CN110518311A - 一种移相器及其工作方法、天线、通信设备 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种移相器及其工作方法、天线、通信设备，该移相器包括：相对设置的第一基板和第二基板、设置在第一基板和第二基板之间的介质层、设置在第一基板靠近第二基板一侧的第一电极、设置在第二基板靠近第一基板一侧的第二电极以及设置在第二基板远离第一基板的一侧的接地电极；其中，介质层包括液晶分子，第一电极和第二电极用于根据接收到的电压控制液晶分子偏转，本发明实施例通过在第一基板和第二基板之间设置液晶分子，通过向设置第一电极和第二电极施加电压，能够改变微波的传输常数，从而达到移相的目的，本发明实施例提供的技术方案降低了移相器的损耗、响应时间以及体积，提升了移相器的性能。
Description
技术领域
本发明实施例涉及移相器技术领域，具体涉及一种移相器及其工作方法、天线、通信设备。
背景技术
移相器是一种能够对微波的相位进行调整的装置，广泛应用于电子通信系统中，是相控阵雷达、合成孔径雷达、雷达电子对抗、卫星通信、接收发机中的核心组件。因此高性能的移相器在这些系统中起着至关重要的作用。
经发明人研究发现，现有的移相器具有损耗大、响应时间长以及体积庞大等缺点，无法满足电子通信系统日新月异的发展。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种移相器及其工作方法、天线、通信设备，能够降低移相器的损耗、响应时间以及体积，提升移相器的性能。
第一方面，本发明实施例提供了一种移相器，包括：相对设置的第一基板和第二基板、设置在所述第一基板和所述第二基板之间的介质层、设置在所述第一基板靠近所述第二基板一侧的第一电极、设置在所述第二基板靠近所述第一基板一侧的第二电极以及设置在所述第二基板远离所述第一基板的一侧的接地电极；
其中，所述介质层包括液晶分子，所述第一电极和所述第二电极用于根据接收到的电压控制所述液晶分子偏转。
可选地，所述第一电极包括：周期性排列的金属贴片，所述第二电极为微带线。
可选地，所述微带线的长轴方向与所述金属贴片的排列方向相同。
可选地，所述金属贴片的宽度为0.5-1.5毫米，长度小于或者等于所述微带线的宽度的5倍，所述金属贴片的周期小于或者等于3毫米。
可选地，所述介质层的厚度为5-10微米。
可选地，所述接地电极为地线，且呈面状。
可选地，所述液晶分子为向列型液晶分子。
第二方面，本发明实施例还提供一种移相器的工作方法，应用于上述移相器中，包括：
向第一电极和第二电极施加电信号，使液晶分子的长轴与第一电极和第二电极之间的电场方向平行。
第三方面，本发明实施例还提供一种天线，包括：至少一个上述移相器。
第四方面，本发明实施例还提供一种通信设备，包括：上述天线。
本发明实施例提供的一种移相器及其工作方法、天线、通信设备，其中，由于在本实施例的移相器中，第二基板背离所述第一基板的一侧设置有接地电极，故第二基板上的第二电极和第一电极形成了传输结构，此时第二基板则为传输通道，作为微波的主要传输区域，而且第二基板材料通常采用玻璃、陶瓷等，微波在其中传输基本是不会被吸收的，故可以有效的降低微波的损耗，而且和微波在液晶分子所在层中传输相比，能量损失差了一个数量级。同时，由于第一电极和第二电极被施加电压所形成的电场能够使得液晶分子偏转，各向异性，以改变介质层的介电常数，从而改变经过介质层的微波的谐振频率，也即改变微波的相位速度，进而实现微波的移相。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明实施例提供的移相器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的移相器的侧视图；
图3为本发明实施例提供的移相器的俯视图；
图4为本发明实施例提供的移相器的电路模型；
图5为本发明实施例提供的移相器的工作原理的示意图。
附图标记说明：
10：第一基板；
11：第一电极；
20：第二基板；
21：第二电极；
22：接地电极；
30：介质层；
110：金属贴片；
300：液晶分子。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
除非另外定义，本发明实施例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。本发明实施例中使用的“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”等类似的词语一直出该词前面的元件或误检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，当被描述的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。
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。其中，铁氧体移相器具有体积庞大、响应速度慢的缺点，不适合高速波束扫描；二极管移相器具有功耗大，也不利于用作轻便低功耗的相控阵系统。
为了解决现有的移相器功耗大、响应速度慢以及体积庞大的技术问题，本发明实施例提供了移相器及其工作方法。
实施例一
图1为本发明实施例提供的移相器的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的移相器包括：相对设置的第一基板10和第二基板20，设置在第一基板10和第二基板20之间的介质层30、设置在第一基板10靠近第二基板20一侧的第一电极11、设置在第二基板20靠近第一基板10一侧的第二电极21，以及设置在第二基板20远离第一基板10的一侧的接地电极22。其中，介质层30包括但不限于液晶分子300，第一电极11和第二电极21用于根据接收到的电压控制液晶分子300偏转。
由于在本实施例的移相器中，第二基板20背离所述第一基板10的一侧设置有接地电极22，故第二基板20上的第二电极21和第一电极11形成了传输结构，此时第二基板20则为传输通道，作为微波的主要传输区域，而且第二基板20材料通常采用玻璃、陶瓷等，微波在其中传输基本是不会被吸收的，故可以有效的降低微波的损耗，而且和微波在液晶分子300所在层中传输相比，能量损失差了一个数量级。同时，由于第一电极11和第二电极21被施加电压所形成的电场能够使得液晶分子300偏转，各向异性，以改变介质层30的介电常数，从而改变经过介质层30的微波的谐振频率，也即改变微波的相位速度，进而实现微波的移相。可选地，第一基板10和第二基板20可以采用厚度为100-1000微米的玻璃基板，也可采用蓝宝石衬底，还可以使用厚度为10-500微米的聚对苯二甲酸乙二酯基板、三聚氰酸三烯丙酯基板和聚酰亚胺透明柔性基板。
具体的，第一基板10和第二基板20可以采用介电损耗极低的高纯度石英玻璃。相比于普通玻璃基板，第一基板10和第二基板20采用石英玻璃可以有效减小对微波的损耗，使移相器具有低的功耗和高的信噪比。
可选地，第一电极11可以采用铝、银、金、铬、钼、镍或铁等金属制成。
可选地，第二电极21可以采用铝、银、金、铬、钼、镍或铁等金属制成，也可以采用透明导电氧化物制成。
可选地，液晶分子300为正性液晶分子或负性液晶分子，需要说明的是，当液晶分子300为正性液晶分子时，本发明具体实施例液晶分子300长轴方向与第二电极21之间的夹角大于0度小于等于45度。当液晶分子300为负向液晶分子时，本发明具体实施例液晶分子300长轴方向与第二电极21之间的夹角大于45度小于90度，保证了液晶分子300发生偏转后，能够更好的调整微波传播常数，以达到移相的目的。
在本实施例中，为了在液晶分子300偏转后更好的调整微波传输常数，将液晶分子长轴方向的介电常数大于第一基板10和第二基板20的介电常数，其中，液晶分子300材料的具体选取根据实际生产的需要以及材料的成本进行选择。
如图2和3所示，作为本实施例中一种优选的实现方案，图2为本发明实施例提供的移相器的侧视图；图3为本发明实施例提供的移相器的俯视图，该移相器的第一基板10上第一电极11包括：周期性排列的金属贴片110，第二基板20上第二电极21为微带线；第二基板上的接地电极22和微带线形成输出结构，第二基板作为传输通道；其中，金属贴片110的排列方向和微带线的轴线(长轴方向)方向是相同的。
在该种实现方式中，微带线不仅可以与接地电极22作用传输微波，而且微带线和金属贴片110在被施加电场后驱动液晶分子300偏转，以使液晶分子300所在层的介电常数改变，以改变微波的谐振频率，调整微波相位。该种移位器的结构简单，容易实现。
其中，之所以，将金属贴片110的排列方向和微带线的轴线(长轴方向)方向设置为相同，是为了增加金属贴片110在第二基板20上的正投影和微波在第二基板20上的正投影的重叠区域的面积，以更好的控制液晶分子300的偏转。需要说明的是，图1是本发明实施例提供的另一侧视图，是从第二电极的长轴方向看去的侧视图，图2是从第二电极的短轴方向看去的侧视图。
具体的，金属贴片110为条状，且金属贴片100的长轴方向与微带线的长轴方向垂直。当然，金属贴片100的长轴方向只要与微带线长轴方向相交即可，但在最好保证各个金属贴片100的长轴方向相同。
具体的，金属贴片100的宽度w为0.5-1.5毫米，长度l小于或者等于微带线的宽度的5倍。金属贴片100的周期b小于或者等于3毫米。当然，金属贴片的选择也可以根据具体的移相器的尺寸而定。
可选地，接地电极22为地线，且呈面状。具体的，接地电极22与微带线配合用于传输高频信号。进一步地，接地电极22覆盖整个第二基板20，当然，只要保证接地电极与微带线至少部分重叠即可。
优选地，微带线的长度等于第二基板20的长度或宽度，若微带线的长轴与第二基板20的长边平行，则微带线的长度等于第二基板20的长度，如微带线的长轴与第二基板20的短边平行，则微带线的长度等于第二基板20的宽度。
可选地，介质层30，也即液晶分子300所在层的厚度a为5-10微米，本发明实施例提供的介质层30的厚度较小，能够保证液晶分子都能够快速转向，提高移相器的响应速度。本发明实施例中介质层的厚度根据实际生活工艺条件以及产品的需求进行设置，本发明具体实施例并不对介质层的厚度的具体数值做限定。
可选地，液晶分子300为向列型液晶分子，向列型液晶分子具有较大的介电常数各向异性，同时对与微波的吸收损耗要小，还具有电场下转向速度快的优点，能够进一步提高移相器的性能。
需要说明的是，图4为本发明实施例提供的移相器的电路模型，如图4所示，L0与C0分别为微带线的等效电感值和等效电容值，b为金属贴片的周期，CLC为引入金属贴片带来的可变电容。
其中，相位速度Vp满足以下公式：
由上述公式可知，相位速度由电感电容决定，而电感电容由微带线的尺寸，金属贴片的尺寸和周围介质决定。
根据平行板电容器公式可知，引入金属贴片带来的可变电容CLC满足：
其中，ε0为真空介电常数，εr为液晶分子的相对介电常数，s为金属贴片与微带线的正对面积、d为金属贴片与微带线之间的距离。
由可变电容的公式可知，引入金属贴片带来的可变电容CLC与εr、s成正比(即εr、s越大，CLC越大)；与d成反比(d越大，CLC越小)。
本发明实施例通过在微带线与金属贴片110施加电压而成产生电场，以使液晶分子300偏转，从而使得液晶分子300所在层的介电常数发生改变，使电容金属贴片与微带微带线之间的电容值CLC发生改变，此时传输的微波的谐振频率发生改变，进而使相位速度发生改变，从而达到移相的效果。
在本实施例中，移相器还包括驱动电路(图中未输出)，与微带线连接的第一信号微带线和与金属贴片110连接的第二信号微带线，其中，驱动电路包括输出第一电压信号的第一电压信号输出端和输出第二电压信号的第二电压信号输出端，第一信号微带线与驱动电路的第一电压信号输出端连接，第二信号微带线与驱动电路的第二电压信号输出端连接。
在移相器工作时，驱动电路向第一信号微带线输出第一电压信号，向第二信号微带线输出第二电压信号线，第一信号微带线将第一电压信号传递至微带线，第二信号微带线将第二信号传递至金属贴片110，微带线和金属贴片110之间产生电场，驱动液晶分子进行偏转。
图5为本发明实施例提供的移相器的工作原理示意图，下面结合图5，进一步地描述移相器的工作原理，具体说明如下：
驱动电路向第一信号微带线输出第一电压信号，向第二信号微带线输出第二电压信号线，第一信号微带线将第一电压信号传递至微带线，第二信号微带线将第二信号传递至金属贴片110，微带线和金属贴片110之间产生电场，驱动液晶分子进行转动，使液晶分子300的长轴与第一电极11和第二电极21之间的电场方向平行，介质层30的介电常数发生变化，从而使微波产生相移，微带线与接地电极22共同作用下传输发生相移的微波。
实施例二
基于上述实施例的发明构思，本发明实施例提供一种移相器的工作方法，应用于实施例一提供的移相器中，其中，该方法包括：向第一电极11和第二电极21施加电信号，使液晶分子的长轴与第一电极11和第二电极21之间的电场方向平行。
需要说明的是，可以向第一电极11和第二电极21同时施加电信号，还可以向第一电极和第二电极同时施加电信号。
在移相器工作时，驱动电路向第一电极11和第二电极21施加电信号，第一电极11和第二电极21之间产生电场，驱动液晶分子进行偏转，使液晶分子的长轴与第一电极11和第二电极21之间的电场方向平行，介质层的介电常数发生变化，从而使微波产生相移。
本发明实施例提供的移相器的工作方法，应用在实施例一提供的移相器中，此时，第二基板20背离所述第一基板10的一侧设置有接地电极22，故第二基板20上的第二电极21和第一电极11形成了传输结构，此时第二基板20则为传输通道，作为微波的主要传输区域，而且第二基板20材料通常采用玻璃、陶瓷等，微波在其中传输基本是不会被吸收的，故可以有效的降低微波的损耗，而且和微波在液晶分子300所在层中传输相比，能量损失差了一个数量级。同时，由于第一电极11和第二电极21被施加电压所形成的电场能够使得液晶分子300偏转，各向异性，以改变介质层30的介电常数，从而改变经过介质层30的微波的谐振频率，也即改变微波的相位速度，进而实现微波的移相。
实施例三
基于上述实施例的发明构思，本发明实施例还提供一种天线，该天线包括：至少一个移相器。
其中，移相器为本发明实施例一的移相器，其实现原理和实现效果类似，在此不再赘述。
具体的，天线为液晶天线。在实际应用中，还可以包括承载单元，例如承载板，移相器可以设置在承载板上，本发明实施例对此不作任何限定。
需要说明的是，天线包括的移相器的个数根据实际需求确定，本发明实施例并不做具体限定。
实施例四
基于上述实施例的发明构思，本发明实施例还提供一种通信设备，该通信设备包括：天线。
其中，天线为实施例三提供的天线，其实现原理和实现效果类似，在此不再赘述。
具体的，该通信设备可以为智能手机、平板电脑或智能电脑等。
本发明实施例附图只涉及本发明实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
为了清晰起见，在用于描述本发明的实施例的附图中，层或微结构的厚度和尺寸被放大。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。
在不冲突的情况下，本发明的实施例即实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种移相器，其特征在于，包括：相对设置的第一基板和第二基板、设置在所述第一基板和所述第二基板之间的介质层、设置在所述第一基板靠近所述第二基板一侧的第一电极、设置在所述第二基板靠近所述第一基板一侧的第二电极以及设置在所述第二基板远离所述第一基板的一侧的接地电极；
其中，所述介质层包括液晶分子，所述第一电极和所述第二电极用于根据接收到的电压控制所述液晶分子偏转。
2.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述第一电极包括：周期性排列的金属贴片，所述第二电极为微带线。
3.根据权利要求2所述的移相器，其特征在于，所述微带线的长轴方向与所述金属贴片的排列方向相同。
4.根据权利要求2所述的移相器，其特征在于，所述金属贴片的宽度为0.5-1.5毫米，长度小于或者等于所述微带线的宽度的5倍；所述金属贴片的周期小于或者等于3毫米。
5.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述介质层的厚度为5-10微米。
6.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述接地电极为地线，且呈面状。
7.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述液晶分子为向列型液晶分子。
8.一种移相器的工作方法，其特征在于，应用于权利要求1～7任一项所述的移相器中，包括：
向第一电极和第二电极施加电信号，使液晶分子的长轴与第一电极和第二电极之间的电场方向平行。
9.一种天线，其特征在于，包括：至少一个如权利要求1～7任一项所述的移相器。
10.一种通信设备，其特征在于，包括：如权利要求9所述的天线。
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