CN111316497B - 包括dgs的移相器和包括该移相器的电磁波通信模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及包括DGS的移相器和包括该移相器的无线电通信模块。所述移相器包括：第一基板；微带，该微带形成在所述第一基板上以在第一方向上延伸；接地层，该接地层在所述微带的上表面上设置有空间，并且具有其中形成有缺陷图案的缺陷接地结构(DGS)；第二基板，该第二基板设置在所述接地层上；以及液晶层，该液晶层设置在第一基板和第二基板之间的空间中，其中，在接地层和微带之间施加DC电压。

Description

包括DGS的移相器和包括该移相器的电磁波通信模块

技术领域

本公开涉及包括DGS(缺陷接地结构)的移相器和包括该移相器的电磁波通信模块。

背景技术

微带传输线结构被广泛用作用于实现基于射频(RF)频带、微波频带和毫米波频带的RF通信电路和组件的传输线结构。微带传输线通常以平面结构形成在印刷电路板(PCB)上。在微带传输线中，通常，通过蚀刻在接地面中形成缺陷接地结构(DGS)。

在现有技术中，当缺陷接地结构(DGS)被插入到传输线中时，可以减小微带传输线的长度。这可以减少RF通信电路的长度。然而，即使当缺陷接地结构(DGS)被插入到微带传输线的接地面中时，在减小微带传输线的长度的同时保持期望的电性能方面也存在限制。

此外，在现有技术中，使用移相器，该移相器利用电介质的介电常数根据向其施加的电压而变化的性质来改变传输线的相位。移相器在上电极和下电极之间具有电介质，并且通过在施加到上电极和下电极的电压的控制下调整电介质的介电常数来改变传输线的相位。在传统的移相器中，当施加到上电极和下电极的电压增加时，电介质的相对介电常数减小。因此，减小传播常数以控制传输线的相位。

然而，传统的移相器具有相对大的电介质厚度和大的插入损耗。对于约360度的相变，这需要向其施加高电压。

发明内容

技术目的

本公开的一个目的是提供一种包括使用施加到其上的相对小的电压来充分地改变传输线的相位的薄液晶层的移相器，并且提供一种包括该移相器的电磁波通信模块。

本公开的另一目的是提供一种电磁波通信模块，其中，该电磁波通信模块中的移相器实现宽带宽，以使得通信模块的总带宽不受移相器的限制。

本公开的目的不限于上述目的。如上文未提及的，本公开的其它目的和优点可以从以下描述中理解，并且可以从本公开的实施方式中更清楚地理解。此外，将容易领会的是，本公开的目的和优点可以通过权利要求中公开的特征及其组合来实现。

技术方案

在本公开的一个方面，提供了一种移相器，该移相器包括：第一基板；微带，该微带设置在第一基板上方以在第一方向上延伸；接地层，该接地层设置在微带上方并与微带间隔开，其中，接地层包括其中形成有缺陷图案的缺陷接地结构(DGS)；第二基板，该第二基板设置在接地层上方；以及液晶层，该液晶层设置在第一基板和第二基板之间的空间中，其中，在接地层和微带之间施加直流(DC)电压。

此外，液晶层包含液晶材料，该液晶材料的介电常数基于施加到接地层和微带之间的DC电压的幅度而改变。

此外，缺陷接地结构包括至少一个开口，所述开口与微带交叠并通过蚀刻限定。

此外，微带位于开口的中央。

此外，开口的在与第一方向交叉的第二方向上测得的宽度大于微带的在第二方向上测得的宽度。

此外，在接地层中，至少两个开口被布置为以规则的间隔彼此隔开。

此外，第一基板和第二基板中的每一个包括玻璃基板。

此外，接地层由包括铜的金属材料制成。

在本公开的另一方面，提供了一种电磁波通信模块，该电磁波通信模块包括：天线阵列，该天线阵列用于发送和接收电磁波；移相器，该移相器用于向所述天线阵列发送交流(AC)电压的传输信号，其中，所述移相器被配置为改变所述传输信号的相位；以及电压控制器，该电压控制器被配置为控制施加到所述移相器的直流(DC)电压的幅度，其中，所述移相器包括：第一基板；微带，该微带设置在所述第一基板上方以在第一方向上延伸；接地层，该接地层设置在所述微带上方并且与所述微带间隔开，其中，所述接地层在其中包括缺陷接地结构(DGS)；第二基板，该第二基板布置在所述接地层上方；以及液晶层，该液晶层设置在第一基板和第二基板之间的空间中，其中，所述电压控制器被配置为将DC电压施加到接地层和微带之间。

此外，所述电磁波通信模块还包括功率分配器，该功率分配器用于从用于去除DC电压分量的DC阻断器接收传输信号，并且用于将不含DC电压分量的传输信号分配给多个移相器。

此外，所述液晶层包含介电常数根据施加到接地层和微带之间的DC电压的幅度而变化的材料。

技术效果

根据本公开的移相器和包括该移相器的电磁波通信模块中的每一个包括薄液晶层。因此，可以减小移相器的厚度。此外，可以使用少量的液晶来降低其生产成本。

此外，根据本公开的移相器和包括该移相器的电磁波通信模块中的每一个使用施加到其上的低电压来充分地调整相位，并且进一步降低信号损耗。因此，这可以提高移相器的性能和效率。

此外，根据本公开的移相器实现了宽带宽，使得通信模块的整体带宽不受移相器的限制。因此，可以增加芯片设计的自由度，并且可以降低设计成本。

附图说明

图1是根据本公开的一个实施方式的包括移相器的电磁波通信模块的示意性框图。

图2是根据本公开的一个实施方式的包括移相器的电磁波通信模块的框图。

图3示出了施加到根据本公开的一个实施方式的移相器的DC电压。

图4是根据本公开的一个实施方式的移相器的立体图。

图5是示出了图4的移相器的俯视图。

图6是沿着图4中的线A-A截取的横截面视图。

图7是沿着图4中的线B-B截取的横截面视图。

图8至图10是示出根据本公开的一个实施方式的移相器的性能的曲线图。

具体实施方式

将参照附图详细地描述上述目的、特征和优点。因此，本公开所属领域的技术人员将能够容易地实施根据本公开的技术思想。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开。在其他实例中，没有详细地描述公知的方法、过程、组件和电路，以免不必要地模糊本公开的各方面。在下文中，将参照附图详细地描述根据本公开的优选实施方式。在附图中，相同的附图标记用于表示相同或相似的元件。

在下文中，将参照图1至图10详细地描述根据本公开的一些实施方式的包括DGS结构的移相器和包括该移相器的电磁波通信模块。

图1是根据本公开的一个实施方式的包括移相器的电磁波通信模块的示意性框图。

参照图1，根据本公开的一个实施方式的电磁波通信模块包括移相器100、天线阵列200、电压控制器300和信号发生器400。

移相器100被插入到传输线中，以对沿着传输线传输的信号的相位进行移位。在移相器100中，可以在用作传输线的微带(图3中的120)和接地层(图3中的140)之间施加DC电压，该接地层包括缺陷接地结构(DSG)以对通过移相器100的信号的相位进行移位。

在这方面，液晶层(图4中的130)可以布置在移相器100的微带(图3中的120)和接地层(图3中的140)之间。施加到微带(图3中的120)和接地层(图3中的140)之间的DC电压DC被施加到液晶层(图4中的130)以减小液晶层(图4中的130)的介电常数。

即，移相器100可以通过改变移相器100的电容来改变传输信号的相位延迟量，从而对传输信号的相位进行移位。稍后将给出移相器100的结构的详细描述。

天线阵列200从移相器100接收传输信号，并且根据传输信号产生电磁波。天线阵列200可以包括多个天线，并且所述多个天线可以被布置成预定图案。例如，天线阵列200可以包括以规则的间隔布置成栅格图案的多个天线，并且可以被设计为安装在一个芯片中。然而，这仅是示例，并且本公开不限于此。

包括在天线阵列200中的多个天线可以具有各种形状，诸如螺旋形状、直线和曲线。此外，多个天线可以具有不同的形状。

电压控制器300将DC电压施加到移相器100。电压控制器300的一端连接到接地层(图3中的140)并且其另一端连接到微带(图3中的120)。电压控制器300向位于接地层(图3中的140)和微带(图3中的120)之间的液晶层(图4中的130)施加DC电压DC。这改变了液晶层(图4中的130)的介电常数。

电压控制器300可以由包括在电磁波通信模块中的控制器(未示出)控制。控制器(未示出)可以使用控制信号来调整从电压控制器300输出的DC电压的幅度，以对在电磁波通信模块中产生的相位误差进行校正。以这种方式，移相器100可以调整所移位的相位角。结果，移相器100可以通过控制发送到天线阵列200的传输信号的相位来校正相位误差。

图2是根据本公开的另一实施方式的包括移相器的电磁波通信模块的框图。

参照图2，根据本公开的另一实施方式的电磁波通信模块1000包括第一移相器101、第二移相器102、第三移相器103和第四移相器104、第一天线201、第二天线202、第三天线203和第四天线204以及功率分配器250。然而，在本公开中，移相器和天线的数量可以不限于4个。

电磁波通信模块1000从信号发生器400接收交流电压的传输信号。信号发生器400包括信号生成单元410和DC阻断器420。

信号生成单元410生成AC电压的传输信号并且将其发送到DC阻断器420。然而，从信号生成单元410生成的信号可能包括DC电压分量的噪声。

在这方面，DC阻断器420去除从信号生成单元410接收到的传输信号中所包括的DC电压分量。

功率分配器250将从DC阻断器420接收到的传输信号分配给第一移相器101、第二移相器102、第三移相器103和第四移相器104。在这方面，正如分配的传输信号仅包含交流电压分量。传输信号可以被施加到第一移相器101、第二移相器102、第三移相器103和第四移相器104中的每一个的微带(图3中的120)，然后通过液晶层(图4中的130)以电磁波形式发送到第一天线201、第二天线202、第三天线203和第四天线204中的每一个。在这方面，功率分配器250可以将相同幅度的传输信号传送到第一移相器101、第二移相器102、第三移相器103和第四移相器104中的每一个。

第一移相器101、第二移相器102、第三移相器103和第四移相器104与第一天线201、第二天线202、第三天线203和第四天线204可以被布置为具有一对一的对应关系。即，相同数量的移相器以及天线阵列可以被包括在单个电磁波通信模块中。

虽然在图中没有清楚地示出，但是图1的电压控制器300可以连接到多个移相器，以将DC电压DC施加到多个移相器中的每一个。在这方面，图1中的电压控制器300可以向多个移相器中的每一个施加相同的DC电压，或者向其施加不同的DC电压。

图3示出了施加到根据本公开的一个实施方式的移相器的DC电压。图4是根据本公开的一个实施方式的移相器的立体图。图5是示出了图4的移相器的俯视图。图6是沿着图4中的线A-A截取的横截面视图。图7是沿着图4中的线B-B截取的横截面视图。

首先，参照图3和图4，根据本公开的一个实施方式的移相器包括第一基板110、微带120、液晶层130、接地层140和第二基板150。

第一基板110和第二基板150中的每一个可以包括半导体材料、介电材料或非导电材料。第一基板110和第二基板150中的每一个可以被实施为例如半导体基板。这样的基板可以包括硅、应变硅(Si)、硅合金、碳化硅(SiC)、硅锗(SiGe)、硅锗碳化物(SiGeC)、锗、锗合金、砷化镓(GaAs)、砷化铟(InAs)、III-V半导体和II-VI半导体、其组合及其层叠中的一种。此外，如果需要，基板可以被实施为有机塑料基板而不是半导体基板，或者可以被实施为玻璃基板。在下面的描述中，第一基板110和第二基板150中的每一个都是玻璃基板。

微带120可以设置在第一基板110上，并且可以被形成为在第一方向上延伸。微带120的底面可以与第一基板110的顶面接触，并且微带120的侧面和顶面可以与液晶层130接触。在附图中，微带120被示出为仅在第一方向上延伸，但是本公开不限于此。微带120可以以螺旋或弯曲形状形成在第一基板110上。此外，虽然未在图中清楚地示出，但是微带120可以被布置为与构成天线阵列200的贴片交叠。

微带120的一部分可以设置为与接地层140交叠。微带120的剩余部分可以设置为通过限定在接地层140中的开口145暴露。在这方面，微带120可以穿过接地层140中的开口145的中央。然而，本发明不限于此。

液晶层130设置在第一基板110和第二基板150之间的空间中。液晶层130覆盖微带120的顶面和侧面，并且填充第一基板110和第二基板150之间的空间，以覆盖接地层140的底面和侧面。液晶层130的介电常数可以通过施加到微带120和接地层140之间的DC电压而改变。

具体地，液晶层130包括具有介电各向异性的液晶。当在第一基板110和第二基板150之间施加电场时，液晶的取向根据电场的大小而改变，从而改变通过其中的光的偏振状态并因此改变其透射率和介电常数。

接地层140包括缺陷接地结构(DGS)。具体地，接地层140包括多个开口145。开口145与微带120交叠，从而相对于移相器100增加传输线的电感L的大小。

在这方面，传输线的特性阻抗Zc被表示为：

其中，L和C分别表示传输线的每单位长度的电感和电容。

即，当接地层140中的开口145的数量增加并且因此微带120的暴露面积变大时，移相器100的电感L增加，并且其电容C减小。相反，当在接地层140中开口145的数量减少并且微带120的暴露面积减小时，移相器100的电容C增加并且其电感L减小。因此，在移相器100中，可以基于缺陷接地结构(DGS)的该折衷特性来确定特性阻抗Zc。

形成在接地层140中的缺陷接地结构(DGS)增加了传输线的电长度。因此，可以减小移相器的物理长度，以保持线的电长度等于缺陷接地结构(DGS)被插入到其中之前的电长度。该原理被称为慢波效应。即，当缺陷接地结构(DGS)被插入到传输线中时，在假设相同的物理长度时，在线的电长度增加的地方出现波延迟效应。

因此，必须减小移相器的物理长度以适应传输线的电长度。根据该原理，缺陷接地结构(DGS)具有减小移相器100的物理长度和使电路小型化的优点。

此外，接地层140可以包括金属材料。例如，接地层140可以包括诸如铜或铁这样的导电材料。然而，本公开不限于此。

参照图5，包括缺陷接地结构(DGS)的接地层140的开口145可以使微带120的部分暴露。在这方面，开口145的在与微带120延伸的第一方向交叉的第二方向上测得的宽度L12可以大于微带120的在第二方向上测得的宽度L11。

在这方面，微带120可以被配置为穿过开口145的中心。即，微带120和开口145可以被布置为具有相同的中心，并且可以被布置为彼此交叠。

接地层140可以包括多个开口145。在这方面，多个开口145可以以规则的间隔布置在接地层140中。然而，本发明不限于此。开口145可以以非均匀的间隔随机地分布以限定缺陷接地结构(DGS)。

参照图6，微带120的顶面和侧面以及接地层140的底面和侧面可以被液晶层130覆盖。因此，微带120和接地层140可以彼此间隔开，使得当在微带120和接地层140之间施加DC电压时，可以在微带120和接地层140之间产生电场。施加到液晶层130的电场可以改变液晶层130的介电常数。

在这方面，施加到微带120和接地层140之间的DC电压DC可以低于或等于约25V，以将移相器100的相位移位360度。这意指根据本公开，可以施加低于140V的电压作为用于将移相器的相位移位360度的驱动电压，而在传统技术中，用于将移相器的相位移位360度的驱动电压是140V。

即，根据本公开的电磁波通信模块可以仅使用低施加电压来调整足够的相位角，并且可以降低信号损耗。因此，能够提高移相器100的操作性能和效率。

此外，液晶层130的高度D2可以小于或等于10μm。另外，微带120的高度D1和接地层140的高度D3可以彼此相同或相似。另外，液晶层130的高度D2可以大于接地层140的高度D3和微带120的高度D1之和。然而，这仅是示例，并且本公开不限于此。

即，在根据本公开的电磁波通信模块中，与现有技术相比，可以通过使用薄液晶层130来减小移相器100的厚度。因此，使用少量的液晶可以使得其生产成本能够降低。

如图7中所示，在移相器100中，A1区域和A3区域在传输线中具有相对大的电容值，而A2区域在传输线中具有相对大的电感值。通常，传输线具有与电感和电容之间的乘积的平方根成比例的相位延迟。即，在包括缺陷接地结构(DGS)的移相器100中，相位延迟由非开口面积和开口面积145之间的比率确定。

然而，可以通过施加到微带120和接地层140的DC电压DC来改变位于微带120和接地层140之间的液晶层130的介电常数。介电常数的这种变化可以改变移相器100的电容，并且最终改变移相器100的相移程度。

结果，根据本公开的移相器100改变施加到微带120和接地层140之间的DC电压的幅度，以使得能够改变由移相器100移相的程度。因此，用户能够自由地改变移相器100的相位角。当相位误差由电磁波干扰(例如，电磁波的衍射和干扰)引起时，可以通过改变相位角来校正相位误差。

此外，由于根据本公开的移相器100可以使得能够使用缺陷接地结构(DGS)来增加传输线长度或增加电感，而不需要或添加其它组件，所以不会极大地增加传输信号的插入损耗。

图8至图10是示出根据本公开的一个实施方式的移相器的性能的曲线图。具体而言，图8示出了根据本公开的一个实施方式的移相器100的频率和反射系数之间的关系。图9示出了根据本公开的一个实施方式的移相器100的插入损耗和频率之间的关系。图10示出了根据本公开的一个实施方式的移相器100的频率和相位之间的关系。

在这方面，S11表示相对于第一端口的输入值的第一端口的输出值。也就是说，输入端口和输出端口是相同的。S12表示相对于第一端口的输入值的第二端口的输出值。此外，在图8至图10中，实线表示施加于液晶层130的电压的最大值，即，表示最大介电常数。虚线表示施加到液晶层130的电压的最小值，即，最小介电常数。

参照图8，在根据本公开的移相器100中，反射到输入端口的信号的幅度是施加到输入端口的信号的幅度的大约1/100至1/80(基于30GHz)。

参照图9，在根据本公开的移相器100中，输出到输出端口的信号的幅度是施加到输入端口的信号的幅度的大约一半。这表明，当与根据现有技术的移相器相比时，信号的损失的幅度减小。在这方面，3.1dB的插入损耗意指大约一半的输入功率被输出(基于30GHz)。

参照图10，在根据本公开的移相器100中，输出到输出端口的信号的相位相对于输入到输入端口的信号的相位的变化为约400度。这表明满足了移相器所需的360度的相位变化。

如上所述，与传统配置相比，根据本公开的移相器能够通过使用更薄的液晶层来减小移相器的厚度。因此，使用少量的液晶可以使得其生产成本能够降低。

此外，根据本公开的移相器不具有有限的带宽，而是具有低频率通过配置，并且具有可以在0Hz至30GHz的范围内使用移相器的优点。此外，在根据本公开的移相器中，实现360度的相位差所需的移相器的总长度为约1.5cm。这是有利的，因为移相器可以以比现有技术中小的尺寸被制造，并且因此，电磁波通信模块可以被配置为使得所有天线被包含在单个芯片中。

本领域技术人员将理解的是，可以在不脱离由所附的权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下在形式和细节上进行各种改变。因此，本发明不限于上述实施方式和附图。

Claims (13)

1.一种移相器，该移相器包括：

第一基板；

微带，该微带设置在所述第一基板上方以在第一方向上延伸；

接地层，该接地层设置在所述微带上方并且与所述微带间隔开，其中，所述接地层包括其中形成有缺陷图案的缺陷接地结构DGS；

第二基板，该第二基板设置在所述接地层上方；以及

液晶层，该液晶层设置在所述第一基板和所述第二基板之间的空间中，

其中，在所述接地层和所述微带之间施加直流DC电压，

其中，所述缺陷图案通过所述接地层中的开口形成，

其中，所述缺陷接地结构在所述微带上方并且暴露所述微带的一部分，

其中，所述开口的在与所述微带延伸的所述第一方向交叉的第二方向上测得的宽度大于所述微带的在所述第二方向上测得的宽度，

其中，所述微带被配置为穿过所述开口的中央，

其中，所述微带的顶面和侧面与所述接地层的底面和侧面覆盖有所述液晶层，

其中，所述微带的高度和所述接地层的高度彼此相同或相似，并且

其中，所述液晶层的厚度大于所述接地层的高度和所述微带的高度之和。

2.根据权利要求1所述的移相器，其中，所述液晶层包含液晶材料，所述液晶材料的介电常数基于施加到所述接地层和所述微带之间的所述DC电压的幅度而改变。

3.根据权利要求1所述的移相器，其中，在所述接地层中，至少两个开口被布置为以规则的间隔彼此间隔开。

4.根据权利要求1所述的移相器，其中，所述第一基板和所述第二基板中的每一个包括玻璃基板。

5.根据权利要求1所述的移相器，其中，所述接地层由包括铜的金属材料制成。

6.一种电磁波通信模块，该电磁波通信模块包括：

天线阵列，该天线阵列发射和接收电磁波；

移相器，该移相器将交流AC电压的传输信号发送到所述天线阵列，其中，所述移相器被配置为改变所述传输信号的相位；以及

电压控制器，该电压控制器被配置为控制施加到所述移相器的直流DC电压的幅度，

其中，所述移相器包括：

第一基板；

微带，该微带形成在所述第一基板上方以在第一方向上延伸；

接地层，该接地层设置在所述微带上方并且与所述微带间隔开，其中，所述接地层包括其中形成有缺陷图案的缺陷接地结构DGS；

第二基板，该第二基板设置在所述接地层上方；以及

液晶层，该液晶层设置在所述第一基板和所述第二基板之间的空间中，

其中，所述电压控制器被配置为将所述DC电压施加到所述接地层和所述微带之间，并且

其中，所述缺陷接地结构在所述微带上方并且暴露所述微带的一部分，

其中，所述缺陷图案通过所述接地层中的开口形成，

其中，所述开口的在与所述微带延伸的所述第一方向交叉的第二方向上测得的宽度大于所述微带的在所述第二方向上测得的宽度，

其中，所述微带被配置为穿过所述开口的中央，

其中，所述微带的顶面和侧面与所述接地层的底面和侧面覆盖有所述液晶层，

其中，所述微带的高度和所述接地层的高度彼此相同或相似，并且

其中，所述液晶层的厚度大于所述接地层的高度和所述微带的高度之和。

7.根据权利要求6所述的电磁波通信模块，其中，所述电磁波通信模块还包括功率分配器，该功率分配器从用来去除DC电压分量的DC阻断器接收传输信号，并且所述功率分配器将没有DC电压分量的传输信号分配给多个所述移相器。

8.根据权利要求6所述的电磁波通信模块，其中，所述天线阵列包括以规则的间隔布置的多个天线。

9.根据权利要求8所述的电磁波通信模块，其中，所述电磁波通信模块包括多个移相器，其中，所述多个移相器被布置为使得所述多个移相器和所述多个天线一对一地匹配。

10.根据权利要求6所述的电磁波通信模块，其中，所述液晶层包含介电常数根据施加到所述接地层和所述微带之间的所述DC电压的幅度而变化的材料。

11.根据权利要求10所述的电磁波通信模块，其中，施加到所述移相器的所述DC电压的幅度低于25V并且高于0V。

12.根据权利要求6所述的电磁波通信模块，其中，所述电压控制器被配置为调整施加到所述移相器的所述DC电压的幅度，以改变所述液晶层的介电常数。

13.根据权利要求6所述的电磁波通信模块，其中，所述液晶层的厚度小于10μm并且大于0μm。

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