CN110416668A - 一种液晶移相器 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提供一种液晶移相器，所述液晶移相器包括：第一介质基板层，所述第一介质基板层上表面设置有插指结构，下表面与所述插指结构对应的位置处设置有微带信号线结构，所述插指结构与微带信号线结构通过贯设于所述第一介质基板层的金属化过孔连接；第二介质基板层，其具有液晶区域；以及第三介质基板层，所述第三介质基板层的上表面设置有金属地结构；所述第一、第二和第三介质基板层自上而下依次叠放。本公开实施例在信号线和地板之间引入液晶材料作为调控介质，从而实现了控制微波射频信号相位变化的技术效果，解决了现有液晶移相器损耗高、造价高、品质因子低的问题。

Description

一种液晶移相器

技术领域

本公开属于微波器件工程技术领域，可以广泛应用到现代无线移动通信、卫星通信及各种雷达系统中，具体为一种液晶移相器。

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，普通的机械扫描系统以及频扫天线已经不能满足现代通信的需求，实现电控扫描天线系统已经成为了目前的发展趋势。移相器作为相控阵单元的核心部件，对于相控阵系统的反应速度、目标更新速率、多目标追踪能力、分辨率、多功能性、电子反对抗能力等方面有着重要的影响，即对于整个相控阵系统的性能起着至关重要的作用。因此，用于波束赋形和波束控制的相控阵列迫切需要低损耗、小型化、成本低廉的移相器。

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，则需增加通道的数目，但这样就会导致移相器体积庞大，而控制开关通断的机构过于复杂、造价昂贵等问题也随之而来，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，当插损变化的时候还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等。

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，而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。

液晶材料可以在外加磁场或电场的控制下，改变自身的介电常数，这一特性被施加到移相器结构中，就可以实现液晶移相器的相位调控功能。然而，现有的液晶移相器通常具有如下的缺点：第一，对于采用波导结构的液晶移相器，由于是采用磁场来控制液晶分子偏转，因此使得移相器结构体积过大，很难在实际中应用；第二，现有的电控液晶移相器是通过增加外加偏置电路而进相位控制，由于外加偏置电路以及移相器本身电路结构的原因，使其插入损耗较大；第三，现有液晶移相器中很多采用半导体工艺进行加工，造成成本较大。

发明内容

本公开的目的是为了解决传统基于倒置微带线结构的液晶移相器在整个工作频段范围内金属损耗和介质损耗大、品质因子较低的问题，提出了一种新型的液晶移相器。

本公开提出的液晶移相器包括：

第一介质基板层，所述第一介质基板层上表面设置有插指结构，下表面与所述插指结构对应的位置处设置有微带信号线结构，所述插指结构与微带信号线结构通过贯设于所述第一介质基板层的金属化过孔连接；

第二介质基板层，其具有液晶区域；

以及第三介质基板层，所述第三介质基板层的上表面设置有金属地结构；

所述第一、第二和第三介质基板层自上而下依次叠放。

在第一种实现方式中，所述插指结构包括彼此交错分布的两个梳齿状结构，所述梳齿状结构包括与同一梳脊结构相连的一个或多个齿状单元，所述一个或多个齿状单元在插指结构的外轮廓内呈交错分布。

结合第一种实现方式，本公开在第二种实现方式中，所述插指结构采用金属材质。

结合上述实现方式，本公开在第三种实现方式中，所述金属化过孔设置于所述插指结构外轮廓的附近。

结合上述实现方式，本公开在第四种实现方式中，所述金属化过孔位于梳脊结构上对应于每个齿状单元的连接位置处。

结合上述实现方式，本公开在第五种实现方式中，所述金属化过孔为周期金属化过孔。

结合上述实现方式，本公开在第六种实现方式中，所述液晶区域贯穿于所述第二介质基板层。

结合上述实现方式，本公开在第七种实现方式中，所述液晶区域设置于所述第二介质基板层中对应于第一介质基板层的插指结构和微带信号线结构的位置处。

结合上述实现方式，本公开在第八种实现方式中，所述第一介质基板层下表面的微带信号线结构和第三介质基板层上表面的金属地结构的表面，对应于液晶区域的部分，分别设置有配向结构。

结合上述实现方式，本公开在第九种实现方式中，所述配向结构为配向膜。

结合上述实现方式，本公开在第十种实现方式中，所述微带信号线结构为带状结构或曲线结构。

结合上述实现方式，本公开在第十一种实现方式中，所述金属地结构为覆盖所述第三介质基板层的金属平面。

结合上述实现方式，本公开在第十二种实现方式中，所述插指结构为印制方式。

结合上述实现方式，本公开在第十三种实现方式中，所述金属地结构为印制方式。

结合上述实现方式，本公开在第十四种实现方式中，所述第一、第二和第三介质基板层为微波介质，相对介电常数ε_r在2到10之间，损耗角正切值tanδ<0.01，厚度d₂<5mm。

本公开的有效益效果主要体现在如下三个方面：第一，本公开采用液晶材料作为射频移相器的调控介质，因此无论是微波低频端还是微波的高频端都可以有效工作；第二，本公开能够实现较高的品质因子；第三，本公开结构简单，由于完全可以通过PCB工艺实现，因此具有造价低廉、成本低的突出优势。

附图说明

通过参照附图详细描述各示例性实施例，以上及其他特征和优点对于本领域普通技术人员而言将变得更为明显，在附图中：

图1是根据本公开一实施例的液晶移相器的三维分层结构示意图；

图2是根据本公开一实施例的液晶移相器的横截面示意图；

图3A是根据本公开一实施例的第一介质基板层插指结构的结构示意图；

图3B是根据本公开一实施例的第一介质基板层微带信号线结构的结构示意图；

图4是根据本公开一实施例的液晶分子排布随电压变化示意图，其中图4(a)表示液晶分子呈原始排布状态，图4(b)表示液晶分子呈与电场方向相同的姿态排布，图4(c)表示液晶分子呈与电场方向垂直的姿态排布；

图5是根据本公开一实施例的液晶移相器的S11参数曲线；

图6是根据本公开一实施例的液晶移相器的损耗曲线；

图7是根据本公开一实施例的液晶移相器的相位变化曲线；

图8是根据本公开一实施例的液晶移相器的品质因子变化曲线。

上图中附图标记代表的含义是：1-第一介质基板层；2-第二介质基板层；3-第三介质基板层；11-插指结构；12-微带信号线结构；13-金属化过孔；21-液晶区域；31-金属地结构；4-配向膜；5-输入端；6-输出端。

具体实施方式

为了使本公开的技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本公开进行详细描述。

图1是根据本公开一实施例的液晶移相器的三维分层结构示意图，图2是根据本公开一实施例的液晶移相器的横截面示意图，如图1和图2所示，在该实施例中，所述液晶移相器包括由第一介质基板层1、第二介质基板层2和第三节介质基板层3组成的三层介质基板结构，其中：

所述第一介质基板层1、第二介质基板层2和第三介质基板层3自上而下依次层叠放置；

所述第一介质基板层1上表面设置有插指结构11，第一介质基板层1下表面与所述插指结构11对应的位置处，设置有微带信号线结构12，所述插指结构11与微带信号线结构12通过贯设于第一介质基板层1的金属化过孔13连接，如图3A和3B所示，所述插指结构11具有外轮廓，例如矩形外轮廓；所述微带信号线结构12的一端为信号的输入端5，另一端为信号的输出端6。

在本公开一实施例中，所述金属化过孔13设置于插指结构11的外轮廓附近(如图3A的局部放大图所示)。

在本公开一实施例中，所述金属化过孔13为周期金属化过孔。

在本公开一实施例中，所述第一介质基板层1表面的插指结构11和微带信号线结构12可通过蚀刻、光刻或电镀的方式进行设置；所述微带信号线结构12可以是带状结构，也可以是曲线结构等其他结构。

所述第二介质基板层2，对应于第一介质基板层1的插指结构和微带信号线结构的位置处，设有贯穿于整个第二介质基板层2的中空区域，所述中空区域填充有液晶材料，形成液晶区域21；

所述第三介质基板层3位于所述第二介质基板层2的下方，以对液晶区域21的底部进行封装，所述第三介质基板层3的上表面设置有金属地结构31。

在本公开一实施例中，所述金属地结构31为覆盖所述第三介质基板层3的金属平面，比如金属层，其厚度小于1mm。

在本公开一实施例中，所述第一、第二和第三介质基板层为微波介质，相对介电常数ε_r在2到10之间，损耗角正切值tanδ<0.01，厚度d₂<5mm。图3A是根据本公开一实施例的第一介质基板层插指结构的结构示意图，如图3A所示，在该实施例中，所述第一介质基板层1上表面设置的插指结构11的外轮廓成矩形，所述插指结构11包括彼此交错分布的两个梳齿状结构，所述梳齿状结构包括与同一梳脊结构相连的一个或多个齿状单元，所述一个或多个齿状单元在插指结构11的外轮廓内呈交错分布，所述齿状单元呈矩形，其尺寸为w_if×l_if，其中，w_if为齿状单元沿图中z方向的宽度，l_if为齿状单元沿图中x方向的长度，两个交错相邻齿状单元的间距为d_if；所述金属化过孔13位于梳脊结构上对应于每个齿状单元的连接位置处，可选地，所述金属化过孔的形状为圆形，半径r_vias＝0.2mm，多个金属化过孔以间距d_if周期排列在梳脊结构上。

以上仅为对于第一介质基板层上表面插指结构的示例性说明，很显然，本公开的第一介质基板层上表面插指结构并不局限于图3A所示的结构，根据本领域技术人员的一般理解，符合本公开设计原则的其他形式的插指结构均落入本公开的保护范围内。

图3B是根据本公开一实施例的第一介质基板层下表面微带信号线结构的结构示意图，如图3B所示，在该实施例中，所述第一介质基板层1下表面设置的微带信号线结构12呈矩形，其尺寸为w_ms×l_ms，其中，w_ms为矩形微带信号线结构沿图中x方向的宽度，l_ms为矩形微带信号沿图中z方向的长度。

其中，所述第二介质基板层2中的液晶区域对应于第一介质基板层1的插指结构11和微带信号线结构12的位置处，在本公开一实施例中，所述液晶区域为矩形，纵向贯穿于整个第二介质基板层2，其尺寸为w_ms×l_LC，其中，l_LC为液晶区域沿图3B中z方向的长度。

如图2所示，在本公开一实施例中，所述第一介质基板层1下表面的微带信号线结构12和第三介质基板层3上表面的金属地结构31的表面，对应于液晶区域21的部分，即与液晶区域21相接触的部分，分别具有配向结构4，以保证液晶材料分子的长轴能够在不施电压的情况下处于图4(c)所示的水平状态。可选地，在第一介质基板层1下表面与液晶区域21之间、液晶区域21和第三介质基板层3的金属地结构之间分别设置一层配向膜，用于对液晶材料进行水平方向配向。

其中，液晶材料分子的水平方向是指分子长轴平行于X轴方向、垂直于Y轴和Z轴方向，如图4(c)所示，液晶材料分子的垂直方向是指分子长轴平行于Y轴方向、垂直于X轴和Z轴方向，如图4(a)所示。

根据上述技术方案，所述液晶移相器包括：第一介质基板层1、第二介质基板层2和第三介质基板层3，其中：第一介质基板层1的上表面设有插指结构11，下表面设有微带信号线结构12，插指结构11和微带信号线结构12通过贯穿于第一介质基板层1的金属化过孔13连接；第二介质基板层2设有贯穿于该层的液晶区域21，液晶区域21中的液晶材料被夹在第一介质基板层1和第三介质基板层3之间；第三介质基板层3的上表面具有金属地结构31，可以由均匀的金属层构成。其中，位于第一介质基板层1上表面的插指结构11，例如可以采用金属材质，用来展宽表面积，从而减小损耗，第一介质基板层1上下表面之间用来实现连接作用的金属化过孔为周期金属化过孔，其可以起到射频电场弥散、降低等效介电常数和介质损耗的作用；液晶区域21位于微带信号线结构12的正下方，其作用是实现射频信号的相位调控；第二介质基板层2的液晶区域21中填充有液晶材料。另外，第一介质基板层1的上表面以及第三介质基板层3的下表面不需要额外设置电路结构。在第一介质基板层1的插指结构11和第三介质基板层3的金属地结构31之间施加偏置电压，对液晶材料起到垂直配向的作用，通过与配向结构相配合，不同的偏置电压可以使液晶材料分子指向不同，从而最终实现对移相器结构的相位调控变化。

具体实施方式一：

下面结合图1至图4说明本具体实施方式，在本实施方式中，所述液晶移相器包括第一介质基板层1、第二介质基板层2和第三介质基板层3，其中：

所述第一介质基板层1上表面蚀刻或电镀有插指结构11，下表面蚀刻或电镀有微带信号线结构12，插指结构11和微带信号线结构12通过纵向贯穿于所述第一介质基板层1的金属化过孔13电连接；

其中，所述微带信号线结构12呈矩形，其尺寸为w_ms×l_ms，w_ms为微带信号线结构沿x方向的宽度，l_ms为微带信号线结构沿z方向的长度；所述插指结构11包括彼此交错分布的两个梳齿状结构，所述梳齿状结构包括与同一梳脊结构相连的一个或多个齿状单元，所述一个或多个齿状单元在插指结构11的外轮廓内呈交错分布，所述齿状单元呈矩形，其尺寸为w_if×l_if，其中，w_if为齿状单元沿z方向的宽度，l_if为齿状单元沿x方向的长度，两个交错相邻齿状单元的间距为d_if；所述金属化过孔13位于梳脊结构上对应于每个齿状单元的连接位置处，可选地，所述金属化过孔的形状为圆形，半径r_vias＝0.2mm，多个金属化过孔以间距d_if周期排列在梳脊结构上。

如图3B所示，射频信号从微带信号线结构12的输入端5输入，自输出端6输出，经过液晶区域21后，由于液晶材料分子在外加偏置电场的作用下其分子状态发生变化，从而实现对射频信号相位的调控。

第二介质基板层2对应于第一介质基板层1的微带信号线结构的位置处，设有纵向贯穿于整个第二介质基板层2的中空区域，所述中空区域填充有液晶材料，形成液晶区域21，其尺寸为w_ms×l_LC，其中l_LC为液晶区域沿z方向的长度。

第三介质基板层3位于第二介质基板层2的正下方，实现对液晶区域21底部的封装，其上表面设置有金属地结构31，第一介质基板层1下表面微带信号线结构12和第三介质基板层3上表面金属地结构31的表面都进行了配向处理，以保证液晶材料分子的长轴能够在不施电压的情况下处于图4(c)所示的水平状态。

由图2可见，在该实施例中，液晶区域21的上下表面均设有配向结构，使得液晶材料分子在未添加偏压的初始状态垂直于射频电场方向——即呈如图4(c)所示的水平状态，所述插指结构11的多个齿状单元等间距周期排布于矩形插指结构外轮廓内的左右两侧，相互交错分布即形成插指结构。所述插指结构拉长了第一介质基板的有效区域，使得第一介质基板得到更加充分的利用。由于该结构能够使得金属面积得到充分的保证，因此金属损耗得到有效的控制。

具体实施方式二：

下面结合附图说明本实施方式，本实施方式结合具体实施例对实施方式一的液晶移相器结构作进一步说明。

作为一个具体实施例，给出一个工作于10～16GHz的液晶移相器的具体设计参数：例如，三层介质基板均选用相对介电常数ε_r＝3.58，损耗角正切值tanδ＝0.0037的微波介质，第一介质基板层1的厚度h₁＝1.5mm，第二介质基板层2的厚度h₂＝0.35mm，第三介质基板层3的厚度h₃＝0.35mm，第三介质基板层3上表面的金属层，即金属地结构厚度为0.017mm；液晶区域长度l_LC＝60mm，插指结构11的齿状单元的尺寸为w_if×l_if，l_if＝1mm，w_if＝0.4mm，两个交错相邻齿状单元的间距为d_if＝0.2mm，插指结构11由对称交错分布的两个梳齿状结构组成，每个梳齿状结构由N＝50个齿状单元组成，整个介质基板尺寸为w×l＝15mm×60mm。

在液晶材料的上下极板间加载电压，通过调节加载的电压，可以改变液晶材料分子的排布，如图4所示。进而，可实现液晶各个方向上的相对介电常数ε_rLC的改变。本实施方式中选用的液晶材料在外加电压V＝0V时，作用方向上的相对介电常数为ε_r＝2.5；外加电压V＝20V(偏压状态)时，作用方向上的相对介电常数为ε_r＝3.5。即液晶材料在外加电压在0V至20V变化时，相对介电常数可以在2.5至3.5之间连续调节，从而实现本实施方式的液晶移相器对射频信号相位的调控。另外，此种液晶在微波波段损耗角正切稳定，为tanδ＝0.0043。

工作时，电磁波经由一个偏置器从微带信号线结构12的输入端5馈入，从输出端6输出，通过输入端5处连接的偏置器就可以将低频偏置电压施加到液晶区域21上，从而改变液晶材料的有效介电常数，在此条件下得到液晶移相器S11的参数如图5所示，可以看到无论V＝0V(配向状态)还是V＝20V(偏压状态)，在10～16GHz的频率范围内均小于-10dB，实现了良好的阻抗匹配。得到的液晶移相器的损耗和相位变化如图6和7所示，从图中可以看出，液晶移相器的损耗逐渐从-1.75dB变化到-2.96dB，由图8可以看出，液晶移相器的品质因子FoM在108°/dB到116°/dB范围内变化，该结果说明上述结构的液晶移相器具有良好的电性能。

本公开通过在信号线和地板之间引入液晶材料作为调控介质，得到了一种新型的液晶移相器，它具有频带范围宽、结构简单、损耗低、造价低廉、品质因子高的优势，实现了控制微波射频信号相位变化的技术效果，解决了现有液晶移相器损耗高、造价高、品质因子低的问题。

具体而言，本公开与传统的基于变容二极管的电调移相器相比，具有可工作在微波高频波段的优点。而相比于目前已有的液晶移相器，本公开移相器的优势则在于以下四方面：第一，本公开结构稳固、损耗低、功率容量大。第二，当需要对本移相器中的液晶材料施加直流或者低频的偏置电压时，无需为其设计、加工额外的偏置电路，只需要在移相器的输入端增加一个商用化的偏置器就可以。这对于液晶移相器的性能是非常有利的，因为额外的偏置电路往往会对移相器性能产生负面影响；第三，由于本公开中设计了周期性金属化过孔和插指结构，因此使得该液晶移相器金属损耗和介质损耗有效降低；第四，本公开采用电控移相的方式，相比磁控方式体积更小、更便捷。

以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种液晶移相器，其特征在于，包括：

第一介质基板层，所述第一介质基板层上表面设置有插指结构，下表面与所述插指结构对应的位置处设置有微带信号线结构，所述插指结构与微带信号线结构通过贯设于所述第一介质基板层的金属化过孔连接；

第二介质基板层，其具有液晶区域；

以及第三介质基板层，所述第三介质基板层的上表面设置有金属地结构；

所述第一、第二和第三介质基板层自上而下依次叠放。

2.根据权利要求1所述的液晶移相器，其特征在于，所述插指结构包括彼此交错分布的两个梳齿状结构，所述梳齿状结构包括与同一梳脊结构相连的一个或多个齿状单元，所述一个或多个齿状单元在插指结构的外轮廓内呈交错分布。

3.根据权利要求1或2所述的液晶移相器，其特征在于，所述插指结构采用金属材质。

4.根据权利要求1-3任一项所述的液晶移相器，其特征在于，所述金属化过孔位于梳脊结构上对应于每个齿状单元的连接位置处。

5.根据权利要求1-4任一项所述的液晶移相器，其特征在于，所述液晶区域贯穿于所述第二介质基板层。

6.根据权利要求1-5任一项所述的液晶移相器，其特征在于，所述液晶区域设置于所述第二介质基板层中对应于第一介质基板层的插指结构和微带信号线结构的位置处。

7.根据权利要求1-6任一项所述的液晶移相器，其特征在于，所述第一介质基板层下表面的微带信号线结构和第三介质基板层上表面的金属地结构的表面，对应于液晶区域的部分，分别设置有配向结构。

8.根据权利要求7任一项所述的液晶移相器，其特征在于，所述配向结构为配向膜。

9.根据权利要求1-8任一项所述的液晶移相器，其特征在于，所述微带信号线结构为带状结构或曲线结构。

10.根据权利要求1-9任一项所述的液晶移相器，其特征在于，所述金属地结构为覆盖所述第三介质基板层上表面的金属平面。