CN113809491B

CN113809491B - 枝节加载的快速响应型电调谐液晶移相器

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Publication number: CN113809491B
Application number: CN202110993467.0A
Authority: CN
Inventors: 苏治国; 王其鹏; 殷弋帆
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-08-27
Filing date: 2021-08-27
Publication date: 2023-02-14
Anticipated expiration: 2041-08-27
Also published as: CN113809491A

Abstract

本发明提供了一种枝节加载的快速响应型电调谐液晶移相器，包括第一介质基材、液晶基材及第二介质基材，所述的第一介质基材、液晶基材和第二介质基材依次叠合在一起；所述的第一介质基材的下表面设置有上导体层，所述的第二介质基材的上表面设置有下导体层。该液晶移相器具有品质因数高、偏置线阻抗高、工艺上易于实现、可量产、损耗低、便于小型化、和阵列集成等特点。

Description

枝节加载的快速响应型电调谐液晶移相器

技术领域

本发明涉及移相器领域，具体是一种枝节加载的快速响应型电调谐液晶移相器。

背景技术

随着现代无线通信系统的发展，移相器作为相控阵天线重要的组成部分，正朝着小型化，低成本，低损耗，高集成度等方向快速发展。

液晶材料由于其具有介电特性电可调，价格便宜等优势被广泛应用于移相器及天线阵列的设计。相较于MEMS,PIN二极管等开关型移相器，液晶移相器通常具有低成本，相位连续可调，易于集成等优势。因而，设计高性能的液晶移相器逐渐成为近年来的研究热点之一。

液晶移相器的响应时间与液晶厚度的平方成正比，因此通常情况下，低于5um的液晶厚度（电极之间的距离）是液晶移相器实现毫秒量级快速响应的重要保障。目前，已报道的快速响应型液晶移相器主要通过加载线（Load Line）的方式实现，按其传输线拓扑可分为：共面波导（CPW）型移相器和微带线型移相器等。

其中，CPW型移相器的现有方案主要包括两种：（1）在CPW上方加载金属桥，并通过金属通孔连接金属桥与CPW两侧接地板，在CPW与上层金属桥之间灌充液晶后，分别给CPW中心导体和两侧接地板施加不同电压，获得连续可调的相移；（2）在CPW上方加载悬浮电极结构，CPW和悬浮电极之间灌充液晶，通过10um线宽的氧化铟锡(ITO)金属线连接CPW中心导体和两侧接地板，并用同等线宽的偏置线为上方悬浮电极和下层CPW提供偏置电压，从而制备电可调移相器；尽管上述方案均可实现约60°/dB的品质因数（FoM），但在液晶中实现金属通孔工艺难度大，无法量产；另外10um线宽的ITO金属线易断，使得移相器的成品率大大降低，这种偏置引入方式还容易造成信号的泄露。

此外，微带线型移相器采用末端耦合的方式保证电磁波的稳定传输，可实现30°/dB左右的FoM；然而，该结构除去用于接收外加直流电压的偏置线外，还需额外引入偏置线将同层的金属导体进行连接；为降低金属损耗，用于连接同层金属导体的偏置线只能置于移相结构外侧，大大增加了移相器的物理尺寸，无法实现结构的小型化。与此同时，该移相器相对较低的FoM无法满足通信系统低损耗的设计目标。因此，设计具有高品质因数、小型化，易于加工的液晶移相器具有重要的现实应用价值。

发明内容

本发明为了解决现有的问题，提供了一种枝节加载的快速响应型电调谐液晶移相器，目的是不使用金属通孔和ITO窄偏置线，实现具有高品质因数、高偏置线阻抗、易于加工的小型化电调谐液晶移相器。

本发明所述的一种枝节加载的快速响应型电调谐液晶移相器，包括第一介质基材、液晶基材及第二介质基材，所述的第一介质基材、液晶基材和第二介质基材依次叠合在一起。

所述的第一介质基材的下表面设置有上导体层，所述的上导体层包括中心导体、左边共面波导、右边共面波导、馈电焊盘和偏置线；

所述的左边共面波导由第一导带与以第一导带为中心对称设置在第一导带两侧的第一接地板组成；

所述的右边共面波导由第二导带与以第二导带为中心对称设置在第二导带两侧的第二接地板组成；

所述的中心导体位于所述左边共面波导和所述右边共面波导之间，且与所述左边共面波导的第一导带和所述右边共面波导的第二导带相连；

所述的馈电焊盘位于第一介质基材的右侧下方边缘处，且通过偏置线与中心导体相连接；所述的左边共面波导与右边共面波导的结构相同，所述左边共面波导的第一接地板逐渐张开，从而实现左边共面波导的第一接地板与左边共面波导的第一导带之间的缝隙逐渐变大，以保证阻抗的平滑过渡。

所述的第二介质基材的上表面设置有下导体层，所述的下导体层包括第三接地板、第四接地板，所述第三接地板与所述第四接地板之间存在缝隙且不相连；所述的第三接地板上沿着偏置线垂直投影处蚀刻槽缝，沿着槽缝设有数个第一接地等位线且跨越槽缝；跨越缝隙且靠近槽缝的位置处设有第二接地等位线，所述的第二接地等位线与第三接地板和第四接地板相连；

所述第三接地板靠近缝隙的边缘上设有多个上枝节，所述第二接地板靠近缝隙的边缘上设有多个下枝节，且上枝节与下枝节交错分布。

所述的槽缝的宽度大于偏置线的宽度，使偏置线与导体层所构成传输线的阻抗值增大，防止中心导体中射频信号进入偏置线。

所述的中心导体与左边共面波导的第一导带和右边共面波导的第二导带可直接相连，也可以宽度渐变相连。

所述的左边共面波导的第一接地板按指数分布或线性分布逐渐远离中心导体。

在靠近所述左边共面波导和所述右边共面波导的位置，所述上枝节和下枝节以间距或长度渐变的方式保证所述移相器的阻抗匹配。

所述的上导体层与下导体层叠合时，所述的中心导体分别与上枝节和下枝节部分重叠。

所述中心导体与上枝节、下枝节在下导体层的正投影存在部分重叠。

所述上枝节和下枝节的形状为矩形、三角形、梯形或其他任意多边形，且所述上枝节和下枝节形状相同或不同，但两者之间不能连接。

枝节加载的快速响应型电调谐液晶移相器采用CPW端口进行馈电，通过渐变张开CPW扩口地和长度渐变或距离渐变的交替枝节，实现CPW与异面波导（OCPW）之间的阻抗匹配过渡；因为液晶基材厚度可薄至几微米，所以当外加直流电压通过偏置线作用于中心导体和OCPW两侧的接地板上时，中心导体与枝节上下重叠部分，液晶的介电常数将在毫秒量级的时间内变化，从而快速改变电磁波传输的相位，产生差分相移。此外，为防止电磁波信号进入偏置线引起信号的泄露，减小偏置线的线宽，同时增大偏置线正投影下方的槽缝宽度，可用于提高偏置线与导体层所构成传输线的阻抗值，这种复合方法可以降低对偏置线过窄线宽的要求，从而提高工艺稳定性。

枝节交错加载，结构布局合理，更易于电磁波的传播，因此所提出移相器的损耗较低，品质因数较高；移相器中设置多个接地等位线保证同层电极电位相等，而整体尺寸未增大，易于结构的小型化。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

所以该液晶移相器具有品质因数高、偏置线阻抗高、工艺上易于实现、可量产、损耗低、便于小型化、和阵列集成等特点。

附图说明

图1为本发明的三维结构示意图；

图2为本发明的第一介质基材下表面的导体层结构示意图；

图3为本发明的第二介质基材上表面的导体层结构示意图；

图4为本发明的上、下导体层层叠示意图；

图5为本发明所提出的液晶移相器不同介电常数下的反射系数（S11）的试验仿真结果图;

图6为本发明所提出的液晶移相器不同介电常数下的传输系数（S21）的试验仿真结果图;

图7为本发明所提出的液晶移相器的移相角度和FoM的试验仿真结果图。

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。

如图1-4所示，本发明公开了一种枝节加载的快速响应型电调谐液晶移相器，所述移相器包括第一介质基材1、液晶基材2及第二介质基材3；

第一介质基材1的下表面设置有上导体层14，上导体层14包括中心导体10、左边共面波导11、右边共面波导12、馈电焊盘13和偏置线130；

左边共面波导11由第一导带111与以第一导带111为中心对称设置在第一导带111两侧的第一接地板112组成；

右边共面波导12由第二导带121与以第二导带121为中心对称设置在第二导带121两侧的第二接地板122组成；

中心导体10位于所述左边共面波导11和所述右边共面波导12之间，且与所述左边共面波导11的第一导带111和所述右边共面波导12的第二导带121相连；

馈电焊盘13位于第一介质基材1的右侧下方边缘处，且通过偏置线130与中心导体10相连接；所述的左边共面波导11与右边共面波导12的结构相同，左边共面波导11的第一接地板112逐渐张开，从而实现左边共面波导的第一接地板112与左边共面波导的第一导带111之间的缝隙逐渐变大，以保证阻抗的平滑过渡；同样的，右边共面波导12的第二接地板122逐渐张开，从而实现右边共面波导12的第二接地板122与右边共面波导12的第二导带121之间的缝隙逐渐变大，以保证阻抗的平滑过渡；

第二介质基材3的上表面设置有下导体层30，该下导体层30包括第三接地板31、第四接地板32，所述第三接地板31与所述第四接地板32之间存在缝隙33且不相连；所述的第三接地板31上沿着偏置线垂直投影处蚀刻槽缝311，沿着槽缝311设有数个第一接地等位线34，且跨越槽缝311，以保持槽缝311两边的第三接地板31的电位相等，同时抑制不需要的模式；

位于缝隙33内，跨越缝隙33且靠近槽缝311的位置处设有第二接地等位线35，第二接地等位线34与第三接地板31和第四接地板32相连，用于保持第三接地板31和第四接地板32的电位相等；

第三接地板31靠近缝隙33的边缘上、朝着缝隙的方向设有多个上枝节312，同样的第四接地板32靠近缝隙33的边缘上、朝着缝隙的方向设有多个下枝节321，且上枝节312与下枝节321交错分布。

将第一介质基材1、液晶基材2和第二介质基材3这三个介质基材从上而下依次叠合在一起。

槽缝311宽度应大于偏置线130的宽度，使偏置线130与下导体层30所构成传输线的阻抗值增大，防止中心导体10中射频信号进入偏置线130。

中心导体10与左边共面波导的第一导带和右边共面波导的第二导带可直接相连，也可以宽度渐变相连。

左边共面波导的第一接地板112可按指数分布或线性分布逐渐远离中心导体10。

上枝节312、下枝节321与中心导体10在下导体层30的正投影具有一定大小的重叠。

在靠近左边共面波导和右边共面波导的位置，上枝节和下枝节，以渐变的方式保证所述移相器的阻抗匹配；

具体为：在靠近左边共面波导11的位置，上枝节312和下枝节321的长度从左向右依次渐变增加，或上枝节312和下枝节321之间的距离从左向右依次渐变减小；在靠近右边共面波导12的位置，上枝节312和下枝节321的长度从右向左依次渐变增加，或上枝节312和下枝节321之间的距离从右向左依次渐变减小，以保证所述移相器的阻抗匹配。

上枝节312和下枝节321，可以是矩形、三角形、梯形或其他任意多边形，上枝节312和下枝节321的形状可以不同，但不能连接；当枝节形状不同时，设计灵活性变强，性能会有一定程度的提升。

根据液晶层的厚度和其介电常数、当系统对移相器的阻抗要求较低时，缝隙33的宽度可以小于中心导体10的宽度。

上枝节312和下枝节321之间的距离可以是周期的，也可以是非周期的。

中心导体10在与上枝节312、下枝节321垂直投影重叠的部分，中心导体10的线宽可以宽于非重叠部分；中心导体10在与上枝节312和下枝节321的垂直投影重叠的部分，与非重叠部分可直接相连，也可以宽度渐变相连。

基于OCPW的移相部分（中心导体10与加载枝节的第三接地板31和第四接地板32构成的部分）可以是直线形、弯折形、螺旋形等其他任意以所述直线形为基础的形状。

枝节加载的快速响应型电调谐液晶移相器采用CPW端口进行馈电，通过渐变张开CPW扩口地和长度渐变或距离渐变的交替枝节，实现CPW与OCPW之间的阻抗匹配过渡；因为液晶基材厚度可薄至几微米，所以当外加直流电压通过偏置线作用于中心导体和OCPW两侧的接地板上时，中心导体与枝节上下重叠部分，液晶的介电常数将在毫秒量级的时间内变化，从而快速改变电磁波传输的相位，产生差分相移。

此外，为防止电磁波信号进入偏置线引起信号的泄露，减小偏置线的线宽，同时增大偏置线正投影下方的槽缝宽度，提高偏置线与导体层所构成传输线的阻抗值；这种复合方法可以降低对偏置线过窄线宽的要求，从而提高工艺稳定性。

本发明中金属材料选择为铜，铜的厚度为0.005mm，为防止裸露在空气中的铜氧化，一般需在其上镀一层约0.02um厚度的金。

第一介质基材1和第二介质基材3选用硼硅玻璃，其相关电气参数为介电常数ε _r=4.6，损耗角正切tanδ=0.01，第一介质基材1和第二介质基材3的厚度均为0.5mm。

液晶基材2的相关电气参数为介电常数变化范围2.7≤ε _r≤3.8，损耗角正切变化范围0.0121≤tanδ≤0.0050，厚度为4um。

实际加工时，需在第一介质基材1和第二介质基材3之间，液晶基材2的四周设置边框，并留有灌晶口；边框材质为环氧树脂（Epoxy），其相关电气参数为介电常数ε _r=3.82，损耗角正切tanδ=0.01，膨胀系数约为2.6~3。

此外，为提高液晶分子的定向能力，一般需要在下导体层30上方覆盖一层约0.01um厚度的聚酰亚胺（PI），并在其上摩擦产生沟槽，使得液晶分子沿沟槽有序排列。

图5、6为所述移相器的S参数图：

由图5可知，当介电常数变化时，反射系数在12-16 GHz范围内均保持在-13dB以下，表明所述移相器阻抗匹配能力强，工作带宽较宽。

由图6可知，随着介电常数的增大，所述移相器的插入损耗增大，但基本维持在-4.5 dB以上，表明所述移相器的损耗较低。

图7为所述移相器的移相角度和FoM，由图7可知，在14.125GHz处，所述移相器实现了高于360°的移相和近100°/dB的FoM。

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

1.一种枝节加载的快速响应型电调谐液晶移相器，其特征在于：包括第一介质基材（1）、液晶基材（2）及第二介质基材（3），所述的第一介质基材（1）、液晶基材（2）和第二介质基材（3）依次叠合在一起；

所述的第一介质基材（1）的下表面设置有上导体层（14），所述的上导体层（14）包括中心导体（10）、左边共面波导（11）、右边共面波导（12）、馈电焊盘（13）和偏置线（130）；

所述的左边共面波导（11）由第一导带（111）与以第一导带为中心对称设置在第一导带两侧的第一接地板（112）组成；

所述的右边共面波导（12）由第二导带（121）与以第二导带为中心对称设置在第二导带两侧的第二接地板（122）组成；

所述的中心导体（10）位于所述左边共面波导（11）和所述右边共面波导（12）之间，且与所述左边共面波导（11）的第一导带（111）和所述右边共面波导（12）的第二导带（121）相连；

所述的馈电焊盘（13）位于第一介质基材（1）的右侧下方边缘处，且通过偏置线（130）与中心导体（10）相连接；所述的左边共面波导（11）与右边共面波导（12）的结构相同，所述左边共面波导（11）的第一接地板（112）逐渐张开，从而实现左边共面波导的第一接地板（112）与左边共面波导的第一导带（111）之间的缝隙逐渐变大；

所述的第二介质基材（3）的上表面设置有下导体层（30），所述的下导体层（30）包括第三接地板（31）、第四接地板（32），所述第三接地板（31）与所述第四接地板（32）之间存在缝隙（33）；所述的第三接地板（31）上沿着偏置线（130）垂直投影处蚀刻槽缝（311），沿着槽缝（311）设有数个第一接地等位线（34）且跨越槽缝（311）；跨越缝隙（33）且靠近槽缝（311）的位置处设有第二接地等位线（35），所述的第二接地等位线（35）与第三接地板（31）和第四接地板（32）相连；

所述第三接地板（31）靠近缝隙（33）的边缘上设有多个上枝节（312），所述第四接地板（32）靠近缝隙（33）的边缘上设有多个下枝节（321），且上枝节（312）与下枝节（321）交错分布，上枝节（312）和下枝节（321）的形状相同或不同，但不能连接；

所述的上导体层（14）与下导体层（30）叠合时，所述的中心导体（10）分别与上枝节（312）和下枝节（321）部分重叠；

所述中心导体（10）与上枝节（312）、下枝节（321）在下导体层（30）的正投影存在部分重叠。

2.根据权利要求1所述的枝节加载的快速响应型电调谐液晶移相器，其特征在于：所述的槽缝（311）的宽度大于偏置线（130）的宽度。

3.根据权利要求2所述的枝节加载的快速响应型电调谐液晶移相器，其特征在于：所述的中心导体（10）与左边共面波导的第一导带（111）和右边共面波导的第二导带（121）直接相连或以宽度渐变相连。

4.根据权利要求3所述的枝节加载的快速响应型电调谐液晶移相器，其特征在于：所述的左边共面波导的第一接地板（112）按指数分布或线性分布逐渐远离中心导体（10）。

5.根据权利要求4所述的枝节加载的快速响应型电调谐液晶移相器，其特征在于：在靠近所述左边共面波导（11）和所述右边共面波导（12）的位置，所述上枝节（312）和下枝节（321）的间距或长度渐变。

6.根据权利要求5所述的枝节加载的快速响应型电调谐液晶移相器，其特征在于：所述上枝节（312）和下枝节（321）的形状为矩形、三角形、梯形或其他任意多边形。