CN107546456A - 一种基于液态晶体材料的小型化微波频率可重构耦合器 - Google Patents

一种基于液态晶体材料的小型化微波频率可重构耦合器 Download PDF

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陈会
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Abstract

本发明涉及一种基于液态晶体材料的小型化微波频率可重构耦合器，解决的是线性度低、体积大、重量中、成本高的技术问题，通过采用包括依次重叠设置的金属载板、液晶槽及环形耦合器介质板环形耦合器介质板与液晶槽接触的一面设有环形耦合器微带机构；所述液晶槽上与环形耦合器对应的部分为中空结构；所述金属载板、液晶槽与环形耦合器介质板构成闭合的中空液晶槽；所述中空液晶槽内设有液态晶体材料构成的液态晶体材料介质层；所述液态晶体材料介质层外加偏置电压的技术方案，较好的解决了该问题，可用于微波耦合器中。

Description

一种基于液态晶体材料的小型化微波频率可重构耦合器
技术领域
本发明涉及微波器件领域，具体涉及一种基于液态晶体材料的小型化微波频率可重构耦合器。
背景技术
耦合器作为微波通信系统中的基本元件，广泛应用于平衡放大器、混频器以及天线阵列的馈电网络等微波电路。为了适应现代通信发展的需要，近年来关于微波耦合器的研究非常多。这些研究主要集中在实现耦合器的小型化、宽带化、多频带和可调谐技术等方面。由于现代通信系统对多个无线标准集成到单个无线平台的强烈需求，因此，耦合器可调谐是否重要。可调谐技术分为电可调谐技术与机械可调谐技术。机械可调谐技术碍于其较慢的调谐速度，应用受限。电可调谐技术大多采用PIN二极管、变容二极管、MMIC和电控材料等，通过偏置电压不同从而获得可调谐的性质。
现有调谐的方法包括：YIG磁电调谐、PIN二极管调谐、变容二极管调谐、BST铁电薄膜调谐、射频微机电系统调谐即RF MEMS调谐和单片微波集成电路调谐，即MMIC调谐。但是，YIG调谐速度慢、体积大；BST的线性度较差；RF MEMS调谐比小，而且成本较高；二极管和MMIC的调谐速度快，但同样线性度不佳。因此，提供一种新的可调谐耦合器就很有必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的线性度低、体积大、重量中、成本高的技术问题。提供一种新的基于液态晶体材料的小型化微波频率可重构耦合器，该基于液态晶体材料的小型化微波频率可重构耦合器具有连续可调、线性度好、控制方便、小型化、成本低的特点。
为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：
一种基于液态晶体材料的小型化微波频率可重构耦合器，所述耦合器包括依次重叠设置的金属载板、液晶槽及环形耦合器介质板，环形耦合器介质板与液晶槽接触的一面设有环形耦合器微带机构；所述液晶槽上与环形耦合器对应的部分为中空结构；所述金属载板、液晶槽与环形耦合器介质板构成闭合的中空液晶槽；所述中空液晶槽内设有液态晶体材料构成的液态晶体材料介质层；所述液态晶体材料介质层外加偏置电压。
本发明的工作原理：液态晶体对电场的响应属于液态晶体材料独特的性质，液态晶体是流体，可以沿空间中某一特定方向自动平均取向。在液相中，分子的完全无序的运动使得这些物相在空间的所有方向上都是等价的。当外加电场与磁场施加于液态晶体上时，液态晶体相的响应是不同的，取决于外场是沿着指向矢还是与它成某一个角度。如果分子的长轴倾向于沿着电场取向，那么电场就会使液态晶体分子沿着场方向排列。取向有序性并不比没有电场时大，差别在于电场使得液态晶体的指向矢沿着电场的方向取向。如果分子方向倾向于垂直于电场方向取向，那么电场的存在将会使指向矢沿垂直于场方向取向。确定液态晶体指向矢的取向所需要的电场强度相对较低，因为液态晶体指向矢一般是在任何方向上自由取向的。液态晶体分子在保持分子之间某些取向有序性，类似于固体的同时，又具有改变取向自由度，类似于液体。因此，通过改变外加场，就可以改变其的特性，实现频率可调。
基于液态晶体材料微波可调耦合器是通过在液态晶体上下表面电极加偏压并改变电压值使得液态晶体指向矢量发生改变，即改变液态晶体基片的有效介电系数来实现的。当偏置电压为Vb＝0V时，沿面锚泊的液晶分子指向矢的排列方向平行于盒面，定义垂直于盒面偏振的电磁波的有效光学介电常数的实部为ε⊥，随着外加电压逐渐增大，液晶分子的指向矢会逐渐跟随电场的方向进行旋转，当电压升高到一定值，Vb＝Vmax后，液晶分子长轴的排列方向与电场方向相平行而垂直于盒面,定义该状态下电磁波的有效光学介电常数实部为ε//。由于液态晶体材料在外加偏压过程中有效光学介电常数逐步变化，从而导致其介电常数的逐步变化。因此，利用液态晶体材料介电常数电可调的性质，将其应用于微波耦合器设计，就可通过外加偏压改变液晶介质的介电常数从而调谐耦合器中心频率实现快速动态选频。
上述方案中，为优化，进一步地：所述环形耦合器微带机构包括T-Shape微带线结构。
进一步地：所述液态晶体材料介质层表面设有液晶薄膜，液晶薄膜用于封装液态晶体材料介质层。
进一步地：所述环形耦合器介质板与环形耦合器微带机构异位设置有至少一个液晶注入孔3。
进一步地：所述环形耦合器介质板远离液晶槽的一面设有匹配馈线微带；匹配馈线微带8与环形耦合器微带结构通过通孔连接；通孔处还设有微带通孔过渡结构。
进一步地：所述金属载板、液晶槽与环形耦合器介质板通过配合设置的螺纹孔与螺钉组成闭合结构。
进一步地：所述基于液态晶体材料的小型化微波频率可重构耦合器的中心频率可调范围包括3.58GHz-3.2GHz。
传统微波可重构耦合器存在的调谐速度慢、体积大、线性度较差、调谐比小以及成本较高等问题，本发明提出的采用液态晶体材料制作的小型化微波可重构耦合器，能同时兼顾连续可调、线性度好、控制方便、小型化、低成本等特性，能满足当今迅猛发展的无线通信对微波可重构耦合器的需求。
经典的1.5λ混合环的大小受环形线的总长度限制，因此，要实现小型化设计必须要对该结构进行优化。由微带线理论可知，微带定向耦合器支线的特性阻抗和电长度决定了其宽度和长度。采用T-Shape微带传输线等效变换能有效的缩短电路尺寸。通过将混合环中阻抗为的环形的λ/4传输线等效为一段T型传输线，则能将原电路尺寸缩小30％。同时，为了提升阻抗匹配自由度，在每个输出枝节线上加载一条微带枝节。
本发明的有益效果：
效果一，液态晶体作为无源材料，外置偏压只改变在其中传播的具有一定偏振方向的电磁波的有效光学介电常数，避免了二极管和铁氧体中非线性效应，在一定功率范围内，不会出现互调失真等现象，从而提高耦合器的调谐线性度；
效果二，液态晶体材料密度小、质量轻且光学介电常数较高，加载液态晶体材料的调谐器件可获得较小的体积和较轻的重量；
效果三，采用液态晶体材料制作微波调谐器件的成本相对于MEMS等传统调谐器件更低；
效果四：采用T-Shape微带传输线等效变换能有效的缩短电路尺寸。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1，基于液态晶体材料的小型化微波频率可重构耦合器示意图。
图2，实施例1中环形耦合器微带机构示意图。
图3，液态晶体材料介质层外加偏置电压示意图。
图4，匹配馈线微带示意图。
图5，实施例2中环形耦合器微带机构示意图。
图6，T-Shape微带线结构原理示意图。
图7，液晶槽中空结构示意图。
图8，实施例2中基于液态晶体材料小型化微波可调耦合器的参数示意图。
图中：
1-微带通孔过渡结构，2-液态晶体材料介质层，3-注入孔，4-环形耦合器微带机构，5-环形耦合器介质板，6-液晶槽，7-金属载板，8-匹配馈线微带，9-螺纹孔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种基于液态晶体材料的小型化微波频率可重构耦合器，如图1，所述耦合器包括依次重叠设置的金属载板7、液晶槽6及环形耦合器介质板5，环形耦合器介质板5与液晶槽6接触的一面设有环形耦合器微带机构4；如图7，所述液晶槽6上与环形耦合器对应的部分为中空结构；所述金属载板7、液晶槽6与环形耦合器介质板5构成闭合的中空液晶槽；所述中空液晶槽内设有液态晶体材料构成的液态晶体材料介质层2；所述液态晶体材料介质层2外加偏置电压。
如图2，环形耦合器微带机构4为经典微带环形混合网络的结构图。混合环各支路特性阻抗为Z0,根据λ/4变换特性可知，环形线的特性阻抗为
本实施例的工作流程：如图3所示，基于液态晶体材料微波可调耦合器是通过在液态晶体上下表面电极加偏压并改变电压值使得液态晶体指向矢量发生改变，即改变液态晶体基片的有效介电系数来实现的。当偏置电压为Vb＝0V时，沿面锚泊的液晶分子指向矢的排列方向平行于盒面，定义垂直于盒面偏振的电磁波的有效光学介电常数的实部为ε⊥，随着外加电压逐渐增大，液晶分子的指向矢会逐渐跟随电场的方向进行旋转，当电压升高到一定值，Vb＝Vmax后，液晶分子长轴的排列方向与电场方向相平行而垂直于盒面,定义该状态下电磁波的有效光学介电常数实部为ε//。由于液态晶体材料在外加偏压过程中有效光学介电常数逐步变化，从而导致其介电常数的逐步变化。因此，利用液态晶体材料介电常数电可调的性质，将其应用于微波耦合器设计，就可通过外加偏压改变液晶介质的介电常数从而调谐耦合器中心频率实现快速动态选频。
本实施例中金属载板7、液晶槽6与环形耦合器介质板5通过配合设置的螺纹孔9与螺钉组成闭合结构。
为了提升阻抗匹配自由度，优选地，在每个输出枝节线上加载一条微带枝节。具体为，如图4，所述环形耦合器介质板5远离液晶槽6的一面设有匹配馈线微带8；匹配馈线微带8与环形耦合器微带结构通过通孔连接；通孔处还设有微带通孔过渡结构1。
为了提高液态晶体材料介质层2的性能，优选地，所述液态晶体材料介质层2表面设有液晶薄膜，液晶薄膜用于封装液态晶体材料介质层2。进行液晶薄膜封装处理能够提高密封度。
为了方便液态晶体材料的注入，优选地所述环形耦合器介质板5与环形耦合器微带机构4异位设置有至少一个液晶注入孔3。将液态晶体材料注入中空液晶槽后，将液晶注入孔3封死。
实施例2
经典的1.5λ混合环的大小受环形线的总长度限制，因此，要实现小型化设计必须要对该结构进行优化。本实施在实施例1的基础上采用T-Shape微带线结构，进一步提高耦合器的小型化程度。具体地，所述环形耦合器微带机构4包括T-Shape微带线结构，如图5。
如图6，通过将原混合环中阻抗为的环形的λ/4传输线等效为一段T型传输线，则能将原电路尺寸缩小30％。
如图8，为本实施中耦合器的频率可调特性图，当液态晶体的介电系数从2.4变到3.4时，耦合器中心频率可调范围为3.58GHz-3.2GHz，其相对可调谐频率范围为11.5％，具有良好的频率可重构特性。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种基于液态晶体材料的小型化微波频率可重构耦合器，其特征在于：所述耦合器包括依次重叠设置的金属载板(7)、液晶槽(6)及环形耦合器介质板(5)环形耦合器介质板(5)与液晶槽(6)接触的一面设有环形耦合器微带机构(4)；
所述液晶槽(6)上与环形耦合器对应的部分为中空结构；
所述金属载板(7)、液晶槽(6)与环形耦合器介质板(5)构成闭合的中空液晶槽；所述中空液晶槽内设有液态晶体材料构成的液态晶体材料介质层(2)；
所述液态晶体材料介质层(2)外加偏置电压。
2.根据权利要求1所述的基于液态晶体材料的小型化微波频率可重构耦合器，其特征在于：所述环形耦合器微带机构(4)包括T-Shape微带线结构。
3.根据权利要求1所述的基于液态晶体材料的小型化微波频率可重构耦合器，其特征在于：所述液态晶体材料介质层(2)表面设有液晶薄膜，液晶薄膜用于封装液态晶体材料介质层(2)。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于液态晶体材料的小型化微波频率可重构耦合器，其特征在于：所述环形耦合器介质板(5)与环形耦合器微带机构(4)异位设置有至少一个液晶注入孔3。
5.根据权利要求1-3任一所述的基于液态晶体材料的小型化微波频率可重构耦合器，其特征在于：所述环形耦合器介质板(5)远离液晶槽(6)的一面设有匹配馈线微带(8)；匹配馈线微带(8)与环形耦合器微带结构通过通孔连接；通孔处还设有微带通孔过渡结构(1)。
6.根据权利要求1-3任一所述的基于液态晶体材料的小型化微波频率可重构耦合器，其特征在于：所述金属载板(7)、液晶槽(6)与环形耦合器介质板(5)通过配合设置的螺纹孔(9)与螺钉组成闭合结构。
7.根据权利要求1所述的基于液态晶体材料的小型化微波频率可重构耦合器，其特征在于：所述基于液态晶体材料的小型化微波频率可重构耦合器的中心频率可调范围包括3.58GHz-3.2GHz。
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