CN112731715B - 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：相对设置的第一基板和第二基板，以及位于所述第一基板和所述第二基板之间的液晶层；其中，所述第一基板包括：第一基底，位于所述第一基底上的第一电极；所述第一电极包括：设置在所述第一基底背离所述液晶层的一侧主体结构，以及设置在所述第一基底靠近所述液晶层一层的分支结构；其中，所述分支结构通过贯穿所述第一基底的过孔连接在所述主体结构的长度方向上；所述第二基板包括：第二基底，位于所述第二基底上的第二电极；所述第二电极与所述分支结构在所述基底上的正投影至少部分重叠。
Description
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，其包括：相对设置的第一基板和第二基板，以及位于所述第一基板和所述第二基板之间的液晶层；其中，
所述第一基板包括：第一基底，位于所述第一基底上的第一电极；
所述第一电极包括：设置在所述第一基底背离所述液晶层的一侧主体结构，以及设置在所述第一基底靠近所述液晶层一层的分支结构；其中，所述分支结构通过贯穿所述第一基底的过孔连接在所述主体结构的长度方向上；
所述第二基板包括：第二基底，位于所述第二基底上的第二电极；所述第二电极与所述分支结构在所述基底上的正投影至少部分重叠。
可选地，所述主体结构包括：沿其长度方向相对设置的第一侧和第二侧；所述分支结构仅连接在所述主体结构的第一侧和第二侧的一者上。
可选地，所述主体结构包括：沿其长度方向相对设置的第一侧和第二侧，且在所述主体结构的第一侧和第二侧上均连接有所述分支结构。
可选地，所述连接在所述第一侧上的所述分支结构，与连接在所述第二侧上的所述分支结构一一对应设置。
可选地，所述第二电极包括面状电极。
可选地，所述第二电极包括接地电极。
可选地，连接在所述主体结构同一侧的各个所述分支结构之间的间距相同。
可选地，所述第一电极和所述第二电极的材料包括金属。
可选地，所述介质层的厚度为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为本发明实施例的一种液晶移相器的俯视图；
图2为图1液晶移相器的第一基板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C-C'的剖视图；
图6为图1的D-D'的剖视图；
图7为图1液晶移相器的等效电路图；
图8为本发明实施例的另一种液晶移相器的俯视图；
图9为图8液晶移相器的第一基板靠近液晶层一侧的俯视图；
图10为图9的E-E'的剖视图。
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，液晶移相器包括相对设置的第一基板和第二基板，以及位于第一基板和第二基板之间的液晶层；其中，第一基板包括：第一基底，位于第一基底靠近液晶层一侧的第一电极；第二基底包括：第二基底，位于第二基底靠近液晶层一侧的第二电极；第一电极通常包括主体结构，连接在主体结构上的分支结构；第二电极通常采用面状电极，这样一来，面状的第二电极必然与分支结构在第一基底上的正投影存在交叠。此时，假若第二电极作为接地电极；微波信号通过接头等连接器将微波信号引入第一电极的主体结构，以使微波信号在液晶层传输；进一步的，通过给分支结构加载不同的电压，以使分支结构与第二电极之间产生不同的电场，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。
在此需要说明的是，以上是以第二电极为接地电极为例进行说明的，但实际上第二电极也可以不为接地电极，此时可以不为接地电极，在第二基底背离液晶层的一侧设置接地电极，以使第一电极、第二电极分别与接地电极形成电流回路即可。在本发明的下述实施例中，为描述方便，以第二电极为接地电极，第一电极为微带线为例进行说明。
第一方面，结合图1-10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板和第二基板，以及位于第一基板和第二基板之间的液晶层30；其中，第一基板包括：第一基底10，位于第一基底10上的第一电极1；第二基底20包括：第二基底20，位于第二基底20靠近液晶层30一侧的第二电极2；特别的是，第一电极1包括：位于第一基底10背离液晶层30的一侧的主体结构11，以及位于基底靠近液晶层30一侧的分支结构12；分支结构12通过贯穿第一基底10的过孔(图1中黑点所在位置，且过孔与分支结构12的是一一对应设置的)与主体结构11连接；且分支结构12与第二电极2在第一基底10上的正投影至少部分重叠。这样一来，可以通过给主体结构11施加电压，将电压加载至分支结构12上，以使分支结构12与第二电极2之间形成电场，从而使得液晶层30的液晶分子发生偏转，以改变液晶层30的介电常数，进而改变在液晶层30进行传输的微波信号相位。而在本发明实施例中，由于将第一电极1的分支结构12至于液晶层30背离第一基底10的一侧，从而使得微波信号的传输介质中主要由液晶分子构成，因此可以降低微波信号的传输损耗，也即降低了液晶移相器的插入损耗。
在本发明的一些实施例中，如图1-6所示，主体结构11包括：沿其长度方向相对设置的第一侧和第二侧；分支结构12仅连接在主体结构11的第一侧和第二侧的一者上。如图7所示，图7为图1的液晶移相器的等效电路图；L0、C0为第一电极1单位长度的电感和电容，L1为过孔位置引入的电感，C1为位于液晶层30中的分支结构12和第二电极2通过交叠产生的电容；
其中S为基板1内侧金属1与金属2交叠面积，d为液晶层30厚度，ε0为真空介电常数；εr为液晶分子的相对介电常数；通过调节主体结构11和第二电极2上的驱动电压，从而改变了液晶的介电常数，改变了交叠电容的大小；微波信号相速度Vp为：
其中，w微波信号的角频率；由以上公式可知，不同电压下电磁波相速度不同，在相同传输线长度下，产生了相位差，从而达到了微波信号移相的目的。
在本发明的一些实施例中，如图8-10所示，主体结构11包括：沿其长度方向相对设置的第一侧和第二侧，在主体结构11的第一侧和第二侧均连接有分支结构12，在主体结构11两侧连接分支结构12与单侧连接分支结构12的工作原理相同，故在此不再详细描述。其中，连接在主体结构11第一侧的分支结构12与连接在主体结构11第二侧的分支结构12包括但不限于一一对应设置。
在本发明的一些实施例中，连接在主体结构11同一侧的各个分支结构12之间的间距相同，这样一来，可以分支结构12被施加电压后，使得液晶层30的介电常数均匀变化，从而使得便于对微波信号进行移相。当然，连接在主体结构11同一侧的各个分支结构12也可以按照预设的排布周期排布。
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1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2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；当然，第二电极2也可以采用透明导电氧化物制成。
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2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2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，液晶分子长轴方向的介电常数应大于第一基底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10μm，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 (10)
1.一种液晶移相器，其特征在于，包括：相对设置的第一基板和第二基板，以及位于所述第一基板和所述第二基板之间的液晶层；其中，
所述第一基板包括：第一基底，位于所述第一基底上的第一电极；
所述第一电极包括：设置在所述第一基底背离所述液晶层一侧的主体结构，以及设置在所述第一基底靠近所述液晶层一侧的分支结构；其中，所述分支结构通过贯穿所述第一基底的过孔连接在所述主体结构的长度方向上；所述主体结构沿微波信号的传输方向延伸；
所述第二基板包括：第二基底，位于所述第二基底上的第二电极；所述第二电极与所述分支结构在所述第一基底上的正投影至少部分重叠；
所述分支结构与所述第二电极之间形成电场，从而使得所述液晶层的液晶分子发生偏转，以改变所述液晶层的介电常数，进而改变在所述液晶层进行传输的微波信号相位。
2.根据权利要求1所述的液晶移相器，其特征在于，所述主体结构包括：沿其长度方向相对设置的第一侧和第二侧；所述分支结构仅连接在所述主体结构的第一侧和第二侧的一者上。
3.根据权利要求1所述的液晶移相器，其特征在于，所述主体结构包括：沿其长度方向相对设置的第一侧和第二侧，且在所述主体结构的第一侧和第二侧上均连接有所述分支结构。
4.根据权利要求3所述的液晶移相器，其特征在于，所述连接在所述第一侧上的所述分支结构，与连接在所述第二侧上的所述分支结构一一对应设置。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的液晶移相器，其特征在于，所述第二电极包括面状电极。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的液晶移相器，其特征在于，所述第二电极包括接地电极。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的液晶移相器，其特征在于，连接在所述主体结构同一侧的各个所述分支结构之间的间距相同。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的液晶移相器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极的材料包括金属。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的液晶移相器，其特征在于，所述液晶层的厚度为5-10μm。
10.一种天线，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的液晶移相器。
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