移相器，其中所述壳体呈矩形棱柱形状。
6.根据权利要求1所述的移相器，还包括在所述隔室的至少一个表面上的至少一个定向化学涂层。
7.根据权利要求6所述的移相器，其中，选取所述至少一个定向化学涂层，以便在没有施加的静电场的情况下将所述LC层的分子在平行于所述电极的平面的方向上取向。
CN201580066263.5A 2014-12-05 2015-12-01 用于可变微波移相器的系统和方法 Active CN107004936B (zh)

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