CN107394318A - 一种用于反射式可调移相器的液晶移相单元 - Google Patents

一种用于反射式可调移相器的液晶移相单元 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于反射式可调移相器的液晶移相单元，包括有上、下两层介质基板，上、下两层介质基板的间隙中注入有液晶层，上层介质基板下侧设有金属微带贴片电极，下层介质基板上侧设有金属全反射接地电极，液晶层的上、下表面分别设有聚酰亚胺膜涂层；金属微带贴片电极包括有两个相同的偶极子贴片、一条偏置电压加载线、辅助电极，两个偶极子贴片平行布置，偏置电压加载线正交连接两个偶极子贴片构成贴片单元，辅助电极是一个四边形金属框，四边形金属框围绕整个贴片单元并与偏置电压加载线相连。本发明的辅助电极主体结构简单，降低了饱和偏置电压，可以用在微波、毫米波和太赫兹频段内的液晶反射式移相器及相控天线领域。

Description

一种用于反射式可调移相器的液晶移相单元
技术领域
本发明属于微波、毫米波及太赫兹技术领域中的反射式移相器和相控天线技术领域，具体涉及一种用于反射式可调移相器的液晶移相单元。
背景技术
反射式可调移相器是利用液晶介电常数可调的性质来实现微带电路对反射电磁波相位的控制，可以用来实现可重构反射阵天线，基于液晶材料的相控阵反射阵列天线不仅具有微带反射阵列天线增益高、方向性强、体积小和重量轻的优点，而且可以实现天线波束的电控连续扫描。
目前对液晶微波器件的研究一般把液晶当成是均匀的、各项同性的物质进行仿真分析，其介电常数在两个极端值ε⊥和ε//之间变化。但是，构成谐振单元的导体贴片电极不能完全覆盖单元表面，导致偏置电场无法均匀分布于贴片单元。加电后的静电场和RF场将会有三个矢量分量，这将产生两个方面的影响：一方面由于液晶分子不能被均匀的定向，将使液晶材料具有不均匀性；另一方面还增加了液晶各向异性的影响。由于电场不能均匀分布在整个液晶盒的空间内，造成在仿真计算得到的相位曲线与器件测试值存在较大的误差，而且部分液晶分子未能完全旋转，ε//值没有达到理想值。我们提出了一种偏置电压加载线，从结构设计上降低加载电场不均匀性的问题，提高液晶的取向度及ε//值。
发明内容
本发明是为避免上述传统驱动电压加载技术存在的不足之处，改善原有偏置电场的不均匀性，提高液晶层的取向度，同时不影响移相器本身的移相性能，降低工作所需饱和电压条件，提供了一种用于反射式可调移相器的液晶移相单元，在原移相单元的加载导线基础上增加了辅助电极，电极宽度相比原移相单元大大增加。
本发明采用的技术方案是：
一种用于反射式可调移相器的液晶移相单元，包括有上、下两层介质基板，上、下两层介质基板的间隙中注入有液晶层，其特征在于：所述上层介质基板下侧设有金属微带贴片电极，下层介质基板上侧设有金属全反射接地电极，所述液晶层的上、下表面分别设有聚酰亚胺膜涂层；所述金属微带贴片电极包括有两个相同的偶极子贴片、一条偏置电压加载线、辅助电极，两个偶极子贴片平行布置，偏置电压加载线正交连接两个偶极子贴片构成贴片单元，辅助电极是一个四边形金属框，四边形金属框围绕整个贴片单元并与偏置电压加载线相连。
所述的一种用于反射式可调移相器的液晶移相单元，其特征在于：所述辅助电极的外形为矩形或正方形。
所述的一种用于反射式可调移相器的液晶移相单元，其特征在于：所述辅助电极的材料采用的是铜、铝、金或氧化铟锡。
本发明的原理是：
在传统的金属微带贴片电极中，贴片单元长和宽为Lx=Ly，双偶极子的长度分别为Lx1和Lx2、宽度分别为Ly1和Ly2、厚度为t0，以一条宽度为d、厚度为t0的一条偏置电压加载线正交连接两个偶极子贴片。现新型辅助电极再以宽度为d，边长为Lx的正方形金属框围绕整个贴片单元。即在原加载导线基础上增加了矩形的辅助电极，与原有的偶极子电极共同构成偶极子+矩形型的辅助电极。利用新型辅助电极加载方式的液晶移相单元构成的相控天线，施加偏置电压后，偏置电场大幅度的提高液晶分子的取向度，更加均匀遍布于移相单元中的液晶层，不影响相位的协调范围。通过连接线在上下层金属贴片上施加偏置电压，形成偏置电场，使液晶层中液晶分子的排列方向发生改变，从而改变液晶层介电常数，改变反射波的相位。在每个单元上施加不同的电压获得需要的相位分布，从而获得相应的波束指向或者实现波前赋形。
本发明的优点是：
本发明主体结构简单，不改变原有工艺流程，易于加工，稳定性好，从结构上改善电极加载方式，使得液晶分子转向更充分，更均匀，提高取向度。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明中金属微带贴片电极的主视图。
图3为本发明结构的纵切面示意图。
图4为本发明液晶移相单元阵列天线实物在显微镜下的照片。
图5为本发明的介电常数的相位特性比较。
具体实施方式
如图1、2、3所示，一种用于反射式可调移相器的液晶移相单元，包括有上、下两层介质基板1、7，上、下两层介质基板1、7的间隙中注入有液晶层4，所述上层介质基板1下侧设有金属微带贴片电极2，下层介质基板7上侧设有金属全反射接地电极6，液晶层4的上、下表面分别设有聚酰亚胺膜涂层3、5；所述金属微带贴片电极2包括有两个相同的偶极子贴片2-1、一条偏置电压加载线2-2、辅助电极2-3，两个偶极子贴片2-1平行布置，偏置电压加载线2-2正交连接两个偶极子贴片2-1构成贴片单元，辅助电极2-3是一个四边形金属框，四边形金属框围绕整个贴片单元并与偏置电压加载线2-2相连。
具体实施中，贴片单元长和宽为Lx=Ly=420μm，偶极子贴片2-1长度分别为Lx1=206μm，Lx2=226μm，宽度分别为Ly1= Ly2=38μm，厚度为t0=0.5μm，偏置电压加载线2-2宽度为d=5μm，液晶层4的厚度为t2=45μm，上、下层介质基板1、7的厚度t1=1mm。辅助电极2-3宽度为20μm，周期长度为400μm。
金属微带贴片电极2、金属全反射接地电极6均以金属铜为材质，液晶层4中液晶选择型号为GT3-23001的向列型液晶，在液晶层4的周围用环氧树脂进行密封，并在液晶层4的上表面和下表面用聚酰亚胺膜涂层3、5定向，使未加电状态下液晶层处于和基板平行状态。
图4所示是一个20×20的利用了新型辅助电极加载方式的反射式液晶阵列天线的实物结构图。天线的每一列由一根连接线施加偏置电压，由上述的移相单元我们知道在贴片单元上施加电压可以改变液晶层的介电常数，从而可以调节反射波的相位。
如图5所示，利用电磁仿真软件对新型的辅助电极的液晶移相单元与原液晶移相单元进行对比仿真，相移特性与原结构的比较，其中a为原结构，b为加入辅助电极的结构，可以看到相移曲线出现了微小变化，但相位调谐范围几乎没有变化。

Claims (3)

1.一种用于反射式可调移相器的液晶移相单元，包括有上、下两层介质基板，上、下两层介质基板的间隙中注入有液晶层，其特征在于：所述上层介质基板下侧设有金属微带贴片电极，下层介质基板上侧设有金属全反射接地电极，所述液晶层的上、下表面分别设有聚酰亚胺膜涂层；所述金属微带贴片电极包括有两个相同的偶极子贴片、一条偏置电压加载线、辅助电极，两个偶极子贴片平行布置，偏置电压加载线正交连接两个偶极子贴片构成贴片单元，辅助电极是一个四边形金属框，四边形金属框围绕整个贴片单元并与偏置电压加载线相连。
2.根据权利要求1所述的一种用于反射式可调移相器的液晶移相单元，其特征在于：所述辅助电极的外形为矩形或正方形。
3.根据权利要求1所述的一种用于反射式可调移相器的液晶移相单元，其特征在于：所述辅助电极的材料采用的是铜、铝、金或氧化铟锡。
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