CN113690554B - 基于矢量正交法的液晶移相器及调控方法 - Google Patents

基于矢量正交法的液晶移相器及调控方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113690554B
CN113690554B CN202110972248.4A CN202110972248A CN113690554B CN 113690554 B CN113690554 B CN 113690554B CN 202110972248 A CN202110972248 A CN 202110972248A CN 113690554 B CN113690554 B CN 113690554B
Authority
CN
China
Prior art keywords
liquid crystal
phase
phase shifter
coplanar waveguide
metal film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110972248.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113690554A (zh
Inventor
汪相如
汪晟
吴双红
张文钊
高时汉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN202110972248.4A priority Critical patent/CN113690554B/zh
Publication of CN113690554A publication Critical patent/CN113690554A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113690554B publication Critical patent/CN113690554B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/18—Phase-shifters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H01Q3/36—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with variable phase-shifters

Landscapes

  • Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)

Abstract

本发明公开基于矢量正交法的液晶移相器及调控方法，应用于通信领域，针对传统的液晶微波移相器插损和体积很难降低，不适用于高增益和高集成度的阵列天线的问题。本发明的液晶移相器包括：功分器、4个移相器、共面波导耦合微带结构、共面波导延时线；微波信号通过功分器分成两路振幅相等的相干电磁信号，两路电磁信号通过上下耦合的方式从共面波导进入4个移相单元，通过在第二端口与第三端口处加载不同长度延时线，当两条延时线长度差为四分之一波长时，形成振幅比可调的正交信号，将正交信号进行合成后输出。本发明的方法避免传统移相模块移相单元面积大、插损大的劣势，增强了器件性能，提高了系统的集成度和面积利用率。

Description

基于矢量正交法的液晶移相器及调控方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别涉及一种基于矢量正交法的液晶移相器技术。
背景技术
社会高速的发展，带来了信息流的快速增长。现代社会的通信离不开天线。微波移相器是天线的核心部件，可以改变电磁波的相位变化。对比于铁氧体、数字移相器而言，液晶移相器具有低成本，低损耗，低功耗等优点；整体重量轻，小型化，所以使得整个系统的集成度高，可移植性强，易于控制。
天线的宽频带，大容量，高效率，多功能，低成本，小型化是无线通信领域的发展趋势，也是时代进步所带来社会需求的提升。在天线系统中，移相器的体积和插损是很难降低的。作为实时可编程的微波波束器件，传统的液晶微波相控阵，为了达到2π的移相范围，可通过计算材料的介电变化范围△ε确定移相器的传输线长度。由于材料和传输线长度的局限性，传统的液晶微波移相器插损和体积很难降低，不适用于高增益和高集成度的阵列天线。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于矢量正交法的液晶移相器及调控方法，可有效解决传统液晶移相器插损大，集成度低等问题。
本发明采用的技术方案为：基于矢量正交法的液晶移相器及调控方法，所述液晶移相器包括：功分器、4个移相器、共面波导耦合微带结构、共面波导延时线。
微波信号从041信号馈入点(即第一端口041)进入后，在第二金属膜层04的功分器046分成两路振幅相等的相干电磁信号，两路电磁信号以上下耦合的方式从共面波导入4个移相单元，调制移相单元的相移量，产生两路信号之间的相位差，控制移相单元输出在第二端口042和第三端口043的信号强度；通过在第二端口042与第三端口043处加载不同长度延时线，当两条延时线长度差为四分之一波长时，形成振幅比可调的正交信号，将正交信号进行合成后输出。
通过调制正交信号振幅比，调节合成信号的相位变化。
所述液晶移相器为五层结构，从上至下依次为：第一玻璃基底层、第一金属膜层、液晶层、第二金属膜层、第二玻璃基底层；
所述4个移相器设置于第一金属膜层。所述移相单元为蛇形微带线，蛇形线拐角处切角半径均为35um。
所述第一金属膜层还包括设置有与各移相器连接的直流偏置线。直流偏置线为低通滤波器结构。
所述功分器、信号馈入点041、第二端口042、第三端口043、信号输出点047设置于第二金属膜层02。
通过对移相单元加电调制，使2个端口处产生信号的相干现象，实现对端口处功率的可分配：
S11＝S22＝S33＝S23＝0
Figure BDA0003226107750000021
Figure BDA0003226107750000022
S11信号馈入点信号反射系数，S22是第二端口信号反射系数，S33是第三端口信号反射系数；S21表示是信号馈入点传输到第二端口的信号传输系数，S31表示是信号馈入点传输到第三端口的信号传输系数；S32是第二端口到第三端口的信号传输系数；k表示的是第二端口与第三端口信号强度比；α表示的是信号馈入后到第二端口和第三端口的相位变化量。
本发明的有益效果：本发明采用了矢量合成法设计了移相器，通过调振幅比来调相位，避免传统移相模块移相单元面积大、插损大的劣势，增强了器件性能，提高了系统的集成度和面积利用率；同时本发明对移相单元和传输结构进行了分层设计，避免了直流信号对其他模块的干扰，增加了对器件的控制准确度。
附图说明
图1为本发明基于矢量正交法无源移相器件的结构示意图；
图2为本发明基于矢量正交法液晶移相器的模型示意图；
图3为本发明中第一金属膜层移相器单元和偏置线俯视图；
图4为本发明中第二金属膜层的共面波导功分模型的俯视图；
图5为本发明的液晶移相单元原理示意图；
附图标记：01为第一玻璃基底，02为第一金属膜层，03为液晶层，04为第二金属膜层，05为第二玻璃基底，021为移相单元一，022为直流偏置线一，023为移相单元二，024为直流偏置线二，031为液晶分子，041为信号馈入点，042为第二端口，043为第三端口，044为薄膜电阻，045为第二CPW延时线，046为CPW功分器，047为信号输出点，048为共面波导传输线，049为第一CPW延时线，C-M第二金属层图案对准点，M-C是第一金属层图案的对准点。
具体实施方式
本发明提供了一种基于矢量正交法的新型液晶移相器，主要包括对第一金属层和第二金属层的图案设计，金属厚度设计以及液晶层厚度设计。
如图1所示为本发明器件实现移相的功能模块和流程图。组成该移相器的结构具体可以包括：3dB功分器，移相器1和移相器2，λ/4延时线。以上模块构成了一个正交信号可重构功率分配器，利用正交信号的振幅比变化调制合成信号的相位。
如图2所示，基于图1的物理逻辑图，设计出矢量正交法的液晶移相器模型，包括从上到下依次为第一玻璃基底01，第一金属膜层02，液晶层03，第二金属膜层04，第二玻璃基底05。基底的材质为玻璃，金属膜层为铜层，利用蒸镀和光刻技术手段将金属图案黏附在玻璃基底上。
为了避免直流信号对除移相单元外其他模块的干扰，本发明将移相单元和偏置线设计在第一金属膜层02上。如图3所示，第一金属膜层02的俯视图，包括了移相单元021，移相单元023，与移相单元021相连的直流偏置线022，与移相单元023相连的直流偏置线024。移相单元021和移相单元023尺寸结构一致，直流偏置线022和直流偏置线024的线宽小于移相单元线宽，可实现低通滤波，避免高频电磁信号损失。
如图4所示，第二金属膜层04的俯视图，包括了3dB功分器模型046，薄膜电阻044。从信号发射机发出的微波信号经过SMA接头耦合到信号馈入点041，通过3dB功分器046后，沿支路分成振幅相同的相干电磁信号，薄膜电阻044和两个移相器023通过上下电磁耦合的形式相关联，使得第二端口042和第三端口043的信号相互隔离。
为了保证微波信号在两个金属层间无损耗传输，本发明记第一金属膜层中移相单元的蛇形微带线两端为M-C位置，则第一金属膜层上共包括8处M-C位置；记第二金属膜层中功分器两输出端、共面波导耦合微带结构中两条平行的共面波导传输线两端、以及薄膜电阻两端的相应位置记为C-W位置，则第二金属膜层上共包括8处C-W位置；当第二金属膜层上的这8处C-W位置与第一金属膜层上的这8处M-C位置上下对齐时，微波信号通过电磁耦合的形式在两个金属层间无损耗传输。
在共面波导传输线048中，长度为L1传输线与移相单元021构成移相器1，长度为L2传输线和移相单元023构成移相器2。
共面波导传输线045和049的长度差形成信号间固定90°相位差，使两路信号变成正交信号。
当电压通过直流偏置线022和直流偏置线024加载在移相单元021和移相单元023上，移相单元和参考地04之间形成电压差，使03液晶层中的液晶分子031发生旋转。液晶移相原理如图5所示，微带金属线02和与参考地04之间产生了电压差，03液晶层中液晶分子031在分子力的作用发生旋转，有效介电常数发生改变。
通过控制移相器1和移相器2产生的移相量
Figure BDA0003226107750000041
和
Figure BDA0003226107750000042
来改变正交信号振幅比，从而控制信号输出点047矢量信号的相位。
移相量
Figure BDA0003226107750000043
可以根据介电改变量△ε和移相单元长度l计算得出：
Figure BDA0003226107750000044
其中，ε||表示液晶材料介电张量的平行分量，ε⊥表示液晶材料介电张量的垂直分量。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (7)

1.一种液晶移相器，其特征在于，所述液晶移相器为五层结构，从上至下依次为：第一玻璃基底层、第一金属膜层、液晶层、第二金属膜层、第二玻璃基底层；
第一金属膜层上设置有2组移相模块，每组包括2个移相单元；每个移相单元各自连接一条直流偏置线；
第二金属膜层上设置有功分器、共面波导耦合微带结构、共面波导延时线；功分器的输入端作为液晶移相器的输入端；
所述共面波导耦合微带结构包括两条平行的共面波导传输线，两条共面波导传输线分别位于第一金属膜层上2组移相模块下方；
每条共面波导传输线上设有一个端口，端口两边的共面波导传输线部分分别与第一金属膜层上对应位置的移相单元构成移相器；
所述共面波导延时线共有两条，两条共面波导延时线的第一端分别连接共面波导耦合微带结构中的两个端口；两条共面波导延时线的第二端相连，作为液晶移相器的输出端；
输入信号经功分器分成两路振幅相同的相干电磁信号，两路振幅相同的相干电磁信号分别输入两组移相器，然后经共面波导耦合微带结构中的两个端口进入两条共面波导延时线传输；
两条共面波导延时线的长度差使得两路振幅相同的相干电磁信号间形成固定90°相位差，使两路振幅相同的相干电磁信号变成正交信号。
2.根据权利要求1所述的一种液晶移相器，其特征在于，所述第二金属膜层上还设有薄膜电阻，所述薄膜电阻设置于与第一金属膜层上距离功分器较远的2个移相单元下方，并通过上下电磁耦合的形式与这两个移相器相关联。
3.根据权利要求2所述的一种液晶移相器，其特征在于，呈2行2列分布的4个移相单元还包括：上下两个移相单元之间对称，左右两个移相单元之间对称。
4.根据权利要求3所述的一种液晶移相器，其特征在于，所述4个移相单元为蛇形微带线。
5.根据权利要求4所述的一种液晶移相器，其特征在于，直流偏置线为低通滤波器结构。
6.基于矢量正交法的液晶移相器调控方法，其特征在于，基于权利要求1-5任一所述的一种液晶移相器，通过向直流偏置线加载电压，控制相应移相单元的移相量，改变正交信号振幅比，从而控制液晶移相器输出信号的相位。
7.根据权利要求6所述的基于矢量正交法的液晶移相器调控方法，其特征在于，直流偏置线加载电压后，各移相单元的移相量计算式为：
Figure FDA0003685845520000021
其中，l表示移相单元长度，ε||表示液晶材料介电张量的平行分量，ε⊥表示液晶材料介电张量的垂直分量。
CN202110972248.4A 2021-08-24 2021-08-24 基于矢量正交法的液晶移相器及调控方法 Active CN113690554B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110972248.4A CN113690554B (zh) 2021-08-24 2021-08-24 基于矢量正交法的液晶移相器及调控方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110972248.4A CN113690554B (zh) 2021-08-24 2021-08-24 基于矢量正交法的液晶移相器及调控方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113690554A CN113690554A (zh) 2021-11-23
CN113690554B true CN113690554B (zh) 2022-08-02

Family

ID=78581650

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110972248.4A Active CN113690554B (zh) 2021-08-24 2021-08-24 基于矢量正交法的液晶移相器及调控方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113690554B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116799505A (zh) * 2022-03-18 2023-09-22 华为技术有限公司 一种波束扫描反射面天线与天线系统
CN117518676B (zh) * 2024-01-05 2024-03-19 深圳大学 一种高增益的液晶相控阵

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108563050B (zh) * 2018-05-31 2020-10-30 成都天马微电子有限公司 液晶移相器和天线
CN112397893A (zh) * 2019-08-14 2021-02-23 京东方科技集团股份有限公司 馈电结构、微波射频器件及天线
CN111490315B (zh) * 2020-03-03 2021-10-12 南京星腾通信技术有限公司 一种基于液晶和开关的混合移相器及调控方法
CN111740200B (zh) * 2020-07-30 2021-01-26 南京星腾通信技术有限公司 一种基于液晶衬底可连续调相的功分器

Also Published As

Publication number Publication date
CN113690554A (zh) 2021-11-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113690554B (zh) 基于矢量正交法的液晶移相器及调控方法
CN109742556B (zh) 一种宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线
Che et al. Electrically controllable composite right/left-handed leaky-wave antenna using liquid crystals in PCB technology
Zheng et al. Circular sector patch hybrid coupler with an arbitrary coupling coefficient and phase difference
US11870122B2 (en) Liquid crystal phase shifter and antenna
US11764449B2 (en) Metamaterial-based variable capacitor structure
Nefedov et al. On potential applications of metamaterials for the design of broadband phase shifters
US11837796B2 (en) Feeding structure, microwave radio frequency device and antenna
CN113889757B (zh) 一种基于液晶的多重极化可重构贴片天线
CN111817001A (zh) 一种Ka波段基于液晶反射式移相器的1×4平面相控阵
CN112397893A (zh) 馈电结构、微波射频器件及天线
CN201383549Y (zh) 辐射效率高的多波束天线
Gao et al. Multi-mode and reconfigurable phase shifter of spoof surface plasmons
US10511096B2 (en) Low cost dielectric for electrical transmission and antenna using same
WO2019233140A1 (zh) 液晶移相器及电子装置
WO2022170497A1 (zh) 阵列天线模块及其制备方法、相控阵天线系统
CN115632245A (zh) 一种波导结构电磁表面波束扫描阵列
CN102956940B (zh) 基于超材料的微带线
CN113517563A (zh) 一种有源超表面波束扫描结构
CN115995660B (zh) 一种小型化液晶微波移相器
CN114430109B (zh) 液晶极化选择器及其控制方法
WO2023225983A1 (zh) 移相器及电子设备
Zhang et al. High Figure of Merit Liquid Crystal Phase Shifter for Ku-Band
Zhou et al. A broadband reconfigurable bandpass filter based on half-mode substrate integrated waveguide and spoof surface plasmon polarization structure
Du et al. Design of Ultra-Wideband Phase Shifter Based on Liquid Crystal Material

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant