CN111416191B - 基于可变介电常数基材的宽带相位可调移相器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于可变介电常数基材的宽带相位可调移相器的制备方法，通过最小二乘法求得输入阻抗接近50欧姆时微波传输线宽度和长度的最优解。根据得到的长度和宽度进行优化仿真，最后液晶成盒。本发明利用液晶介电常数可变的特性来制备低成本，工作带宽宽，无级步进的射频移相器，可以运用于相控天线阵，以及其他需要射频移相器的设计中。
Description
技术领域
本发明涉及射频移相器领域，具体是一种基于可变介电常数基材的宽带相位可调移相器的制备方法。
背景技术
目前5G通信，卫星通信，以及将来6G通信，都要求相控天线阵，其中关键就是实现电调电磁波束扫描功能，电调波束扫描功能的实现是通过给各个辐射单元配不同的电磁波信号相位，因此应用于相控天线阵的相位可调移相器是相控天线阵的关键技术和设计。
目前市场上的相位可调的移相器一般由PIN管，变容二极管，铁氧体器件组成，这些移相器普遍面临这成本高，插损高，功耗大等缺点。液晶作为一种介电常数可变的基材，有着价格便宜，功耗低，插损和隔离度较优等优点，通过给液晶施加不同电压，可以改变液晶介电常数，在不改变移相电路结构的情况下，可以实现电磁波相位的调节。
目前，德国的默克公司以及中国京东方都有利用液晶做移相器的相关专利。然而，他们的专利中的移相器，都是采用同一宽度的微带线，下方全部或者部分填充液晶，实现相位可调功能。这些设计面临着工作带宽窄，无法选用介电常数变化大的液晶作为基材，介电常数变化大，同样长度的微带线移相角度就大，但是工作带宽就会变小，因此他们的设计，为了达到符合要求的移相度数，尺寸做的就比较大，不利于最后天线组阵，同时，移相器尺寸大，带来的插损就高。这些设计无法满足新一代通信系统中，相控天线阵宽频带，尺寸小，损耗低的要求。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种基于可变介电常数基材的宽带相位可调移相器的制备方法，利用液晶介电常数可变的特性来制备低成本，工作带宽宽，无级步进的射频移相器，可以运用于相控天线阵，以及其他需要射频移相器的设计中。
本发明包括以下步骤：
第一步，假设几段不同宽度的微带线（或者带状线，悬置带线等），例如三段，根据微带线（或者带状线，悬置带线等）特性阻抗经验公式，立刻计算出三段线在不同介电常数情况下的特性阻抗，再ABCD网络理论，设定二端口终端负载电阻为50欧姆，从而，立刻在此网络的一端口出得到其输入阻抗，此输入阻抗应该尽可能等于50欧姆，从而反射系数较小。在不同的介电常数条件下，可以分别得出此二端口网络的输入阻抗方程表达（二端口用50欧姆负载电阻终结），这些方程的自变量就是三段线的各自宽度和长度，调整三段线的宽度和长度，使得这些方程（即输入阻抗）尽可能等于50欧姆，这等效为解一个超定方程组问题，解决此问题可以用经典的最小二乘法数值求解。
第二步，根据第一步计算出的三段线的宽度和长度，作为此网络结构的初值，放入专业电磁仿真软件中进行全波仿真优化，优化的自变量为每段线的宽度，长度，优化目标为某个频带范围内，S11（回波损耗）和S21（插损）尽量小，例如小于-20dB，S21尽量大，例如大于-0.5dB。此时，仿真中的液晶介电常数可以设置为其变化范围的中间值。
第三步，完成第二步优化仿真后，再改变液晶介电常数，观察在设计的工作带宽内，无论液晶介电常数如何变化，此网络的回波损耗和插损都满足设计需求。如果满足，仿真优化完成，如果不满足，回到第二步，再次优化仿真。
第四步，根据第三步仿真优化的最终结构，液晶成盒，包括蚀刻，定向膜，液晶封框成盒，等标准液晶面板生产工艺。
本发明有益效果在于：
1、本发明能够把射频移相单元成本大大降低，目前射频移相器一般用芯片级解决方案（例如砷化镓工艺芯片），或者PIN管解决方案，这些方案的移相器，成本远远高于液晶。
2、本发明设计的射频移相器，移相功能是连续可调，无级步进的，而目前射频芯片或者PIN管设计的移相器，都是有固定步长阶梯式调节相位，例如6位射频移相器。
3、本发明设计的移相器，工作带宽很宽，远远宽于德国默克公司和京东方发明的液晶移相器工作带宽。因为，本发明用多级不同宽度的微带线，带状线或者悬置带线等，本质上是给移相网络更多自由度，使得，液晶介电常数变化的时候，就算这些级联线各自特性阻抗变化，但是，组合起来，其输入阻抗还是很接近50欧姆。
4、本发明的移相器，工作带宽宽，这也就意味着，可以用介电常数变化大的液晶，因为液晶介电常数变化时候，此网络的S参数，例如S11参数有“频率漂移”现象，但是，因为本发明的设计，工作带宽本身极宽，所以，及时“频率漂移”，其回波损耗还是很小，插损很小。所以，液晶介电常数变化范围即使很大，此移相器还是可以工作。因为液晶介电常数变化范围大，那么就可以用很短，或者尺寸很小的结构实现同样角度范围的移相功能，这意味着插损更小（因为电磁波在介质中传播中，传播距离越短，损失能量越少）。
附图说明
图1为实施例一结构示意图。
图2为实施例一中液晶介电常数从3.6变化到9.1时此移相器的S11幅值。
图3为实施例一中液晶介电常数从3.6变化到9.1时此移相器的S21幅值。
图4为实施例一中液晶介电常数从3.6变化到9.1时此移相器的相器移相角度。
图5为实施例二结构示意图。
图6为实施例二中液晶介电常数从3.6变化到9.1时此移相器的S11幅值。
图7为实施例二中液晶介电常数从3.6变化到9.1时此移相器的S21幅值。
图8为实施例二中液晶介电常数从3.6变化到9.1时此移相器的相器移相角度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明包括以下步骤：
第一步，假设几段不同宽度的微带线（或者带状线，悬置带线等），例如三段，根据微带线（或者带状线，悬置带线等）特性阻抗经验公式，立刻计算出三段线在不同介电常数情况下的特性阻抗，再ABCD网络理论，设定二端口终端负载电阻为50欧姆，从而，立刻在此网络的一端口出得到其输入阻抗，此输入阻抗应该尽可能等于50欧姆，从而反射系数较小。在不同的介电常数条件下，可以分别得出此二端口网络的输入阻抗方程表达（二端口用50欧姆负载电阻终结），这些方程的自变量就是三段线的各自宽度和长度，调整三段线的宽度和长度，使得这些方程（即输入阻抗）尽可能等于50欧姆，这等效为解一个超定方程组问题，解决此问题可以用经典的最小二乘法数值求解。
第二步，根据第一步计算出的三段线的宽度和长度，作为此网络结构的初值，放入专业电磁仿真软件中进行全波仿真优化，优化的自变量为每段线的宽度，长度，优化目标为某个频带范围内，S11（回波损耗）和S21（插损）尽量小，例如小于-20dB，S21尽量大，例如大于-0.5dB。此时，仿真中的液晶介电常数可以设置为其变化范围的中间值。
第三步，完成第二步优化仿真后，再改变液晶介电常数，观察在设计的工作带宽内，无论液晶介电常数如何变化，此网络的回波损耗和插损都满足设计需求。如果满足，仿真优化完成，如果不满足，回到第二步，再次优化仿真。
第四步，根据第三步仿真优化的最终结构，液晶成盒，包括蚀刻，定向膜，液晶封框成盒，等标准液晶面板生产工艺
通过本发明的制备方法制备出两种实施例分别如图1和图5所示。
实施例一：
如图1所示，此移相器有几段不同宽度的悬置带线构成，中央部分是液晶，介电常数可以从3.6变化9.1，此液晶移相部分只有9毫米。S11（回波损耗）、S21（插损）以及相器移相角度分别如图2、图3和图4所示，此移相器移相角度有166度。
实施例二：
如图5所示，主传输方向上，是由5段不同宽度的悬置带线构成（只不过第一，第二，第四，第五段线长度很小），同时加了两个枝节线结构，这些不同宽度的枝节线也起到增加带宽，调节工作频率的作用，其S11,S21，以及移相角度范围分别如图6、图7和图8所示，液晶介电常数从3.6变化到9.1，其S11，工作带宽从8.11GHz一直到30GHz，甚至更高。S21的幅值，插损很小，最大只有0.47dB。移相角度范围可达190度。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于可变介电常数基材的宽带相位可调移相器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，选用若干段不同宽度的微波传输线，根据微波传输线特性阻抗经验公式计算出微波传输线在不同介电常数情况下的特性阻抗，再通过ABCD网络理论，设定二端口终端负载电阻为50欧姆，从而在此网络的一端口出得到其输入阻抗；在不同的介电常数条件下，可以分别得出此二端口网络的输入阻抗方程表达，方程的自变量为每段微波传输线各自的宽度和长度，通过最小二乘法求得输入阻抗接近50欧姆时微波传输线宽度和长度的最优解；
第二步，根据第一步计算出的微波传输线的宽度和长度，作为此网络结构的初值，进行全波仿真优化，优化的自变量为每段线的宽度，长度，优化目标为某个频带范围内，回波损耗和插损尽量小，此时，仿真中的液晶介电常数设置为其变化范围的中间值, 液晶介电常数变化范围为3.6到9.1；
第三步，完成第二步优化仿真后，再改变液晶介电常数，观察在设计的工作带宽内，无论液晶介电常数如何变化，此网络的回波损耗和插损是否满足设计需求，如果满足，仿真优化完成，如果不满足，回到第二步，再次优化仿真；
第四步，根据第三步仿真优化的最终结构，液晶成盒。
2.根据权利要求1所述的基于可变介电常数基材的宽带相位可调移相器的制备方法，其特征在于：所述的微波传输线包括微带线、带状线、悬置带线。
3.根据权利要求1所述的基于可变介电常数基材的宽带相位可调移相器的制备方法，其特征在于：所述的液晶成盒过程为标准液晶面板生产工艺，具体包括蚀刻、定向膜、液晶封框成盒。
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