CN107453013A - 一种基于液晶材料的移相器 - Google Patents
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Abstract
该发明公开了一种基于液晶材料的移相器,特别涉及一种基于液晶材料的移相器。解决方案是将移相器上下层均用玻璃板封装，中间灌入液晶，液晶层的厚度利用仿真计算在不影响移相器性能的前提下尽量减小，再用玻璃胶将结构密封，保证液晶层的气密性及均匀性。并在上层玻璃板的下表面及下层玻璃板的双面镀金属层，运用光刻技术对其进行图形化加工。本发明提出的新型液晶移相器结构，解决了液晶层厚度过厚，难以实现配向，且响应时间较长、损耗较大问题，也解决了液晶移相器的封装、馈电及偏置电路难以协调的问题。
Description
技术领域
本发明涉及天线领域，特别涉及一种基于液晶材料的移相器。
背景技术
现代通信技术的发展对于相控阵天线的要求越来越高，而电调谐移相器作为相控阵单元的核心部件，对整个阵列的性能起着至关重要的作用。当前，对于低损耗、小型化、成本低廉的电调谐移相器有着迫切的需求。
移相器可以分为有源和无源两大类。很多有源移相器都是基于两个正交信号的插值。它们可以存在于射频前端或者收发信机的基带中。虽然有源移相器具有封装小等优势，但其引入了额外的功耗，对于规模较大的移动设备或者自动化工作的设备不太适用。
无源移相器根据实现时所采用的技术不同分为以下三类：第一类是基于MEMS、PIN二极管、CMOS、MEMS等的开关型(Switch Line)移相器，他们的工作原理相同，都是通过控制开关的通断选择不同的相移通道，实现对相位的调控。他们的区别在于控制开关通断的方式不同，MEMS通过机械的形式控制开关的通断，PIN二极管与CMOS则是通过控制加在元件上的电压来控制元件的通断。第二类是基于变容二极管的反射型(Refelected Line)移相器。反射型移相器基于带有反射型负载90度混合耦合器。通过连续改变负载变容二极管的电容值或者在不同负载间切换来实现移相。第三类是基于周期性加载变容二极管或者铁电体、液晶等介电常数可调介质的加载线型(Loaded Line)移相器，通过改变加载线的特性来控制相移常数，进而实现对相位的调控。
对于开关型移相器，RF信号在不同长度的传输线间切换，在不同的通道可产生特定的相移。因此开关型移相器不能实现相位的连续调节，如需提高移相的连续性，需增加通道的数目，但体积庞大，控制开关通断的机构过于复杂等问题也随之而来，在要求小型化和高相移精度的天线阵中应用大大受限。
对于反射型移相器以及用变容二极管实现的加载线型移相器，变容二极管能够实现小型化，但是硅基变容二极管品质因数不高，频率升高会增大插损从而使优质因子(FoM)降低，降低移相器相位调节能力。当插损变化的时候需要用可变增益放大器来弥补。反射型移相器中3dB耦合器同样会引入诸多问题，如复杂的阻抗变换结构。
对于加载介电常数可调介质的加载线型移相器，其中被广泛研究的材料是铁电体和铁氧体，铁电体材料如BZN/BST可以实现很大范围介电常数的变化，在10G以下都有很好的表现，但是材料所需偏置电压相对较大，且损耗会随着频率变大，增大移相器的插损，对于Ku甚至更高的频段不太适用。铁氧体移相器需要永磁铁提供直流磁场改变波导内铁氧体的导磁系数来获得差分相移，当规模较大时，体积会变得非常庞大。
液晶是另外一种介电常数可以通过加电压控制的材料，随着外加偏置电压的不同介电常数可以连续变化，进而可以实现连续的相移调节，同时，液晶的损耗角正切随着频率的增大而减小，偏置电压也相对较小，在频率高于10G时的应用中很有前景，在滤波器、谐振器、可重构天线、频率选择表面和超常媒质等方面已有比较广泛的研究。液晶移相器是目前国外学者正在研究的一种新型的移相器，在微波、毫米波波段有着广阔的应用前景。
液晶是一种物理状态非常特殊的兼具晶体的各向异性特性和液体的流动性的材料。液晶在光学方面的性质以及应用研究已经相当完备，但在微波领域研究和应用均还不够成熟。基于液晶材料的可重构天线及电磁波器件中液晶材料的实际封装工艺也还存在很多的问题。
发明内容
本发明是针对液晶层厚度过厚，难以实现配向，且响应时间较长、损耗较大，液晶电调谐移相器的封装、馈电及偏置电路难以协调等问题，提出的一种新的液晶移相器结构。以保证充分发挥液晶调节性能的同时保证液晶层的均匀性、气密性、鲁棒性等目的。
本发明的解决方案是将移相器上下层均用玻璃板封装，中间灌入液晶，液晶层的厚度利用仿真计算在不影响移相器性能的前提下尽量减小，再用玻璃胶将结构密封，保证液晶层的气密性及均匀性。并在上层玻璃板的下表面及下层玻璃板的双面镀金属层，运用光刻技术对其进行图形化加工。
本发明一种基于液晶材料的移相器，包括：上层玻璃板1、中间液晶层3、下层玻璃板2；上层玻璃板下表面设置蛇形金属微带线4和金属电极8，所述金属电极8与蛇形金属微带线4通过金属微带线馈电，蛇形金属微带线4上的馈电点在蛇形金属微带线中靠近金属电极8的末段上，金属电极8用来加载偏置电压；下层玻璃板开设两个矩形缝隙6，所述两个矩形缝隙分别设置于上层玻璃板蛇形金属微带线两头对应到下层玻璃板的位置，下层玻璃板的上表面镀一金属层；下层玻璃板下表面设置两条金属微带线7，该金属微带线7分别从下层玻璃板下表面的边缘延伸到两个矩形缝隙处；上下层玻璃板之间设置小玻璃珠用于支撑，然后填充液晶并用玻璃胶将四周密封，通过下层玻璃板下表面的两金属微带线7进行馈电。
进一步的，所述上层玻璃板的金属电极8与蛇形金属微带线4之间的金属线上设置于扇形金属结构9用于将射频信号与直流隔离，该扇形金属结构的位置在液晶封装区域内。
进一步的，所述上层玻璃板1与下层玻璃板2之间距离为0.1mm，所述上层玻璃板的蛇形金属微带线4的为50欧姆的蛇形金属微带线，所述下层玻璃板的金属微带线7为50欧姆的金属微带线，用于与50欧姆同轴线阻抗匹配。
本发明的有益效果是：本发明提出的新型液晶移相器结构，解决了液晶层厚度过厚，难以实现配向，且响应时间较长、损耗较大问题，也解决了液晶移相器的封装、馈电及偏置电路难以协调的问题。
附图说明
图1为基于液晶材料的移相器侧视图；
图2为上层玻璃板1下表面；
图3为下层玻璃板2下表面；
图4为下层玻璃板2上表面；
图5为实施例仿真实验中移相器反射系数随液晶有效介电常数变化曲线；
图6为实施例仿真实验中移相器的相移量变化曲线；
图中：1,2.玻璃板，3.液晶材料，4.50欧姆金属蛇形微带线，5.金属地板，6.矩形缝隙，7.50欧姆金属微带线，8.金属电极，9.扇形金属结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例：本实施例提供一个基于液晶材料的移相器，其结构如图1-3所示，包括上层玻璃板1，下层玻璃板2，中间灌注液晶层3。所述上层玻璃板1下表面光刻出50欧姆金属蛇形微带线4用于实现相位变化、金属电极8用于加载偏置电压，并光刻出一条带有扇形金属结构9的细金属线将50欧姆金属蛇形微带线4与金属电极8相连；所述下层玻璃板2上表面整面镀一层金属作为金属地板E，并在其上光刻出两个矩形缝隙6用于耦合信号，在下层玻璃板下表面光刻出两条50欧姆金属微带线7通过SMA接头连接50欧姆同轴线为移相器馈电。
参照图1-4，液晶填充于上层玻璃板1与下层玻璃板2中间0.1mm厚的空槽中，事先通过配向使液晶分子有序排列，此时液晶的相对介电常数为2.47。由50欧姆同轴线馈入的信号通过50欧姆金属微带线7，经矩形缝隙6耦合到50欧姆金属蛇形微带线4上，再通过加载偏置电压，从0变到20V，使得液晶分子排列方向发生改变，液晶的相对介电常数从2.47变化到最大3.16，由此使得信号的相位也随之发生了改变。
参照图5，当液晶相对介电常数从2.47变化至3.16，移相器在30-35GHz频率范围内反射系数皆低于-10dB。
参照图6，当液晶相对介电常数从2.47变化至3.16，移相器在31.97GHz可以获得360°差分相移。
本发明通过降低液晶层厚度，将液晶层厚度降至0.1mm，使得液晶可以通过PI取向膜配向，同时由于液晶层厚度减小，自然导致损耗降低、响应时间加快。通过缝隙耦合信号，使得SMA接头可以接在下层玻璃板下表面的金属微带线7处而不用受制于SMA内导体太粗无法插入0.1mm厚的液晶层中与金属蛇形微带线4相接的问题，又通过扇形金属结构9将射频信号与直流隔离，这便解决了液晶移相器的封装、馈电及偏置电路难以协调的问题。
Claims (3)
1.一种基于液晶材料的移相器，包括：上层玻璃板1、中间液晶层3、下层玻璃板2；上层玻璃板下表面设置蛇形金属微带线4和金属电极8，所述金属电极8与蛇形金属微带线4通过金属微带线馈电，蛇形金属微带线4上的馈电点在蛇形金属微带线中靠近金属电极8的末段上，金属电极8用来加载偏置电压；下层玻璃板开设两个矩形缝隙6，所述两个矩形缝隙分别设置于上层玻璃板蛇形金属微带线两头对应到下层玻璃板的位置，下层玻璃板的上表面镀一金属层；下层玻璃板下表面设置两条金属微带线7，该金属微带线7分别从下层玻璃板下表面的边缘延伸到两个矩形缝隙处；上下层玻璃板之间设置小玻璃珠用于支撑，然后填充液晶并用玻璃胶将四周密封，通过下层玻璃板下表面的两金属微带线7进行馈电。
2.如权利要去1所述的一种基于液晶材料的移相器,其特征在于所述上层玻璃板的金属电极8与蛇形金属微带线4之间的金属线上设置于扇形金属结构9用于将射频信号与直流隔离，该扇形金属结构的位置在液晶封装区域内。
3.如权利要去1或2所述的一种基于液晶材料的移相器,其特征在于所述所述上层玻璃板1与下层玻璃板2之间距离为0.1mm，所述上层玻璃板的蛇形金属微带线4的为50欧姆的蛇形金属微带线，所述下层玻璃板的金属微带线7为50欧姆的金属微带线，用于与50欧姆同轴线阻抗匹配。
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