CN108493553A - 功率分配器及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

一种功率分配器，包括：第一电极层，包括第一电极；信号线层，包括第一信号线和第二信号线，被配置为传输微波信号，第一信号线的两端分别为第一端口和第二端口，第二信号线的两端分别为第三端口和第四端口，第一端口用作微波信号的输入端口，第二端口、第三端口和第四端口中的至少两个端口用作微波信号的输出端口；以及液晶层，其位于第一电极层和信号线层之间，其中，其中，所述功率分配器被配置为通过分别控制施加到所述第一信号线的第一电压、施加到所述第二信号线的第二电压、以及施加到所述第一电极层的第三电压，以改变所述液晶层的等效介电常数，从而改变所述第一信号线和所述第二信号线之间的耦合强度以调整所述至少两个端口输出的微波信号的功率。

Description

功率分配器及其驱动方法

技术领域

本公开涉及微波通信领域，并且更具体地，涉及一种功率分配器及其驱动方法。

背景技术

功率分配器，尤其是微波功率分配器，对于无线通信智能组网具有重要作用。传统的微波功率分配器通过变容二极管或开关二极管改变天线的等效阻抗，进而改变功率分配器的各端口的功率分配比或者工作频率。这种实现方法受限于二极管封装分布参数，导致功率分配器往往无法工作在较高频率。然而，当微波功率分配器应用在较高的频率时，现有技术又受限于只能调控微波功率分配器的工作频率，而无法调控输出功率。

发明内容

根据本公开的第一方面，提供了一种功率分配器，该功率分配器包括：第一电极层，包括第一电极；信号线层，包括第一信号线和第二信号线，被配置为传输微波信号，所述第一信号线的两端分别为第一端口和第二端口，所述第二信号线的两端分别为第三端口和第四端口，所述第一端口用作微波信号的输入端口，所述第二端口、第三端口和第四端口中的至少两个端口用作微波信号的输出端口；以及液晶层，其位于所述第一电极层和所述信号线层之间，其中，通过分别控制施加到所述第一信号线的第一电压、施加到所述第二信号线的第二电压、以及施加到所述第一电极的第三电压，以改变所述液晶层的等效介电常数，从而改变所述第一信号线和所述第二信号线之间的耦合强度以调整所述至少两个端口输出的微波信号的功率。

在一个示例中，所述第一电极所在的平面为第一平面，所述第一信号线的第一部分与所述第二信号线的第一部分彼此平行，并且所述第一信号线的第一部分和所述第二信号线的第一部分在所述第一平面上的正投影与所述第一电极在所述第一平面上的正投影至少部分重合。

在一个示例中，所述液晶层内的液晶在所述第一平面上的正投影、所述第一信号线的第一部分和所述第二信号线的第一部分在所述第一平面上的正投影、以及所述第一电极在所述第一平面上的正投影三者至少部分重合。

根据本公开的实施例的功率分配器还可以包括：第一介质基板、第二介质基板和金属地，其中，所述第一介质基板和所述液晶层位于所述第一电极层的相对两侧，所述第二介质基板和所述液晶层位于所述信号线层的相对两侧，并且所述信号线层和所述金属地位于所述第二介质基板的相对两侧。

在一个示例中，所述第一电极为金属贴片。

在一个示例中，所述金属贴片可以是矩形或圆形。

在一个示例中，所述第一信号线和所述第二信号线可以均为金属线。

在一个示例中，所述液晶层可以由向列相液晶构成。

在一个示例中，所述第一信号线和所述第二信号线可以均为U型金属线，且所述第一信号线的第一部分和所述第二信号线的第一部分均为U型的中间部分，并且两条所述U型金属线背靠背设置。

根据本公开的另一方面，提供了一种用于根据本公开的实施例的功率分配器的驱动方法，包括：从第一端口输入微波信号，并且从第二端口、第三端口和第四端口中的至少两个端口输出微波信号；分别向所述第一信号线施加第一电压、向所述第二信号线施加第二电压、以及向所述第一电极施加第三电压并分别控制所述第一电压、第二电压和第三电压，以调整所述至少两个端口输出的微波信号的功率。

在一个示例中，分别控制施加到所述第一信号线的第一电压、施加到所述第二信号线的第二电压、以及施加到所述第一电极的第三电压，调整所述至少两个端口输出的微波信号的功率，可以包括：分别控制第一电压、第二电压和第三电压以改变所述液晶层的等效介电常数，从而控制所述第一信号线和所述第二信号线之间的耦合强度以调整所述至少两个端口输出的微波信号的功率。

在一个示例中，分别控制第一电压、第二电压和第三电压可以包括：分别控制施加到所述第一信号线的第一电压和施加到所述第二信号线的第二电压使得在所述第一信号线和所述第二信号线之间形成电压差、并且不对所述第一电极施加电信号，以使所述液晶层的等效介电常数最大，此时所述第二端口输出的微波信号的功率达到其最小值，所述第三端口和第四端口各自输出的微波信号的功率达到其最大值。

在一个示例中，分别控制第一电压、第二电压和第三电压可以包括：分别控制施加到所述第一信号线的第一电压和施加到所述第二信号线的第二电压使得所述第一信号线和所述第二信号线之间无电压差、并且控制施加到所述第一电极的第三电压使得所述第一电极与所述第一信号线、所述第二信号线之间形成电压差，以使所述液晶层的等效介电常数最小，此时所述第二端口输出的微波信号的功率达到其最大值，所述第三端口和第四端口各自输出的微波信号的功率达到其最小值。

在一个示例中，分别控制第一电压、第二电压和第三电压可以包括：分别控制施加到所述第一信号线的第一电压、施加到所述第二信号线的第二电压、以及施加到所述第一电极的第三电压以使所述液晶层的等效介电常数变化，从而所述至少两个端口输出的微波信号的功率在其各自的最小值和最大值之间连续变化。

本公开通过在第一电极层和包括第一信号线和第二信号线的信号线层的微波耦合结构中引入液晶调控机构(即，液晶层)来调整第一信号线和第二信号线之间的耦合强度，以实现一种微波可重构的功率分配器。通过对微波耦合结构中的液晶材料施加偏置电压来改变由液晶分子组成的液晶层的等效介电常数，就可以对微波耦合结构各个端口输出的微波信号的功率进行调控，从而解决功率分配器工作在微波高频段时的输出功率的控制问题。

本公开中提出的液晶调控机构，巧妙地借用了微波耦合结构自身的元件来实现，没有引入额外的金属或者介质部件，从而最大限度地降低了液晶调控机构本身带来的微波能量损耗。而且，该液晶调控机构具备水平与垂直两个方向的电调控能力，不需要液晶配向层即可工作，从而解决了现有液晶微波器件由于需要配向层而导致的加工成本高、调控范围小、响应时间慢的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本公开的实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。

图1是示出了根据本公开的实施例的功率分配器的分层结构图；

图2是示出了图1所示的功率分配器的信号线层的局部示意图；

图3A是示出了根据本公开的实施例的功率分配器的截面图；

图3B是示出了根据本公开的实施例的功率分配器的俯视图；

图4是示出了根据本公开的实施例的功率分配器的驱动方法的流程图；

图5A是示出了根据本公开的实施例的功率分配器的液晶层内的液晶分子呈水平取向状态的示意图；

图5B是示出了根据本公开的实施例的功率分配器的液晶层内的液晶分子呈垂直取向状态的示意图；

图5C是示出了根据本公开的实施例的功率分配器的液晶层内的液晶分子呈介于水平和垂直取向状态之间的中间态的示意图；以及

图6是示出了通过引线对根据本公开的实施例的功率分配器的信号线层施加电压的示意图。

具体实施方式

将参照附图详细描述根据本公开的各个实施例。这里，需要注意的是，在附图中，将相同的附图标记赋予基本上具有相同或类似结构和功能的组成部分，并且将省略关于它们的重复描述。

为使本公开的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开的实施例的附图，对本公开的实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本公开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。同样，“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。

在微波通信领域，为了在更高的频率上实现微波功率分配器，相关技术中提出可以利用液晶材料替换二极管来对功率分配器的性能进行调控。

图1是示出了根据本公开的实施例的功率分配器的分层结构图，以及图2是示出了图1所示的功率分配器的信号线层的示意图。

如图1所示，功率分配器可以包括第一电极层、信号线层和液晶层，其中，液晶层位于第一电极层和信号线层之间。第一电极层可以包括第一电极，信号线层可以包括第一信号线和第二信号线，被配置为传输微波信号。

具体地，如图2所示，第一信号线的两端分别为第一端口1和第二端口2，第二信号线的两端分别为第三端口3和第四端口4，并且可以选择将第一端口1用作微波信号的输入端口，而将第二端口2、第三端口3和第四端口4中的至少两个端口用作微波信号的输出端口。

可以通过分别控制施加到第一信号线、第二信号线和第一电极的第一电压、第二电压和第三电压(即第一信号线施加第一电压，第二信号线施加第二电压，第一电极施加第三电压)，来调整输出端口的微波信号的功率。

具体地，第一电极、第一信号线和第二信号线相当于功率分配器的三个电极，可以对其分别施加偏置电压。作用在第一电极和两条信号线上的电压可以在第一电极层和信号线层之间的空间中产生电场，在产生的电场的力的作用下，液晶层内的液晶分子会发生偏转。应当了解，不同的电压会产生不同方向和不同大小的电场，在产生的电场的力的作用下，液晶层内的液晶分子会发生偏转，因而会改变液晶层的等效介电常数。并且，所需施加的电压的具体情况还与液晶型号、黏滞度等参数有关。

第一电极除了作为施加偏置电压的电极之外，还可以用于增强对微波信号的耦合强度。第一电极例如可以为金属贴片，并且该金属贴片可以是图1所示的矩形，也可以是圆形或其它形状，本公开不对其做出限制。第一信号线和第二信号线可以为金属信号线，也可以为能够传输微波信号的其他信号线，本公开不对其做出限制。液晶层内的液晶材料可以用于调控微波信号的耦合强度，因而当液晶层内的液晶分子发生偏转时，功率分配器的输出端口的微波信号的功率也会发生变化。液晶层例如可以由向列相液晶构成，也可以由其他类型的液晶构成，本公开不对其做出限制。

如前所述，信号线层的两条信号线共形成4个端口。例如，在图2中，可以选择第一端口1作为微波信号的输入端口，将与第一端口1处于对角线位置的第四端口4连接到匹配负载，以便从第四端口4输出的信号可以全部传输出去而没有反射信号对其它端口的微波信号造成干扰，将第二端口2和第三端口3作为输出端口。这样的配置是将功率分配器作为一分为二的功率分配器来使用。此时，对功率分配器的第一信号线、第二信号线和第一电极分别施加电压就可以调控液晶层内的液晶分子的取向状态，进而改变第二端口2和第三端口3输出的微波信号的功率。

应当了解，这里，关于各端口的编号以及选择哪一个端口作为微波信号的输入端口、哪一个或哪几个端口作为微波信号的输出端口仅是示例性的，本公开不对其进行限制。

在一个示例中，在信号线层中，第一信号线的第一部分和第二信号线的第一部分彼此平行。图2示出了第一信号线和第二信号线均是U型金属线的示例配置，其中第一信号线的第一部分和第二信号线的第一部分均为U型的中间部分，并且这两条U型金属线背靠背设置。可以注意到，这两段相互平行的部分彼此靠近、但不接触。应当了解，第一信号线和第二信号线实际上可以根据需要采用各种形状和任意走向，只要能够对传输的微波信号进行耦合、并且能够产生水平电场就可以，本公开不对其做出限制。但优选地，为了能够产生水平电场，第一信号线和第二信号线可以被配置为均位于水平平面上；并且，为了能够具备对传输的微波信号的足够强的耦合能力，第一信号线和第二信号线被设计为第一信号线中的一部分和第二信号线中的一部分相互平行。

如图1所示，根据本公开的实施例的功率分配器还可以包括第一介质基板、第二介质基板和金属地，其中，第一介质基板和液晶层位于第一电极层的相对两侧，第二介质基板和液晶层位于信号线层的相对两侧，并且信号线层和金属地位于第二介质基板的相对两侧。

具体地，结合图1中功率分配器的分层结构图，各层的布置依次为第一介质基板、第一电极层、液晶层、信号线层(包括两条信号线)、第二介质基板、以及金属地。第一介质基板用于为第一电极层提供力学支撑，而第二介质基板用于为信号线层和金属地提供力学支撑。并且，第一介质基板和第二介质基板是电绝缘的。金属地可以为一层导电性能良好的金属，用于为第一信号线和第二信号线上传输的微波信号提供地回路。

此外，在该功率分配器的液晶层中，为了防止液晶泄露，在液晶材料周围填充了封装材料，用于包裹住其中间部分的液晶。

根据本公开的实施例的功率分配器所采用的微波调控机构的原型是耦合线定向耦合器，基本结构如图2所示：若第一端口1为输入端口，第二端口2和第三端口3为输出端口，那么通过改变第一信号线与第二信号线之间的间距，就能改变两条信号线对其中传输的微波信号的耦合强度，进而改变第二端口2和第三端口3之间的功率输出比值。可以根据需要，例如，要求第二端口2与第三端口3之间输出功率的比值为1∶3、或者1∶5等，而将第一信号线和第二信号线之间的间距设置为与期望功率输出比相对应的值。

然而，对于一个已成型的功率分配器来说，其中所布置的用于传输微波信号的信号线的位置是固定的，也就是说，信号线之间的间距是确定的。那么，各输出端口之间的输出功率的比值就已经是确定的了，例如，第二端口2和第三端口3之间输出功率的比值是1∶3。此时如果想要对功率分配器的各输出端口的微波信号的功率进行调整，那么就不能再依靠改变信号线之间的间距这样的方式了。

考虑到液晶是一种介电各向异性材料，若在第一信号线和第二信号线之间的缝隙中填充液晶，那么通过电控方式就可以改变液晶分子在缝隙中的取向(即改变缝隙间的等效介电常数)，来控制两条信号线之间的耦合强度，从而实现对信号线的各输出端口的微波信号功率比的调整。也就是说，对于一个已成型的功率分配器，其输出端口的功率分配比已经是确定值(例如1∶3)，而在1∶3的基础上进一步对各端口的输出功率进行微调，可以引用液晶调控机构(即，液晶层)来实现。功率分配器的输出端口的微波信号的功率要想发生变化，就需要液晶分子在如图1或图2所示的XYZ空间中的YOZ平面内旋转，其中XYZ空间为第一电极层、液晶层和信号线层所在的空间，XOZ平面可以为第一信号线和第二信号线所在的平面，OX方向可以为第一信号线的第一部分(也即，第二信号线的第一部分)所在直线的方向，OZ方向可以为第一信号线的第一部分与第二信号线的第一部分的垂线所在的方向，OY方向可以为XOZ平面的垂线方向。为实现液晶层内的液晶分子在YOZ平面内偏转，就需要在OZ方向和OY方向分别构建出偏置电场。关于OZ方向和OY方向偏置电场的建立将在下文详细描述。

图3A是示出了根据本公开的实施例的功率分配器的截面图，以及图3B是示出了根据本公开的实施例的该功率分配器的俯视图。

图3A直观地示出了该功率分配器中各层的相对位置，其中，在第一电极层和信号线层之间的空间是液晶层，在液晶层中，中间部分是液晶材料，在液晶材料周围包裹了封装材料。

在实际应用中，为了保证功率分配器的正常工作，除了如前所述，信号线层中，第一信号线的第一部分和第二信号线的第一部分相互平行(例如，图1中所示，两条U型金属信号线的中间部分相背设置并且彼此平行)之外，还应当保证第一电极层内的第一电极与信号线层内的两条信号线之间具备以下位置关系。具体地，如果将功率分配器的第二介质基板所在平面作为参考平面，则第一信号线的第一部分和第二信号线的第一部分在该参考平面上的正投影与第一电极在该参考平面上的正投影至少部分重合。

为了能够最大程度地利用传输的微波信号的能量、同时又能节省空间和材质，在一个示例中，如图3A所示，功率分配器中的第一电极和两条信号线被布置为：第一电极层中的第一电极在第二介质基板上的正投影刚好与第一信号线的第一部分和第二信号线的第一部分在第二介质基板上的正投影相重合。

应当了解，图3A所示的功率分配器的第一电极和两条信号线的位置上的布置只是一种示例，本公开不对其做出限制。

还应当了解，参考平面可以是第二介质基板，也可以是第一介质基板，或者还可以是第一电极所在平面等，本公开也不对其做出限制。

当以第一电极所在平面作为参考平面(称为“第一平面”)时，第一信号线的第一部分和第二信号线的第一部分在第一平面上的正投影与第一电极在第一平面上的正投影至少部分重合。

此外，关于液晶层中液晶的布置，还需满足：液晶层内的液晶在第一平面上的正投影、第一信号线的第一部分和第二信号线的第一部分在第一平面上的正投影、以及第一电极在第一平面上的正投影三者至少部分重合。

图3B直观地示出了该功率分配器的信号线层中的第一信号线的第一部分和第二信号线的第一部分彼此平行(靠近但不接触)，并且第一信号线的第一部分和第二信号线的第一部分在第一电极所在平面上的正投影覆盖所述第一电极。并且优选地，结合图3A和图3B所示，可以将液晶层中的液晶材料布置成填充在第一电极层与信号线层之间的空间中、并且液晶层内的液晶在第一电极所在平面上的正投影覆盖所述第一电极，这样可以使液晶材料较为高效地被利用。

图4是示出了根据本公开的实施例的功率分配器的驱动方法的流程图。在步骤S410中，从第一端口输入微波信号，并且从第二端口、第三端口和第四端口中的至少两个端口输出微波信号。在步骤S420中，分别向第一信号线施加第一电压、向第二信号线施加第二电压、以及向第一电极施加第三电压并且分别控制所述第一电压、第二电压和第三电压，以调整该至少两个端口输出的微波信号的功率。

如前所述，第一电极以及信号线层中的第一信号线和第二信号线可以相当于三个电极。从原理上来说，当不对第一电极施加电信号、而只对信号线层中的第一信号线和第二信号线分别施加电压以在第一信号线和第二信号线之间产生电压差时，便在第一电极和信号线层之间的空间内仅产生了水平方向的电场。当第一信号线和第二信号线之间的电压差足够大、产生的水平方向的电场足够强时，位于第一电极和信号线层之间的液晶层内的液晶分子便可以在水平方向电场的力的作用下向水平方向偏转。而如果继续增大第一信号线和第二信号线之间的电压差，那么就可以使液晶层内的液晶分子更快地向水平方向偏转，而最终呈现水平取向状态。

当对信号线层中的第一信号线和第二信号线施加相同的电压、并且对第一电极施加电压以在第一电极层和信号线层之间产生电压差时，便在第一电极层和信号线层之间的空间内仅产生了垂直方向的电场。当该电压差足够大、产生的垂直方向的电场足够强时，位于第一电极层和信号线层之间的液晶层内的液晶分子便可以在垂直方向电场的力的作用下向垂直方向发生偏转。而如果继续增大第一电极层和信号线层之间的电压差，那么就可以使液晶层内的液晶分子更快地向垂直方向偏转，而最终呈现垂直取向状态。

因此，通过分别控制施加到信号线层的第一信号线和第二信号线、以及第一电极的电压，可以在信号线层和第一电极层之间的空间中建立水平方向的电场或垂直方向的电场，从而使得该空间中的液晶层内的液晶分子在水平方向电场或垂直方向电场的力作用下向水平或垂直方向发生偏转。由此实现液晶层内的液晶分子在水平取向状态和垂直取向状态之间进行转换，而在液晶分子偏转的过程中，功率分配器的输出端口的微波信号功率也会相应发生变化。

具体地，图5A至图5C示出了根据本公开的实施例的功率分配器的液晶层内的液晶分子的各种取向状态的示意图。

图5A是示出了根据本公开的实施例的功率分配器的液晶层内的液晶分子呈水平取向状态的示意图。如图5A所示，当不对第一电极施加电信号、而对信号线层的第一信号线和第二信号线分别施加不同的电压以在第一信号线和第二信号线之间产生电压差，这时便在第一电极层和信号线层之间的空间内产生了水平方向的电场。当该电压差大于第一阈值电压时，所产生的水平方向的电场力足够驱动液晶层内的液晶分子向水平方向偏转。在该水平方向电场力的作用下，液晶分子将最终处于水平取向状态。其中，第一阈值电压可以是驱动液晶层内的液晶分子发生偏转的最小电压，其与液晶型号等参数有关。在施加了低于该最小电压的电压差时，液晶层内的液晶分子将不发生偏转。并且，该第一阈值电压还应当满足对输出功率的调整精度的要求。当液晶层内的液晶分子处于水平取向状态时，液晶层的等效介电常数最大，第一信号线和第二信号线对微波信号的耦合能力最强，这使得与输入端口(第一端口)处于相同信号线(第一信号线)的第二端口的微波信号的输出功率达到其各状态下的最小值；与输入端口(第一端口)处于不同信号线(第二信号线)的第三端口和第四端口的微波信号的输出功率分别达到其各状态下的最大值。

如果液晶层内的液晶分子在前一刻处于垂直取向状态(即，离水平状态最远的状态)，那么若在对第一电极不施加电信号的同时，仅在第一信号线和第二信号线之间形成略大于第一阈值电压的电压差时，由于水平方向的电场力只是刚好能驱动液晶分子发生偏转、而液晶分子此时需要发生从垂直到水平的最大程度的偏转，因而液晶分子会需要较长时间才能偏转到水平取向状态，而这可能无法满足对于输出功率调整速度的要求。因此，考虑到从垂直到水平的这一极端过程，可以分别控制施加到第一信号线和第二信号线的电压以使第一信号线和第二信号线之间的电压差达到第一饱和电压，这样形成的水平方向的电场力非常大，可以使液晶层内的液晶分子迅速被拉平至水平取向状态。其中，第一饱和电压可以是驱动液晶层内的液晶分子发生偏转的最大电压，第一饱和电压大于第一阈值电压。需要注意的是，当施加的电压使得第一信号线和第二信号线之间的电压差超过第一饱和电压时，会破坏液晶分子的结构，击穿液晶材料。因此，在进行输出功率的调整时，应保证第一电极、第一信号线和第二信号线两两之间的电压差始终都在第一阈值电压至第一饱和电压之间。还应当了解，当液晶分子被拉平至水平取向状态时，如果此时保持对第一电极不施加电信号、并且撤去施加到第一信号线和第二信号线的电信号，液晶分子可以继续保持该水平取向状态。

容易理解地是，当液晶层内的液晶分子在前一刻处于水平和垂直取向状态之间的中间态时，那么要使液晶分子被拉平至水平取向状态就相对要比前述极端情况(从垂直到水平取向状态)容易一些，因而可以分别控制施加到第一信号线和第二信号线的电压以在第一信号线和第二信号线之间形成大于第一阈值电压且小于第一饱和电压的电压差，以使液晶层内的液晶分子以适当地偏转速度偏转至水平取向状态。也就是说，在调整的过程中需要分别施加多大的电压以形成电压差，取决于液晶分子当前所处的取向状态、以及输出功率的调整速度的要求。如果液晶分子当前所处的取向状态离目标取向状态较远，为了满足调整速度的要求，所需的目标方向上的电场力就较大，因而需要形成较大的电压差来产生较大的电场力。相反，当液晶分子当前所处的取向状态离目标取向状态较近时，所需的目标方向上的电场力就可以相对小些，因而可以形成相对小的电压差，但该电压差还是要大于驱动液晶分子取向状态发生改变的最小电压，否则液晶分子将不发生偏转。

图5B是示出了根据本公开的实施例的功率分配器的液晶层内的液晶分子呈垂直取向状态的示意图。如图5B所示，当在信号线层的第一信号线和第二信号线上施加相同的电压以使第一信号线和第二信号线之间没有电压差，并且在第一电极上施加与两条信号线上的电压不同的电压以在第一电极层和信号线层之间形成电压差时，便在第一电极层和信号线层之间的空间内仅产生了垂直方向的电场。当该电压差大于第一阈值电压时，由于第一信号线和第二信号线之间没有电压差、并且第一电极和信号线层之间的电压差大于第一阈值电压，因而所产生的垂直方向的电场力足够使得液晶层内的液晶分子向垂直方向发生偏转并且最终被拉起至垂直取向状态。此时，即液晶分子处于垂直取向状态时，液晶层的等效介电常数最小，第一信号线和第二信号线对微波信号的耦合能力最弱，这使得与输入端口(第一端口)处于相同信号线(第一信号线)的第二端口的输出功率达到其各状态下的最大值，与输入端口(第一端口)处于不同信号线(第二信号线)的第三端口和第四端口的输出功率分别达到其各状态下的最小值。

类似地，可以根据液晶层内的液晶分子的初始状态，在对第一信号线和第二信号线施加相同电压、并且对第一电极施加电压以在第一电极层和第一信号线层之间形成第一阈值电压和第一饱和电压之间的适当电压差，以使液晶分子能够以适当速度向垂直方向偏转至垂直取向状态，从而达到输出功率的调整速度的要求。

图5C是示出了根据本公开的实施例的功率分配器的液晶层内的液晶分子呈介于水平和垂直取向状态之间的中间态的示意图。如图5C所示，分别控制施加到第一信号线的第一电压、施加到第二信号线的第二电压、以及施加到第一电极的第三电压，以使液晶层内的液晶分子在信号线层和第一电极层之间的空间内的水平方向电场力或垂直方向电场力的作用下发生偏转，从而液晶层内的液晶分子的取向状态可以在水平取向状态和垂直取向状态之间逐渐变换(液晶层的等效介电常数发生变化)，使得至少两个端口输出的微波信号的功率在其各自的最小值和最大值之间连续变化。

应当了解，水平方向电场和垂直方向电场的建立是单独进行地，也就是说，施加到第一信号线的第一电压、施加到第二信号线的第二电压、以及施加到第一电极的第三电压并不能两两之间均存在电压差，否则在既有水平方向电场、又有垂直方向电场的情况下，液晶分子的运动是杂乱且不确定的，并且还会有击穿液晶材料的风险。

如图5C所示，在某时刻，液晶层内的液晶分子处于倾斜取向状态，也就是介于水平和垂直取向状态之间的某个中间状态。此时，第二端口的输出功率为其各状态下的最小值和最大值之间的值，第三端口和第四端口的输出功率也分别为其各状态下的最小值和最大值之间的值。

液晶分子的倾斜取向状态可能意味着液晶分子正在向垂直取向状态转换、或者正在向水平取向状态转换。实际上，可以将液晶分子首先放平至水平取向状态、然后施加电压以使液晶分子向垂直方向偏转而被逐渐拉起、最终呈现垂直取向状态。在这一过程中，液晶分子完成了从水平取向到垂直取向的逐渐偏转，功率分配器的各端口的功率输出也是连续变化的。而之后，可以通过施加电压而将液晶分子从垂直取向状态迅速放平至水平取向状态，由此开始新一轮的功率调整。

当然，也可以先将液晶分子拉起至垂直取向状态，然后施加电压以使液晶分子向水平方向偏转而被逐渐放平，最终呈现水平取向状态。在这一过程中，液晶分子完成了从垂直取向到水平取向的逐渐偏转，功率分配器的各端口的功率输出也是连续变化的。

通常，在第一端口用作输入端口，第二端口、第三端口和第四端口用作输出端口时，在通过分别控制施加到第一信号线的第一电压、施加到第二信号线的第二电压、以及施加到第一电极的第三电压来对输出端口的微波信号的功率进行调整的过程中，与第一端口处于对角线位置的第四端口的微波信号的输出功率一般较小，可以认为是隔离态的，而第二端口和第三端口的微波信号的输出功率，其最大值和最小值的差异在20％～30％。也就是说，根据本公开的实施例的功率分配器的驱动方法可以实现输出端口的微波信号的功率的可调范围达到20％～30％的幅度。

应当了解地是，功率分配器各端口的微波信号的功率的改变并不会对液晶状态造成影响。这是因为射频信号的电压通常远小于偏置电压，而液晶分子只有在较大的电场强度下才会发生偏转，但射频信号不足以提供这种强度的电场。因此，各输出端口的功率分配比的改变并不会反过来影响液晶分子的取向状态。

图6是示出了通过引线对根据本公开的实施例的功率分配器的信号线层施加电压的示意图。

如图6所示，当对信号线层的第一信号线和第二信号线施加电压时，可以从两条信号线上分别引出两条偏置线，用以提供所施加的偏置电压。也可以使用相同的引线方法对第一电极施加电压。应当了解的是，图6仅是施加电压时的引线方式的一个示例，还可以使用其它的方式施加电压，而本公开并不对其做出限制。

并且，还应当了解，微波信号的传输、以及偏置电压的施加可以同时在信号线层的第一信号线和第二信号线上进行。因为微波信号频率通常达几个GHz甚至几十个GHz，而偏置电压只有1Khz，两者频率相差悬殊。因此即使同时对信号线施加微波信号和偏置电压，两者之间的隔离度很高，互相几乎无影响。微波信号可以通过SMA接头馈入各端口，偏置电压可以如图6所示通过直接引线来施加。并且，由于偏置线通常比较细，因此阻抗较大，使得直流信号可以通过，而微波信号无法通过。

通过分别控制施加到根据本公开的实施例的功率分配器中的三个电极(即第一电极、第一信号线和第二信号线)上的电压，使得液晶层内的液晶分子在所施加的电信号所建立的电场的作用下发生偏转，进而改变第一信号线和第二信号线之间的耦合强度，从而可以调控功率分配器各个端口输出的微波信号的功率，由此解决了功率分配器工作在微波高频段时的输出功率的控制问题。

尽管这里已经参考附图描述了示例实施例，应理解上述示例实施例仅仅是示例性的，并且不意图将本发明的范围限制于此。本领域普通技术人员可以在其中进行各种改变和修改，而不偏离本发明的范围和精神。所有这些改变和修改意在被包括在所附权利要求所要求的本发明的范围之内。

Claims (15)

1.一种功率分配器，包括：

第一电极层，包括第一电极；

信号线层，包括第一信号线和第二信号线，被配置为传输微波信号，所述第一信号线的两端分别为第一端口和第二端口，所述第二信号线的两端分别为第三端口和第四端口，所述第一端口用作微波信号的输入端口，所述第二端口、第三端口和第四端口中的至少两个端口用作微波信号的输出端口；以及

液晶层，其位于所述第一电极层和所述信号线层之间；

其中，所述功率分配器被配置为通过分别控制施加到所述第一信号线的第一电压、施加到所述第二信号线的第二电压、以及施加到所述第一电极的第三电压，以改变所述液晶层的等效介电常数，从而改变所述第一信号线和所述第二信号线之间的耦合强度以调整所述至少两个端口输出的微波信号的功率。

2.如权利要求1所述的功率分配器，其中，所述第一信号线的第一部分与所述第二信号线的第一部分彼此平行，并且所述第一电极所在平面为第一平面，所述第一信号线的第一部分和所述第二信号线的第一部分在所述第一平面上的正投影与所述第一电极在所述第一平面上的正投影至少部分重合。

3.如权利要求2所述的功率分配器，其中，所述液晶层内的液晶在所述第一平面上的正投影、所述第一信号线的第一部分和所述第二信号线的第一部分在所述第一平面上的正投影、以及所述第一电极在所述第一平面上的正投影三者至少部分重合。

4.如权利要求1所述的功率分配器，还包括：

第一介质基板、第二介质基板和金属地，

其中，所述第一介质基板和所述液晶层位于所述第一电极层的相对两侧，所述第二介质基板和所述液晶层位于所述信号线层的相对两侧，并且所述信号线层和所述金属地位于所述第二介质基板的相对两侧。

5.如权利要求1所述的功率分配器，其中，所述第一电极为金属贴片。

6.如权利要求5所述的功率分配器，其中，所述金属贴片是矩形或圆形。

7.如权利要求1所述的功率分配器，其中，所述第一信号线和所述第二信号线均为金属线。

8.如权利要求1所述的功率分配器，其中，所述液晶层由向列相液晶构成。

9.如权利要求2所述的功率分配器，其中，所述第一信号线和所述第二信号线均为U型金属线，且所述第一信号线的第一部分和所述第二信号线的第一部分均为U型的中间部分，并且两条所述U型金属线背靠背设置。

10.如权利要求1所述的功率分配器，其中，所述液晶层还包括：

封装材料，填充在所述液晶层的液晶周围。

11.一种用于如权利要求1-10中任一所述功率分配器的驱动方法，包括：

从第一端口输入微波信号，并且从第二端口、第三端口和第四端口中的至少两个端口输出微波信号；

分别向所述第一信号线施加第一电压、向所述第二信号线施加第二电压、以及向所述第一电极的第三电压，并且分别控制所述第一电压、所述第二电压和所述第三电压，以调整所述至少两个端口输出的微波信号的功率。

12.如权利要求11所述的方法，其中，分别控制施加到所述第一信号线的第一电压、施加到所述第二信号线的第二电压、以及施加到所述第一电极的第三电压，调整所述至少两个端口输出的微波信号的功率，包括：

分别控制第一电压、第二电压和第三电压以改变所述液晶层的等效介电常数，从而控制所述第一信号线和所述第二信号线之间的耦合强度以调整所述至少两个端口输出的微波信号的功率。

13.如权利要求12所述的方法，其中，分别控制第一电压、第二电压和第三电压包括：

分别控制施加到所述第一信号线的第一电压和施加到所述第二信号线的第二电压使得在所述第一信号线和所述第二信号线之间形成电压差、并且不对所述第一电极施加电信号，以使所述液晶层的等效介电常数最大，此时所述第二端口输出的微波信号的功率达到其最小值，所述第三端口和第四端口各自输出的微波信号的功率达到其最大值。

14.如权利要求12所述的方法，其中，分别控制第一电压、第二电压和第三电压包括：

分别控制施加到所述第一信号线的第一电压和施加到所述第二信号线的第二电压使得所述第一信号线和所述第二信号线之间无电压差、并且控制施加到所述第一电极的第三电压使得所述第一电极与所述第一信号线、所述第二信号线之间形成电压差，以使所述液晶层的等效介电常数最小，此时所述第二端口输出的微波信号的功率达到其最大值，所述第三端口和第四端口各自输出的微波信号的功率达到其最小值。

15.如权利要求12所述的方法，其中，分别控制第一电压、第二电压和第三电压包括：

分别控制施加到所述第一信号线的第一电压、施加到所述第二信号线的第二电压、以及施加到所述第一电极的第三电压以使所述液晶层的等效介电常数变化，从而所述至少两个端口输出的微波信号的功率在其各自的最小值和最大值之间连续变化。