CN107994302B - 液晶移相器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液晶移相器及其工作方法，属于移相器技术领域。液晶移相器，包括：第一基板；与所述第一基板相对设置的第二基板；位于所述第一基板和所述第二基板之间的液晶层；所述第一基板上设置有条状的第一电极；所述第二基板上设置有面状的第二电极；所述液晶层包括对应所述第一电极的第一区域和除所述第一区域之外的第二区域；至少部分所述第二区域的液晶层的厚度大于所述第一区域的液晶层的厚度。本发明能够获得更好的液晶调相能力，提升液晶移相器的性能。

Description

液晶移相器及其工作方法

技术领域

本发明涉及移相器技术领域，特别是指一种液晶移相器及其工作方法。

背景技术

移相器是一种能够对波的相位进行调整的装置，在雷达、导弹姿态控制、加速器、通信、仪器仪表甚至音乐领域都有着广泛的应用。目前市场上绝大多数的移相器为铁氧体移相器和PIN二极管移相器。但是，铁氧体移相器具有体积庞大、响应速度慢的缺点，不适合用于高速波束扫描；二极管移相器的缺点是功耗大(需要专门的散热系统)、功率容量小且插入损耗大，也不利于用作轻便低功耗的相控阵系统。最近科研人员发现利用液晶分子介电常数的各向异性，可以将其应用于高频微波器件中作为移相器以使微波产生相移。

当微波在介质中传播时，介电常数的改变会使得微波相位产生变化。将介电常数随电压而改变的材料如液晶材料以及铁电材料，填充到第一电极与地之间，当在第一电极与地之间加上不同的电压时，会产生不同的介电常数，从而达到移相的目的。但是对于液晶移相器，损耗一直是其在移相器方面应用的障碍。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种液晶移相器及其工作方法，能够获得更好的液晶调相能力，提升液晶移相器的性能。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供技术方案如下：

一方面，提供一种液晶移相器，包括：

第一基板；

与所述第一基板相对设置的第二基板；

位于所述第一基板和所述第二基板之间的液晶层；

所述第一基板上设置有条状的第一电极；

所述第二基板上设置有面状的第二电极；

所述液晶层包括对应所述第一电极的第一区域和除所述第一区域之外的第二区域；至少部分所述第二区域的液晶层的厚度大于所述第一区域的液晶层的厚度。

进一步地，全部所述第二区域的液晶层的厚度大于所述第一区域的液晶层的厚度。

进一步地，液晶移相器还包括：

位于所述第一基板朝向所述第二基板一侧的第一取向层；

位于所述第二基板朝向所述第一基板一侧的第二取向层，所述液晶层位于所述第一取向层和所述第二取向层之间；

所述第一取向层包括对应所述第一电极的第三区域和除所述第三区域之外的第四区域，所述第三区域的配向方向与所述第二取向层的配向方向平行，至少部分所述第四区域的配向方向与所述第三区域的配向方向不同。

进一步地，全部所述第四区域的配向方向与所述第三区域的配向方向不同。

进一步地，所述第二取向层为水平配向，所述第四区域为垂直配向。

进一步地，所述第一电极和所述第二电极采用金属或导电氧化物制成。

进一步地，所述第一取向层和所述第二取向层采用聚酰亚胺、环氧树脂或含氟聚合物中的任意一种或两种制成。

进一步地，所述液晶层采用向列型液晶分子。

进一步地，所述第一电极复用为微带线，所述第二电极为地线。

本发明实施例还提供了一种液晶移相器的工作方法，应用于如上所述的液晶移相器，所述工作方法包括：

向所述第一电极和所述第二电极分别施加电信号，使所述液晶层中液晶分子的长轴与所述第一电极和所述第二电极之间的电场方向平行。

本发明的实施例具有以下有益效果：

上述方案中，第一电极周边区域的至少部分液晶层的厚度大于第一电极所在区域的液晶层的厚度，这样在对第一电极和第二电极施加电信号时，能够使更多的第一电极和第二电极所形成电场的电场线穿过液晶层，增加液晶与电场的作用范围，提高液晶移相器对电场的利用率，从而能够使液晶移相器获得更好的液晶调相能力，提升液晶移相器的性能。

附图说明

图1为现有液晶移相器的结构示意图；

图2为现有液晶移相器施加电场后的液晶分子排布示意图；

图3为本发明实施例液晶移相器的结构示意图；

图4为本发明实施例液晶移相器施加电场后的液晶分子排布示意图。

附图标记

1第一基板 2第二基板 3微带线 4液晶层 5地线 6电场线 7垂直配向层 8水平配向层

具体实施方式

为使本发明的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

利用液晶分子介电常数的各向异性，可以将其应用于高频微波器件中作为移相器以使微波产生相移。如图1所示的液晶移相器中，包括相对设置的第一基板1和第二基板2，在第一基板1朝向第二基板2的一侧设置有第一电极，第一电极为条状电极，具体可以为微带线3，在第二基板2朝向第一基板1的一侧设置有第二电极，第二电极可以为面状的地线5，另外在第一基板1朝向第二基板2的一侧还设置有第一取向层，在第二基板2朝向第一基板1的一侧还设置有第二取向层，在第一取向层和第二取向层之间设置有液晶层4。

如图1所示，当在第一电极和第二电极之间不施加电场时，液晶分子平行于第一取向层和第二取向层的取向排列，具体地，液晶分子水平排列，大部分电场线6穿过液晶分子短轴方向，此时液晶层4的介电常数为ε⊥；如图2所示，当在第一电极和第二电极之间施加电场E时，液晶分子作为偶极子会进行90°旋转，液晶分子的长轴会和电场平行，此时液晶层4的介电常数为ε‖。在液晶移相器工作时，微波信号和电压信号同时加到第一电极上，引起的相移量如公式(1)。

其中，

为相移量，f为微波的频率，l为液晶移相器的厚度(即液晶层4的厚度)，c为光速，r为相对介电常数。

由于ε‖与ε⊥的差异，使得微波相位发生变化，达到调相的目的。但是如图2所示，由于第一电极为条状，因此，对第一电极和第二电极施加电信号后形成的电场线6有很大一部分在液晶层4之外，并没有经过液晶层4，这部分电场没有被有效利用，使得现有液晶移相器的移相能力受限。

本发明的实施例针对上述问题，提供一种液晶移相器及其工作方法，能够获得更好的液晶调相能力，提升液晶移相器的性能。

本发明实施例提供一种液晶移相器，包括：

第一基板；

与所述第一基板相对设置的第二基板；

位于所述第一基板和所述第二基板之间的液晶层；

所述第一基板上设置有条状的第一电极；

所述第二基板上设置有面状的第二电极；

所述液晶层包括对应所述第一电极的第一区域和除所述第一区域之外的第二区域；至少部分所述第二区域的液晶层的厚度大于所述第一区域的液晶层的厚度。

本实施例中，第一电极周边区域的至少部分液晶层的厚度大于第一电极所在区域的液晶层的厚度，这样在对第一电极和第二电极施加电信号时，能够使更多的第一电极和第二电极所形成电场的电场线穿过液晶层，增加液晶与电场的作用范围，提高液晶移相器对电场的利用率，从而能够使液晶移相器获得更好的液晶调相能力，提升液晶移相器的性能。

其中，第一区域对应于第一电极即第一电极在第一基板上的正投影与第一区域在第一基板上的正投影完全重合。

进一步地，可以是全部所述第二区域的液晶层的厚度都大于所述第一区域的液晶层的厚度，即第一电极周边区域的液晶层的厚度均大于第一电极所对应区域的液晶层的厚度，这样可以保证尽可能多的电场线经过液晶层，提高液晶移相器对电场的利用率，从而能够使液晶移相器获得更好的液晶调相能力，提升液晶移相器的性能。

进一步地，液晶移相器还包括：

位于所述第一基板朝向所述第二基板一侧的第一取向层；

位于所述第二基板朝向所述第一基板一侧的第二取向层，所述液晶层位于所述第一取向层和所述第二取向层之间；

所述第一取向层包括对应所述第一电极的第三区域和除所述第三区域之外的第四区域，所述第三区域的配向方向与所述第二取向层的配向方向平行，至少部分所述第四区域的配向方向与所述第三区域的配向方向不同。

其中，第三区域对应第一电极即第一电极在第一基板上的正投影与第三区域在第一基板上的正投影完全重合。

进一步地，所述第二取向层为水平配向，所述第四区域为垂直配向，即第一电极与第二电极表面的取向层采用水平配向，第一电极两侧的配向层使用垂直配向，这样，在不施加电信号的情况下，更多电场穿过液晶分子短轴，液晶层的有效介电常数更接近ε⊥。在施加电信号使得第一电极和第二电极之间产生电场之后，由于垂直配向的液晶与配向层间的作用力小，更容易在电场作用下发生偏转，因此，更多液晶分子沿电场方向排列，液晶层的有效介电常数更接近ε‖，因此可以有效利用液晶的介电常数各向异性特点，提高移相度，进而提高器件的移相功能。

进一步地，全部所述第四区域的配向方向与所述第三区域的配向方向不同，比如全部第四区域为垂直配向，这样可以达到最大化的移相度，提高器件的移相功能。

本实施例中，第一基板和第二基板可以采用厚度为100微米至1000微米的玻璃基板，也可以采用蓝宝石衬底，还可以采用厚度为10微米至500微米的PET(聚对苯二甲酸乙二酯)基板、TAC(三聚氰酸三烯丙酯)基板和PI(聚酰亚胺)透明柔性衬底，优选地，第一基板和第二基板采用介电损耗极低的高纯度石英玻璃，相比于采用普通玻璃基板，第一基板和第二基板采用石英玻璃可以有效减小对微波的损耗，使液晶移相器具有低的功耗和高的信噪比。

第一电极和第二电极可以采用铝、铜、银、金、镉、铬、钼、铌、镍、铁等金属制成，也可以采用ITO、IZO、IGZO、AZO、ZnO等透明导电氧化物制成，第一电极和第二电极的厚度为0.1纳米至100微米，具体地，可以采用磁控溅射、热蒸发、激光溅射、电子束蒸发、电镀、分子束外延、金属有机化学气相淀积、等离子体化学气相淀积等方法形成导电层，再对导电层图案化形成第一电极，图案化方法可以采用光刻、纳米压印、激光转印、喷墨打印+烧结(激光烧结、热固化或红外固化)、气溶胶打印+烧结(激光烧结、热固化或红外固化)、丝网印刷+烧结(激光烧结、热固化或红外固化)等。

第一取向层和第二取向层的材料可以选用聚酰亚胺，也可以选用环氧树脂、含氟聚合物等。在制备第一取向层和第二取向层时，将配向液通过散步器喷嘴滴注到网纹滚轮上，再转移到圆筒型棍轮上的配向板上，之后将配向板上的配向液转写到第一基板和第二基板上，加热干燥，固化成膜，最后再通过摩擦取向处理使第一取向层和第二取向层具备配向液晶的能力。第一取向层和第二取向层的厚度为1纳米至10微米，具体可以为80纳米。

液晶层中的液晶分子一般采用向列型液晶材料，向列型液晶材料具有较大的介电常数各向异性，同时对于微波的吸收损耗要小，还具有电场下转向速度快的优点。在制备液晶移相器时，可以先在一个基板上形成隔垫物和封框胶，在形成有隔垫物和封框胶的基板上滴下液晶，再将另一个基板与该基板进行真空对盒，最后再硬化封框胶来得到液晶移相器。进一步地，还可以采用VIF(真空灌晶)的方法形成液晶层。

为了形成不同厚度的液晶层，可以在第一基板上制作一定厚度的支撑物，将第一电极形成在该支撑物上，从而使得第一电极所在区域的液晶层的厚度比较小；也可以选用厚度不均一的第一基板，第一基板具有厚度大于其他部分的第一电极设置区域，将第一电极形成在该第一电极设置区域上，从而使得第一电极所在区域的液晶层的厚度比较小。

进一步地，上述第一电极复用为用于传输微波的微带线，所述第二电极为地线。由于传输微波的微带线也是采用导电材料制成，因此，微带线还可以作为第一电极，这样能够简化液晶移相器的结构。

下面以第一电极为微带线，第二电极为地线为例，结合附图对本发明实施例的液晶移相器进行详细介绍：

如图3和图4所示，本实施例的液晶移相器中，包括相对设置的第一基板1和第二基板2，在第一基板1朝向第二基板2的一侧设置有条状的微带线3，在第二基板2朝向第一基板1的一侧设置有面状的地线5，地线5与接地点连接，另外在第一基板1朝向第二基板2的一侧还设置有第一取向层，在第二基板2朝向第一基板1的一侧还设置有第二取向层，在第一取向层和第二取向层之间设置有液晶层4。其中，第一取向层位于微带线3上方的部分为水平配向层8，第一取向层的其他部分为垂直配向层7，第二取向层为水平配向层8。这样，在微带线3上不施加电信号的情况下，更多电场线穿过液晶分子短轴，液晶层4的有效介电常数更接近ε⊥；在微带线3上施加电信号之后，由于垂直配向的液晶层4与配向层间作用力小，更容易在电场作用下发生偏转，因此，更多液晶分子沿电场方向排列，液晶层4的有效介电常数更接近ε‖，因此可以有效利用液晶的介电常数各向异性特点，达到最大化的移相度，提高器件的移相功能。

如图3所示，当在微带线3和地线5之间不施加电场时，液晶分子平行于第一取向层和第二取向层的取向排列；如图4所示，当在微带线3上施加电信号，使得微带线3和地线5之间产生电场E时，液晶分子作为偶极子会进行90°旋转，液晶分子的长轴会和电场平行，此时液晶层4的介电常数为ε‖，液晶层4的介电常数发生改变，从而能够使微波产生相移。

本发明实施例还提供了一种液晶移相器的工作方法，应用于如上所述的液晶移相器，所述工作方法包括：

向所述第一电极和所述第二电极分别施加电信号，使所述液晶层中液晶分子的长轴与所述第一电极和所述第二电极之间的电场方向平行。

在液晶移相器工作时，驱动电路向所述第一电极和所述第二电极分别施加电信号，第一电极和第二电极之间产生电场，驱动液晶层内的液晶分子进行转动，使所述液晶层中液晶分子的长轴与所述第一电极和所述第二电极之间的电场方向平行，液晶层的介电常数发生变化，从而能够使微波产生相移。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”，或者可以存在中间元件。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种液晶移相器，包括：

第一基板；

与所述第一基板相对设置的第二基板；

位于所述第一基板和所述第二基板之间的液晶层；

所述第一基板上设置有条状的第一电极；

所述第二基板上设置有面状的第二电极；

所述液晶层包括对应所述第一电极的第一区域和除所述第一区域之外的第二区域；其特征在于，至少部分所述第二区域的液晶层的厚度大于所述第一区域的液晶层的厚度，在所述第一区域，第一基板的厚度为d；在液晶层厚度大于第一区域的液晶层的厚度的第二区域，第一基板的厚度为D，D小于d。

2.根据权利要求1所述的液晶移相器，其特征在于，全部所述第二区域的液晶层的厚度大于所述第一区域的液晶层的厚度。

3.根据权利要求1所述的液晶移相器，其特征在于，还包括：

位于所述第一基板朝向所述第二基板一侧的第一取向层；

位于所述第二基板朝向所述第一基板一侧的第二取向层，所述液晶层位于所述第一取向层和所述第二取向层之间；

所述第一取向层包括对应所述第一电极的第三区域和除所述第三区域之外的第四区域，所述第三区域的配向方向与所述第二取向层的配向方向平行，至少部分所述第四区域的配向方向与所述第三区域的配向方向不同。

4.根据权利要求3所述的液晶移相器，其特征在于，全部所述第四区域的配向方向与所述第三区域的配向方向不同。

5.根据权利要求3所述的液晶移相器，其特征在于，所述第二取向层为水平配向，所述第四区域为垂直配向。

6.根据权利要求1所述的液晶移相器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极采用金属或导电氧化物制成。

7.根据权利要求3所述的液晶移相器，其特征在于，所述第一取向层和所述第二取向层采用聚酰亚胺、环氧树脂或含氟聚合物中的任意一种或两种制成。

8.根据权利要求1所述的液晶移相器，其特征在于，所述液晶层采用向列型液晶分子。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的液晶移相器，其特征在于，所述第一电极复用为微带线，所述第二电极为地线。

10.一种液晶移相器的工作方法，其特征在于，应用于如权利要求1-9中任一项所述的液晶移相器，所述工作方法包括：

向所述第一电极和所述第二电极分别施加电信号，使所述液晶层中液晶分子的长轴与所述第一电极和所述第二电极之间的电场方向平行。

Images