CN110707397A - 液晶移相器及天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种液晶移相器及天线，属于通信技术领域。本发明的液晶移相器，包括：相对设置的第一基底和第二基底，位于所述第一基底和所述第二基底之间的液晶层、第一电极、第二电极，设置在第一基底背离液晶层一侧的第一屏蔽电极，及设置在第二基底背离液晶层一侧的第二屏蔽电极；其中，所述第一电极和所述第二电极在被施加电压而产生电场时，改变液晶层的介电常数，以调整微波信号的移相度；所述第一屏蔽电极和所述第二屏蔽电极，用于对所述第一电极和所述第二电极在被施加电压时产生的辐射进行屏蔽。

Description

液晶移相器及天线
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种液晶移相器及天线。
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
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种液晶移相器及天线。
第一方面，本发明实施例提供一种液晶移相器，包括：相对设置的第一基底和第二基底，位于所述第一基底和所述第二基底之间的液晶层、第一电极、第二电极，设置在第一基底背离液晶层一侧的第一屏蔽电极，及设置在第二基底背离液晶层一侧的第二屏蔽电极；其中，
所述第一电极和所述第二电极在被施加电压而产生电场时，改变液晶层的介电常数，以调整微波信号的移相度；
所述第一屏蔽电极和所述第二屏蔽电极，用于对所述第一电极和所述第二电极在被施加电压时产生的辐射进行屏蔽。
可选地，所述第一电极和所述第二电极均包括带状传输线。
可选地，所述第一电极设置在第一基底上，所述第二电极设置在第二基底上，且所述第一电极和所述第二电极在所述第一基底上的正投影至少部分重叠。
可选地，所述第一电极设置在第一基底上，所述第二电极设置在第二基底上，且所述第一电极和所述第二电极在所述第一基底上的正投影无重叠。
可选地，所述第一电极和所述第二电极均设置第一基底或第二基底上，且二者间隔设置。
可选地，所述第一电极和第二电极在水平方向上的间距小于2倍的第一电极宽度。
可选地，所述第一基底和所述液晶层满足如下条件：
Figure BDA0002237352640000021
其中，ε1为所述第一基底的介电常数；εLC为所述液晶层的介电常数；
Hglass为所述第一基底的厚度；HLC为所述液晶层的厚度。
可选地，在所述第一基底和所述第二基底之间还设置有隔垫物，用以维持所述液晶层的盒厚。
可选地，所述隔垫物均匀分布在所述第一基底和所述第二基底之间。
可选地，所述第一屏蔽电极和所述第二屏蔽电极均包括接地电极。
可选地，所述第一屏蔽电极、所述第二屏蔽电极、所述第一电极和所述第二电极的材料包括金属。
可选地，所述液晶层的厚度为5-10μm。
第二方面，本发明实施例提供一种天线，其包括上述的液晶移相器。
附图说明
图1为本发明实施例的液晶移相器的俯视图；
图2为图1的液晶移相器的第一基底靠近液晶层一侧的俯视图；
图3为图1的A-A'的剖视图；
图4为图1的B-B'的剖视图；
图5为图1的液晶移相器的隔垫物在第一钝化层的俯视图；
图6为图1的液晶移相器的等效电路图；
图7为一种液晶移相器的剖视图；
图8为另一种液晶移相器的剖视图；
图9为再一种液晶移相器的剖视图。
其中附图标记为：10、第一基底；11、第一电极；12、第一屏蔽电极；20、第二基底；21、第二电极；22第二屏蔽电极；30、液晶层；41、第一钝化层；42、第二钝化层；50、隔垫物。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
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，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“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。
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。
具体的，本发明实施例中主要以液晶移相器为带状线液晶移相器为例，也即，该液晶移相器包括：相对设置的第一基底和第二基底，以及位于第一基底和第二基底之间的第一电极、第二电极、液晶层；其中，第一电极和第二电极为带状传输线，在给第一电极和第二电极施加不同电压时，二者之间将会形成电场，改变液晶层的液晶分子的偏转角度，以液晶层的介电常数，而实现微波信号的不同移相度。其中，应当理解的是，第一电极和第二电极被馈电结构输入微波信号后，所传输的是差分信号，以保证微波信号在第一电极和第二电极之间能够进行移相。
第一方面，图1-9所示，本发明实施例提供一种液晶移相器，包括：相对设置的第一基底10和第二基底20，以及位于第一基底10和第二基底20之间的第一电极11、第二电极21、液晶层30；特别的是，在第一基底10背离液晶层30的一侧设置有第一屏蔽电极12，在第二基底20背离液晶层30的一侧设置有第二屏蔽电极22。其中，在给第一电极11和第二电极21在被施加电压而产生电场时，改变液晶层30的介电常数，以调整微波信号的移相度；而在此过程中，由于在第一基底10和第二基底20背离液晶层30的一侧分别设置第一屏蔽电极12和第二屏蔽电极22，从而将第一电极11和第二电极21所产生的辐射限定在第一屏蔽电极12和第二屏蔽电极22之间，以避免应用本实施的移相器的天线受到辐射的干扰。
其中，在本发明的一些实施例中，第一屏蔽电极12和第二屏蔽电极22具体可以为接地电极，以将第一电极11和第二电极21所产生的辐射限制在第一屏蔽电极12和第二屏蔽电极22之间。
在本发明的一些实施例中，如图1-5所示，液晶移相器中第一电极11设置在第一基底10靠近液晶层30的一侧，第二电极21设置在第二基底20靠近液晶层30的一侧；而且第一电极11和第二电极21在第一基底10上正投影完全重叠。此时，给第一电极11和第二电极21上施加不同的电压，二者之间将会产生垂直电场，以使液晶层30的液晶分子发生偏转，以改变液晶层30的介电常数，以改变微波信号的移相度。
应当理解的是，为保护第一基底10和第二基底20上的信号线，也即在第一电极11靠近液晶层30的一侧设置第一钝化层41，在第二电极21靠近液晶层30的一侧设置第二钝化层42。
在本发明的一些实施例中，如图4所示，为维持液晶层的盒厚，在第一基底10和第二基底20之间应当还设置有隔垫物50，优选的，各个隔垫物50均匀排布，应当理解的是，隔垫50在第一基底10上的正投影不会覆盖第一电极11，隔垫50在第二基底20上的正投影不会覆盖第二电极21。
在本发明的一些实施例中，上述的第一基底10和第二基底20的厚度和材料可以是相同的。而对于第一基底10(第二基底20)和液晶层30应满足如下条件，以保证本实施例中液晶移相器的移相度的设计值。具体条件如下：
Figure BDA0002237352640000051
其中，ε1为第一基底10的介电常数；εLC为液晶层30的介电常数；Hglass为第一基底的厚度；HLC为液晶层的厚度。具体的，如图6所示，图6为图3的液晶移相器的等效电路图；第一电极11、第二电极21中的一者与接地电极(第一屏蔽电极12或者第二屏蔽电极22)之间的等效电路可以等效为单位长度内的L0和C0，第一电极11和第二电极21之间产生的耦合电容可以等效为C12，C12的大小受第一电极11和第二电极21填充介质的影响，当第一电极11和第二电极21被施加的电压不同时，二者之间的液晶层30介电常数不同，故C12不同；传输线微波信号的相速度Vp；
Figure BDA0002237352640000052
由上述公式可以看出，在相同传输线长度下，不同的C12则产生相位差，进而实现了对微波信号的移相。
在本发明的一些实施例中，如图7所示，与上述实施例液晶移相器结构相似，区别在于该液晶移相器中第一电极11设置在第一基底10靠近液晶层30的一侧，第二电极21设置在第二基底20靠近液晶层30的一侧；而且第一电极11和第二电极21在第一基底10上正投影部分重叠。该种结构的移相器与上述移相器的工作原理相同，在此不再详细描述。
其中，第一电极11和第二电极21在第一基底10上的正投影的交叠面积，可以根据具体的移相器的移相度要求具体设定。
在本发明的一些实施例中，如图8所示，与上述实施例液晶移相器结构相似，区别在于该液晶移相器中第一电极11设置在第一基底10靠近液晶层30的一侧，第二电极21设置在第二基底20靠近液晶层30的一侧；而且第一电极11和第二电极21在第一基底10上无重叠，此时在给第一电极11和第二电极21施加不同电压时，第一电极11和第二电极21形成边缘电场，以使液晶层30中的液晶分子发生偏转，以改变液晶层30的介电常数，以改变微波信号的移相度。
在本发明的一些实施例中，若第一电极11设置在第一基底10上，第二电极21设置在第二基底20上，此时第一电极11和第二电极21在水平方向上的间距包括但不限于小于第一电极11宽度的2倍，以保证第一电极11和第二电极21在被施加不同电压时，能够形成电容。在此需要说明是的，在本发明实施例中认为第一电极11和第二电极21的宽度相同，但事实上第一电极11和第二电极21的宽度也可以是不同的。在本发明的一些实施例中，如图9所示，与上述实施例液晶移相器结构相似，区别在于该液晶移相器的第一电极11和第二电极21均可以设置在同一基底上，也即第一电极11和第二电极21均设置在第一基底10上或者设置在第二基底20上，此时，在给第一电极11和第二电极21施加不同的电压时，二者将会产生水平电场，以使液晶层30中的液晶分子发生偏转，以改变液晶层30的介电常数，以改变微波信号的移相度。
其中，在该种结构的移相器中，第一电极11和第二电极21在水平方向上的间距包括但不限于小于第一电极11宽度的2倍，以保证第一电极11和第二电极21在被施加不同电压时，能够形成电容。在此需要说明是的，在本发明实施例中认为第一电极11和第二电极21的宽度相同，但事实上第一电极11和第二电极21的宽度也可以是不同的。在本发明的一些实施例中，第一基底10和第二基底20可以采用厚度为100-1000μm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，第一基底10和第二基底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，第一基底10和第二基底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。
在本发明的一些实施例中，第一电极11的材料可以包括金属，具体可以采用铝、银、金、铬、钼、镍或铁等金属制成。
在本发明的一些实施例中，第二电极21的材料可以包括金属，具体可以采用铝、银、金、铬、钼、镍或铁等金属制成。
在本发明的一些实施例中，第一屏蔽电极12的材料可以包括金属，具体可以采用铝、银、金、铬、钼、镍或铁等金属制成。
在本发明的一些实施例中，第二屏蔽电极22的材料可以包括金属，具体可以采用铝、银、金、铬、钼、镍或铁等金属制成。
在本发明的一些实施例中，液晶层30的液晶分子为正性液晶分子或负性液晶分子，需要说明的是，当液晶分子为正性液晶分子时，本发明实施例中的液晶分子长轴方向与第二电极21之间的夹角大于0°小于等于45°。当液晶分子为负向液晶分子时，本发明实施例中的液晶分子长轴方向与第二电极21之间的夹角大于45°小于90°，保证了液晶分子发生偏转后，能够更好的调整微波传播常数，以达到移相的目的。
在本发明的一些本实施例中，为了在液晶分子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底10和第二基底20的介电常数，其中，液晶分子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。
在本发明的一些实施例中，液晶层30的厚度不大于10μ，具体的液晶层30的厚度包括但不限于5-10μm，以保证液晶层30的响应时间足够快。
第二方面，本发明实施例提供一种天线，其包括上述的任意一种液晶移相器。在实际应用中，该天线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，天线包括的液晶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。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种液晶移相器，其特征在于，包括：相对设置的第一基底和第二基底，位于所述第一基底和所述第二基底之间的液晶层、第一电极、第二电极，设置在第一基底背离液晶层一侧的第一屏蔽电极，及设置在第二基底背离液晶层一侧的第二屏蔽电极；其中，
所述第一电极和所述第二电极在被施加电压而产生电场时，改变液晶层的介电常数，以调整微波信号的移相度；
所述第一屏蔽电极和所述第二屏蔽电极，用于对所述第一电极和所述第二电极在被施加电压时产生的辐射进行屏蔽。
2.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均包括带状传输线。
3.根据权利要求2所述的液晶移相器，其特征在于，所述第一电极设置在第一基底上，所述第二电极设置在第二基底上，且所述第一电极和所述第二电极在所述第一基底上的正投影至少部分重叠。
4.根据权利要求2所述的液晶移相器，其特征在于，所述第一电极设置在第一基底上，所述第二电极设置在第二基底上，且所述第一电极和所述第二电极在所述第一基底上的正投影无重叠。
5.根据权利要求2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均设置第一基底或第二基底上，且二者间隔设置。
6.根据权利要求4或5所述的液晶移相器，其特征在于，所述第一电极和第二电极在水平方向上的间距小于2倍的第一电极宽度。
7.根据权利要求1所述的液晶移相器，其特征在于，所述第一基底和所述液晶层满足如下条件：
Figure FDA0002237352630000011
其中，ε1为所述第一基底的介电常数；εLC为所述液晶层的介电常数；
Hglass为所述第一基底的厚度；HLC为所述液晶层的厚度。
8.根据权利要求1所述的液晶移相器，其特征在于，在所述第一基底和所述第二基底之间还设置有隔垫物，用以维持所述液晶层的盒厚。
9.根据权利要求8所述的液晶移相器，其特征在于，所述隔垫物均匀分布在所述第一基底和所述第二基底之间。
10.根据权利要求1所述的液晶移相器，其特征在于，所述第一屏蔽电极和所述第二屏蔽电极均包括接地电极。
11.根据权利要求1所述的液晶移相器，其特征在于，所述第一屏蔽电极、所述第二屏蔽电极、所述第一电极和所述第二电极的材料包括金属。
12.根据权利要求1所述的液晶移相器，其特征在于，所述液晶层的厚度为5-10μm。
13.一种天线，其特征在于，包括权利要求1-12中任一项所述的液晶移相器。
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