CN112436248B - 一种基于介质集成波导的高相移调谐率液晶移相器 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种基于介质集成波导的高相移调谐率液晶移相器。本发明属于微波器件工程技术领域，所述移相器包括：上层介质板、中间层介质板、下层介质板、金属化过孔和液晶层；所述上层介质板、中间层介质板和下层介质板连接，中间层介质板为中心镂空出矩形结构，上层介质板和下层介质板间形成密闭腔体，将液晶材料灌注在密闭腔体中，形成液晶层。本发明在工作频带范围内具有显著的高相移调谐率特性。因此，对于相同的相位调控指标，可以有效缩减移相器物理长度，对射频电路实现小型化和高集成度具有重要价值；本发明可调液晶移相器结构具有设计方案简单、高效的显著优势。

Description

一种基于介质集成波导的高相移调谐率液晶移相器
技术领域
本发明涉及微波器件工程技术领域，是一种基于介质集成波导的高相移调谐率液晶移相器。
背景技术
可调移相器是一种实现射频信号相位调控的微波器件，广泛应用于天线、雷达和无线通信等领域。现有可调移相器主要通过在结构中加载变容二极管、铁电体、石墨烯或者液晶的方法来实现。变容二极管的优点在于调谐范围大、设计方法简单，但受封装引线电感的影响，只能工作在微波低频段(X波段以下)。铁电体和石墨烯虽然可工作在Ku以上波段，但受限于制备工艺，无论是铁电体薄膜材料还是石墨烯薄膜材料的电磁一致性都无法有效保证。
液晶是一种各向异性的材料，作为一种单轴晶体，其分子长轴具有一个特定的指向，在外加电场或磁场的作用下，液晶分子的长轴指向将发生偏转，从而引起液晶材料宏观介电常数发生变化。这样的特性使其可以应用在微波可调移相器的设计中。相比于变容二极管、铁电体以及石墨烯材料，基于液晶材料的可调移相器具有工作频率范围宽(从低频到太赫兹)、体积小、剖面低及性能稳定等诸多优点。然而现有的液晶可调移相器受限于液晶材料介电常数变化范围较小的缺陷，导致其相移调谐率较低，严重限制了其实际应用价值。
发明内容
本发明为针对目前所提出可调液晶移相器相移调谐率较低的问题，本发明致力于设计出具有高相移调谐率特性的微波可调液晶移相器，以完善液晶移相器在实际应用中的适用场景，本发明提供了一种基于介质集成波导的高相移调谐率液晶移相器，本发明提供了以下技术方案：
一种基于介质集成波导的高相移调谐率液晶移相器，所述移相器包括：上层介质板、中间层介质板、下层介质板、金属化过孔和液晶层；
所述上层介质板、中间层介质板和下层介质板连接，中间层介质板为中心镂空出矩形结构，上层介质板和下层介质板间形成密闭腔体，将液晶材料灌注在密闭腔体中，形成液晶层；
上层介质板、中间层介质板和下层介质板形成三层介质板，三层介质板的左右两侧设有周期排列的金属化过孔，所述下层介质板的中间层设有周期化排列的金属孔，下层介质板的金属孔包括渐变高度金属化盲孔和底层金属化通孔。
优选地，所述上层介质板的下表面蚀刻厚度为t的铜箔，作为介质集成波导的上层金属。
优选地，所述下层介质板的中间层的周期化排列的金属孔，以纵向间距d2和横向间距d3周期蚀刻半径为r的金属孔。
优选地，下层介质板的金属孔包括渐变高度金属化盲孔和底层金属化通孔，所述渐变高度金属化盲孔分布在移相器的两侧，底层金属化通孔位于两侧渐变高度金属化盲孔的中间部分。
优选地，渐变高度金属化盲孔渐变结构包括五个金属化盲孔，分别是hs1,hs2,hs3,hs4和hs5，第i个金属化盲孔取值范围为：0≤hi≤0.8h3，i＝1，2，3，4，5。
优选地，所述d2和d3的取值范围分别为：0.1λ0≤d2≤0.15λ0，0.02λ0≤d3≤0.06λ0，λ0为工作中心频率所对应的波长。
优选地，三层介质板的左右两侧设有金属化过孔，以间距d1周期排列半径为r的金属化过孔。
对于该结构液晶移相器，首先对液晶分子做沿x方向的初始配向，然后通过在其上、下表面添加沿z方向的外部偏置磁场，从而对液晶分子指向实现有效调控，进而改变液晶材料的宏观介电常数，最终实现传输相位的调控。
本发明具有以下有益效果：
本发明设计了一种基于介质集成波导的高相移调谐率液晶移相器，与现有的可调液晶移相器相比，该结构的突出优势主要体现在以下两个方面：一，该结构在工作频带范围内具有显著的高相移调谐率特性。因此，对于相同的相位调控指标，可以有效缩减移相器物理长度，对射频电路实现小型化和高集成度具有重要价值；二，该可调液晶移相器结构具有设计方案简单、高效的显著优势。
附图说明
图1为基于介质集成波导的高相移调谐率液晶移相器的三维结构示意图；
图2为基于介质集成波导的高相移调谐率液晶移相器的侧视图；
图3为基于介质集成波导的高相移调谐率液晶移相器的截面图；
图4为基于介质集成波导的高相移调谐率液晶移相器的相位特性仿真结果图；
图5为本发明和传统介质波导液晶移相器调谐率仿真对比图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
根据图1至图5所示，本发明提供一种基于介质集成波导的高相移调谐率液晶移相器，所述移相器包括：上层介质板、中间层介质板、下层介质板、金属化过孔和液晶层；
所述上层介质板、中间层介质板和下层介质板连接，中间层介质板为中心镂空出矩形结构，上层介质板和下层介质板间形成密闭腔体，将液晶材料灌注在密闭腔体中，形成液晶层；
上层介质板、中间层介质板和下层介质板形成三层介质板，三层介质板的左右两侧设有周期排列的金属化过孔，所述下层介质板的中间层设有周期化排列的金属孔，下层介质板的金属孔包括渐变高度金属化盲孔和底层金属化通孔。
所述上层介质板的下表面蚀刻厚度为t的铜箔，作为介质集成波导的上层金属。
所述下层介质板的中间层的周期化排列的金属孔，以纵向间距d2和横向间距d3周期蚀刻半径为r的金属孔，该部分结构设计用以激发和传输人工表面等离激元模式，实现慢波传输效果，从而有效提高液晶移相器相移调谐率。
下层介质板的金属孔包括渐变高度金属化盲孔和底层金属化通孔，所述渐变高度金属化盲孔分布在移相器的两侧，底层金属化通孔位于两侧渐变高度金属化盲孔的中间部分。
为了实现良好的阻抗匹配和模式匹配，左、右两端均对金属孔结构的高度采用渐变设计渐变高度金属化盲孔渐变结构包括五个金属化盲孔，分别是hs1,hs2,hs3,hs4和hs5，第i个金属化盲孔取值范围为：0≤hi≤0.8h3，i＝1，2，3，4，5。此外，基于介质集成波导结构的高相移调谐率可调液晶移相器整体长、宽尺寸参数分别为l和w
所述d2和d3的取值范围分别为：0.1λ0≤d2≤0.15λ0，0.02λ0≤d3≤0.06λ0，λ0为工作中心频率所对应的波长。
三层介质板的左右两侧设有金属化过孔，以间距d1周期排列半径为r的金属化过孔，以防止电磁泄露。对于该结构液晶移相器，首先对液晶分子做沿x方向的初始配向，然后通过在其上、下表面添加沿z方向的外部偏置磁场，从而对液晶分子指向实现有效调控，进而改变液晶材料的宏观介电常数，最终实现传输相位的调控。
具体实施例二：
作为实例，设计出了一款工作于Ku频段的基于介质集成波导的高相移调谐率液晶移相器。参照图1，该慢波缝隙波导的具体结构参数为d1＝1.5mm，d2＝3mm，d3＝1mm，r＝0.2mm，w＝12mm，l＝81mm，t＝0.018mm，h1＝0.50mm，h2＝0.4mm，h3＝1mm，hs1＝0.2mm，hs2＝0.4mm，hs3＝0.6mm和hs4＝1mm。此外，介质板材料为Rogers 4350B，液晶材料介电参数为：εr，⊥＝2.5，εr，//＝3.2，tanδ⊥＝0.0143，tanδ//＝0.0056。基于上述结构参数和材料特性，该液晶移相器仿真结果如图4-5所示。由图4可以看到，在12-15GHz频率范围内，随着液晶分子由配向状态被切换为偏置状态，其传输相位可以被有效调控。此外，由图5所示的相移调谐率仿真对比结果可以看到，相比于传统介质集成波导液晶移相器，所提出液晶移相器在13GHz时相移调谐率达到2.81°/mm，而前者仅为1.53°/mm，在整个工作频段范围内相移调谐率提升了73％-112％，从而最终证明了所提出液晶移相器具有高相移调谐率的优点。
以上所述仅是一种基于介质集成波导的高相移调谐率液晶移相器的优选实施方式，一种基于介质集成波导的高相移调谐率液晶移相器的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于介质集成波导的高相移调谐率液晶移相器，其特征是：所述移相器包括：上层介质板、中间层介质板、下层介质板、金属化过孔和液晶层；
所述上层介质板、中间层介质板和下层介质板连接，中间层介质板为中心镂空出矩形结构，上层介质板和下层介质板间形成密闭腔体，将液晶材料灌注在密闭腔体中，形成液晶层；
上层介质板、中间层介质板和下层介质板形成三层介质板，三层介质板的纵向两侧设有周期排列的金属化过孔，所述下层介质板内设有周期化排列的金属孔，下层介质板内的金属孔包括渐变高度金属化盲孔和底层金属化通孔；
所述上层介质板的下表面蚀刻厚度为t的铜箔，作为介质集成波导的上层金属；
所述下层介质板内的周期化排列的金属孔，以纵向间距d 2和横向间距d 3周期蚀刻半径为r的金属孔；
所述渐变高度金属化盲孔分布在移相器的纵向的两端，底层金属化通孔位于两端渐变高度金属化盲孔之间；
每端渐变高度金属化盲孔渐变结构包括五列金属化盲孔，高度分别是hs 1,hs 2, hs 3, hs 4和hs 5，第i个金属化盲孔高度取值范围为：0≤h si ≤0.8h 3 ，i=1，2，3，4，5。
2.根据权利要求1所述的一种基于介质集成波导的高相移调谐率液晶移相器，其特征是：所述d 2和d 3的取值范围分别为：0.1λ0≤d 2≤0.15λ0，0.02λ0≤d 3≤0.06λ0，λ0为工作中心频率所对应的波长。
3.根据权利要求1所述的一种基于介质集成波导的高相移调谐率液晶移相器，其特征是：三层介质板的纵向两侧设有以间距d 1 周期排列半径为r的金属化过孔。
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