CN111490315B - 一种基于液晶和开关的混合移相器及调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于液晶和开关的混合移相器及调控方法，该混合移相器包括上层壳体、微波介质板和下层壳体，微波介质板采用双面印刷工艺，印制朝向下层壳体的开关移相器单元和朝向上层壳体的液晶移相器单元。该调控方法为通过直流偏置线过孔改变微带线枝节结构的两侧电压来控制开关移相器单元的相位跳变，实现90°的相位跳变；通过液晶移相直流偏置线控制液晶的偏置电压，从而控制液晶材料的介电常数连续变化，进而连续改变信号的相位偏移量，从而控制液晶移相器单元相移的度数，实现带内大于180°范围的移相。本发明的液晶移相器可实现连续相位调控，而开关移相器可实现90°或180°的相位跳变，通过二者的级联配合可实现大范围、甚至是0～360°的相位精确调控。

Description

一种基于液晶和开关的混合移相器及调控方法
技术领域
本发明涉及一种基于液晶和开关的混合移相器及调控方法，属于微波移相器的技术领域。
背景技术
移相器作为一种常见的电子器件，主要用于对射频/微波传输信号的相位进行调控，是相控阵天线系统、5G/6G移动通信系统等必需的器件。传统的移相器主要是模拟式移相器，即改变射频信号传输路径的电长度，通过引入传输时延来实现相位延迟。模拟式移相器的优点是技术成熟、成本低廉，但其缺点是插入损耗较高，且尺寸随着相移量的增加而不断变大。随着半导体技术的快速发展，各种数字式移相器不断涌现。数字式移相器主要的电路拓扑有开关网络型、电桥反射型，以及加载型等无源结构，这些结构通过无源网络的切换来得到所需的相移。数字式移相器的优点是工作状态稳定，不受外部环境影响，因此在相控阵雷达系统中得到广泛应用。但是，其缺点是技术复杂，且随着数字精度的增加其成本上升很快，大规模民用还不能接受。2007年美国加州大学的K.J.Koh和G.M.Rebeiz通过矢量合成的方法实现了4bit有源移相器，目前广泛应用于相控阵芯片的设计。但是有源移相器结构对合成正交信号的幅度和相位一致性要求很高，在毫米波频段的寄生效应会对精度和线性度造成比较大的影响。
鉴于上述模拟式和数字式移相器各有优缺点，部分研究人员近两年致力于混合型微波移相器的研制，期望在移相范围、移相精度等性能指标与生产成本之间寻求到平衡点。例如，申请号为201811541370.0的发明专利公开了一种有源无源混合型微波移相器，该移相器有源部分采用矢量合成的方法对信号进行大位移相，无源部分采用RLC网络或耦合线进行小位移相，具有灵活分配的优点，但该移相器仍然不能摆脱毫米波频段的强寄生效应所导致的精度、线性度下降。另外，申请号为201910520010.0的发明专利公开了一种基于MEMS开关的混合移相器，该移相器采用180°移相单元、混合移相单元和22.5°移相单元构成，能够满足0°/45°/90°/135°的4bit移相器移相需求，减少了开关个数，但该移相器从根本原理上而言仍然是数字式移相器，不能达到模拟式移相器的精度。
近来，南京星腾通信技术有限公司在申请号为202010115191.1的发明专利中公开了一种相位连续可调的液晶移相器及调控方法，该移相器利用液晶材料的介电常数随偏置电压而改变的特性，设计了相位在0～180°范围内连续可调的移相器，但该移相器要实现更大范围相移时就必须增加液晶和传输线的长度，因此插入损耗会随着电长度的增加而增加。南京星腾通信技术有限公司还在申请号为201911340803.0的发明专利中公开了一种基于PIN管的三枝节微带线可调移相器，实现了相位90°/180°的不连续变化，但该移相器只能实现相位两种状态的变化，无法连续调相。
综上所述，提高微波移相器的移相精度和移相范围、减少插入损耗、扩展工作带宽、降低系统成本是微波移相器研发的不懈追求。而对传统移相器采用取长补短的混合型设计方案是实现低成本、高精度的重要发展方向。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于液晶和开关的混合移相器及调控方法，本混合移相器基于液晶材料和开关来实现0～360°相位的精确调控，具有工作频带宽、插损低、工艺简单、生产成本低的优点，其具体技术方案如下：
一种基于液晶和开关的混合移相器，包括上层壳体和下层壳体，以及铺设在上层壳体和下层壳体之间的微波介质板，所述上层壳体和下层壳体选用金属壳体或者电镀了金属的非金属壳体，所述微波介质板采用双面印刷工艺，印制有传输线，所述传输线包括开关移相器单元和液晶移相器单元；
所述微波介质板的一端连接有同轴输入线，相对的另一端连接有同轴输出线。
进一步的，所述下层壳体的一组相对端依次设置有给同轴输入线/同轴输出线引出的同轴输入端口/同轴输出端口。
进一步的，所述开关移相器单元印制于微波介质板朝向下层壳体的一侧表面，靠近同轴输入线一端，所述开关移相器单元采用加载了MEMS开关或者PIN管的微带线枝节结构，所述开关移相器单元的微带线枝节结构设置有贯穿到微波介质板对面的直流偏置线过孔，
所述上层壳体开设有用于铺设开关移相器直流偏置线的直线槽，所述直线槽从直流偏置线过孔延伸贯穿过上层壳体边缘，所述开关移相器直流偏置线通过直流偏置线过孔与开关移相器单元的微带线枝节结构连接。
进一步的，所述开关移相器单元的微带线枝节结构与同轴输入线之间连接有微带转接器，射频信号从同轴线输入线进入开关移相器单元前，首先需要经过微带转接器。
进一步的，所述液晶移相器单元包括印制在微波介质板朝向上层壳体一侧的弯折传输线、铺设于上层壳体朝向弯折传输线的液晶材料层和印制在微波介质板朝向下层壳体一面的两段交指电容，所述弯折传输线两端分别通过接地金属过孔与交指电容连接，交指电容分别位于弯折传输线的两端，靠近开关移相器单元的交指电容连接阻抗变换器单元，所述阻抗变换器单元与开关移相器单元的微带线枝节结构连接，靠近同轴输出线的交指电容与同轴输出线连接；
所述下层壳体开设有延伸贯通到边缘的矩形槽，所述矩形槽内铺设有液晶移相直流偏置线，靠近同轴输出线的接地金属过孔与矩形槽贯通，所述液晶移相直流偏置线通过接地金属过孔与液晶移相器单元的弯折传输线连接。
进一步的，所述微波介质板朝向下层壳体的一面设计有保护壳，所述保护壳的形状与开关移相器单元和液晶移相器单元相适配，并将开关移相器单元和液晶移相器单元罩住，所述保护壳的两端分别设置有体积胀大的端口腔，所述开关移相器单元与同轴输入线的连接处和液晶移相器单元与同轴输出线的连接处分别置于对应端的端口腔中；
所述下层壳体的轴向中线贯通开设有用于容纳保护壳的凹槽，凹槽两端开设有贯通到下层壳体外部的端口槽，所述端口腔刚好填充在端口槽中；
所述凹槽在开关移相器单元位置开设空气腔，保护壳对应位置胀大设置与空气腔规格一致。
基于液晶和开关的混合移相器的调控方法，具体为：
通过阻抗变换器单元进行开关移相器单元和弯折线结构单元之间的阻抗匹配；
通过直流偏置线过孔改变微带线枝节结构的两侧电压来控制开关移相器单元的相位跳变，实现90°的相位跳变；
通过调整交指电容的结构参数，形成带通效果，进而滤除工作频段外的信号；
通过液晶移相直流偏置线控制液晶的偏置电压，从而控制液晶材料的介电常数连续变化，进而连续改变信号的相位偏移量，从而控制液晶移相器单元相移的度数，实现带内大于180°范围的移相；
通过选取两侧的交指电容参数，可形成带通滤波器的效果，使得所需频段外的信号截止，同时又能隔断液晶移相直流偏置信号至开关移相器单元，避免液晶移相直流信号对开关移相器单元的干扰。
本发明的有益效果是：
1.本发明通过级联液晶移相器和开关移相器，可实现0～360°相位的精确控制，其中开关移相器单元实现90°或180°的固定相位跳变。
2.本发明可以实现较宽的工作频带，仿真和测试结果表明，移相器的工作相对带宽约达到20％。
3.本发明可以实现很低的插入损耗。仿真和测试结果表明，混合移相器的工作频带内插入损耗不高于2dB。
4.本发明结构简单，工艺成熟，易于批量生产。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图，
图2是本发明的结构分解图，
图3是本发明的朝向上层壳体一面的微波介质板上的传输线图，
图4是本发明的朝向下层壳体一面的微波介质板上的传输线图，
图5是本发明的仰视分解图，
图6本发明实施例中开关移相器处于“开”工作状态时，混合移相器的传输系数曲线图，
图7本发明实施例中开关移相器处于“关”工作状态时，混合移相器的传输系数曲线图，
图8本发明实施例中仅液晶移相器工作时的相移，
图9本发明实施例完全工作时的相移，
图中：1—上层壳体，11—开关移相器直流偏置线，100—液晶材料封装腔，2—微波介质板，21—开关移相器单元，211—同轴输入线，2110—微带线枝节结构，2111—直流偏置线过孔，212—微带转接器，213—阻抗变换器单元，22—液晶移相器单元，220—弯折传输线，221—交指电容，2211—接地金属过孔，223—同轴输出线，230—端口腔，3—下层壳体，31—空气腔，32—液晶移相直流偏置线，33—凹槽，34—端口槽，4—保护壳。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
结合图1，本发明的基于液晶和开关的混合移相器，由上层壳体1、微波介质板2以及封装的液晶材料和下层壳体3组合而成。上层壳体1和下层壳体3选用金属壳体或者电镀了金属的塑料壳体。
结合图3和4，微波介质板2采用双面印刷工艺，印制开关移相器单元21和液晶移相器单元22，形成传输线。为了降低微波介质板2的介质损耗，微波介质板2选用低损耗正切材料，如Rogers5880板材等。
结合图2，下层壳体3的一组相对端依次设置有给同轴输入线211/同轴输出线223引出的同轴输入端口/同轴输出端口。同轴输入线211与开关移相器单元21连接，同轴输出线223与液晶移相器单元22连接，开关移相器单元21和液晶移相器单元22连接，形成信号传输通路。
结合图3和4，开关移相器单元21具体为：印制于微波介质板2朝向下层壳体3的一侧表面，靠近同轴输入线211一端，开关移相器单元21采用加载了MEMS开关或者PIN管的微带线枝节结构2110，开关移相器单元21的微带线枝节结构2110设置有贯穿到微波介质板2对面的直流偏置线过孔213。上层壳体1开设有用于铺设开关移相器直流偏置线11的直线槽，直线槽从直流偏置线过孔213延伸贯穿过上层壳体1边缘，开关移相器直流偏置线11通过直流偏置线过孔213与开关移相器单元21的微带线枝节结构2110连接。
开关移相器单元21可实现90°或180°的相位跳变，具体实现方式可以采用加载了MEMS开关或者PIN管的微带线枝节结构2110，例如图3、图4所示的“π”形移相器，加载了集总元器件MEMS开关或者PIN管，再通过直流偏置线过孔213控制集总器件的开关，实现90°的相位跳变。开关移相器单元21也可以使用申请号为201911340803.0的发明专利中的三枝节移相器。当然，开关移相器单元21也可以使用其他结构形式。
开关移相器单元21的微带线枝节结构2110与同轴输入线211之间连接有微带转接器212，射频信号从同轴线输入线进入开关移相器单元21前，首先需要经过微带转接器212，降低传输损耗，实现阻抗的匹配。
结合图3和4，液晶移相器单元22具体为：包括印制在微波介质板2朝向上层壳体1一侧的弯折传输线220、铺设于上层壳体1朝向弯折传输线220的液晶材料层和印制在微波介质板2朝向下层壳体3一面的两段交指电容221，弯折传输线220两端分别通过接地金属过孔2211与交指电容221连接，交指电容221分别位于弯折传输线220的两端，靠近开关移相器单元21的交指电容221连接阻抗变换器单元213，阻抗变换器单元213与开关移相器单元21的微带线枝节结构2110连接，阻抗变换器单元213为了降低开关移相器单元21和弯折传输线220之间的传输损耗，进行阻抗匹配，靠近同轴输出线223的交指电容221与同轴输出线223连接。下层壳体3开设有延伸贯通到边缘的矩形槽，矩形槽内铺设有液晶移相直流偏置线32，为液晶移相器提供偏置电压，靠近同轴输出线223的接地金属过孔2211与矩形槽贯通，液晶移相直流偏置线32通过接地金属过孔2211与液晶移相器单元22的弯折传输线220连接。
液晶材料层的封装方式为，在上层壳体1朝向微波介质板2的一侧表面开设有液晶材料封装腔100，在液晶材料封装腔100封装上液晶材料，形成液晶材料层。液晶材料层压实在微波介质板2上时，两段交指电容221分别与液晶材料层部分解除压紧。
液晶移相器的封装及工作原理亦可参见申请号为202010115191.1的发明专利。
结合图2和图5，为了进一步保护传输线，微波介质板2朝向下层壳体3的一面设计有保护壳4，保护壳4的形状与开关移相器单元21和液晶移相器单元22相适配，并将开关移相器单元21和液晶移相器单元22罩住，保护壳4的两端分别设置有体积胀大的端口腔230，开关移相器单元21与同轴输入线211的连接处和液晶移相器单元22与同轴输出线223的连接处分别置于对应端的端口腔230中。下层壳体3的轴向中线贯通开设有用于容纳保护壳4的凹槽33，凹槽33两端开设有贯通到下层壳体3外部的端口槽34，所述端口腔230刚好填充在端口槽34中。凹槽33在开关移相器单元21位置开设空气腔31，保护壳4对应位置胀大设置与空气腔31规格一致。
实施例：
开关移相单元选用“π”型移相器，可实现90°的相位跳变。本发明中的阻抗变换器单元213采用微带线阻抗变换器。
封装液晶选用在未加偏置电压时，相对介电常数为εr＝3.6，损耗正切为tanδ＝0.01，偏置改变偏置电压时，εr变化范围3.6～5.0，胶水选用εr＝4.4，tanδ＝0.005的环氧树脂胶，测试结果表明该液晶移相器工作频带覆盖11.5～14.5GHz，通过改变偏置电压，可以实现带内大于180°范围的移相。由于液晶移相器的直流偏置线位于交指电容221段的内侧，故直流偏置信号不会对射频端造成干扰。
混合微波移相器在开关移相器单元21处于“开”工作状态时，其插入损耗基本上小于1.5dB，如图6所示；当开关移相器单元21处于“关”工作状态时，其插入损耗基本上小于2dB，如图7所示。
混合微波移相器在不计入开关移相器单元21的相移时，其相移变化范围在0～150°左右，如图8所示。而在开关移相器单元21也参与工作时，其相移变化范围在0～240°左右，如图9所示，具有非常好的线性度。
如果要使混合移相器的移相范围满足0～360°，可以有两种实现方案。(1)所设计的液晶移相器的移相范围满足0～270°，则开关移相器单元21只需90°移相即可；若所设计的液晶移相器的移相范围满足0～180°，则开关移相器单元21需180°移相即可。
考虑到液晶移相器要实现更宽的移相就需要增加电长度，插入损耗也会相应增加，因此，应综合考虑液晶移相器单元22与开关移相器单元21的电性能进行设计。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (3)

1.一种基于液晶和开关的混合移相器，包括上层壳体(1)和下层壳体(3)，以及铺设在上层壳体(1)和下层壳体(3)之间的微波介质板(2)，所述上层壳体(1)和下层壳体(3)选用金属壳体或者电镀了金属的非金属壳体，其特征在于：所述微波介质板(2)采用双面印刷工艺，印制有传输线，所述传输线包括开关移相器单元(21)和液晶移相器单元(22)；
所述微波介质板(2)的一端连接有同轴输入线(211)，相对的另一端连接有同轴输出线(223)；
所述下层壳体(3)的一组相对端依次设置有给同轴输入线/同轴输出线引出的同轴输入端口/同轴输出端口；
所述开关移相器单元(21)印制于微波介质板(2)朝向下层壳体(3)的一侧表面，靠近同轴输入线(211)一端，所述开关移相器单元(21)采用加载了MEMS开关或者PIN管的微带线枝节结构(2110)，所述开关移相器单元(21)的微带线枝节结构(2110)设置有贯穿到微波介质板(2)对面的直流偏置线过孔(2111)，
所述上层壳体(1)开设有用于铺设开关移相器直流偏置线(11)的直线槽，所述直线槽从直流偏置线过孔(2111)延伸贯穿过上层壳体(1)边缘，所述开关移相器直流偏置线(11)通过直流偏置线过孔(2111)与开关移相器单元(21)的微带线枝节结构(2110)连接；
所述开关移相器单元(21)的微带线枝节结构(2110)与同轴输入线(211)之间连接有微带转接器(212)，射频信号从同轴线输入线进入开关移相器单元(21)前，首先需要经过微带转接器(212)；
所述液晶移相器单元(22)包括印制在微波介质板(2)朝向上层壳体(1)一侧的弯折传输线(220)、铺设于上层壳体(1)朝向弯折传输线(220)的液晶材料层和印制在微波介质板(2)朝向下层壳体(3)一面的两段交指电容(221)，所述弯折传输线(220)两端分别通过接地金属过孔(2211)与交指电容(221)连接，交指电容(221)分别位于弯折传输线(220)的两端，靠近开关移相器单元(21)的交指电容(221)连接阻抗变换器单元(213)，所述阻抗变换器单元(213)与开关移相器单元(21)的微带线枝节结构(2110)连接，靠近同轴输出线(223)的交指电容(221)与同轴输出线(223)连接；
所述下层壳体(3)开设有延伸贯通到边缘的矩形槽，所述矩形槽内铺设有液晶移相直流偏置线(32)，靠近同轴输出线(223)的接地金属过孔(2211)与矩形槽贯通，所述液晶移相直流偏置线(32)通过接地金属过孔(2211)与液晶移相器单元(22)的弯折传输线(220)连接。
2.根据权利要求1所述的基于液晶和开关的混合移相器，其特征在于：所述微波介质板(2)朝向下层壳体(3)的一面设计有保护壳(4)，所述保护壳(4)的形状与开关移相器单元(21)和液晶移相器单元(22)相适配，并将开关移相器单元(21)和液晶移相器单元(22)罩住，所述保护壳(4)的两端分别设置有体积胀大的端口腔(230)，所述开关移相器单元(21)与同轴输入线(211)的连接处和液晶移相器单元(22)与同轴输出线(223)的连接处分别置于对应端的端口腔(230)中；
所述下层壳体(3)的轴向中线贯通开设有用于容纳保护壳(4)的凹槽(33)，凹槽(33)两端开设有贯通到下层壳体(3)外部的端口槽(34)，所述端口腔(230)刚好填充在端口槽(34)中；
所述凹槽(33)在开关移相器单元(21)位置开设空气腔(31)，保护壳(4)对应位置胀大设置与空气腔(31)规格一致。
3.根据权利要求1所述的基于液晶和开关的混合移相器的调控方法，其特征在于：通过阻抗变换器单元(213)进行开关移相器单元(21)和弯折线结构单元之间的阻抗匹配；
通过直流偏置线过孔(2111)改变微带线枝节结构(2110)的两侧电压来控制开关移相器单元(21)的相位跳变，实现90°的相位跳变；
通过调整交指电容(221)的结构参数，形成带通效果，进而滤除工作频段外的信号；
通过液晶移相直流偏置线(32)控制液晶的偏置电压，从而控制液晶材料的介电常数连续变化，进而连续改变信号的相位偏移量，从而控制液晶移相器单元(22)相移的度数，实现带内大于180°范围的移相；
通过选取两侧的交指电容(221)参数，可形成带通滤波器的效果，使得所需频段外的信号截止，同时又能隔断液晶移相直流偏置信号至开关移相器单元(21)，避免液晶移相直流信号对开关移相器单元(21)的干扰。
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