CN116487841A - 一种间隙波导液晶移相器 - Google Patents

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屠磊
孟繁义
刘武君
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Abstract

本发明涉及一种间隙波导液晶移相器，由上到下依次包括上层结构、中间金属层和下层结构；上层结构由上到下依次包括上金属层、上介质板、上玻璃板、金属贴片和液晶层；下层结构由上到下依次包括下玻璃板、下介质板和下金属层；上介质板设置有多个上金属过孔，下介质板设置有多个下金属过孔；多个上金属过孔形成间隙波导型腔体，中间金属层设有两个缝隙结构。本发明当在金属贴片和中间金属层之间施加驱动电压时，液晶分子指向发生偏转，当液晶分子达到满偏状态时，传输相位变化达到最大值，最终实现连续可调液晶移相器，解决了传统液晶移相器在微波段损耗较大，且需要一定传输线长度来达到相应的移相能力的问题。

Description

一种间隙波导液晶移相器
技术领域
本发明涉及移相器技术领域，尤其涉及一种间隙波导液晶移相器。
背景技术
目前，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。目前常用移相器种类为PIN型移相器、半导体移相器、铁氧体移相器及液晶移相器。PIN型移相器通常只能工作在微波低频段(X波段以下)，且承受功率容量较小，不能连续移相，使其应用场景受到较大限制。半导体移相器在毫米波段损耗大、成本高，极大限制了在大规模相控阵中的应用。铁氧体移相器因其体积大、工作频段低、难以集成而无法广泛使用。
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。相比于上述其他移相器，液晶移相器具有连续调谐、线性度高、体积小、质量轻等显著优势。
然而现有的液晶移相器一般基于传统微带传输线半开放结构，在微波段损耗较大，且需要一定传输线长度来达到相应的移相能力，严重限制了其实际应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提出一种间隙波导液晶移相器，当在金属贴片和中间金属层之间施加驱动电压时，液晶分子指向发生偏转，当液晶分子达到满偏状态时，传输相位变化达到最大值，最终实现连续可调液晶移相器，解决了传统液晶移相器在微波段损耗较大，且需要一定传输线长度来达到相应的移相能力的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：
一种间隙波导液晶移相器，由上到下依次包括上层结构、中间金属层和下层结构；所述上层结构由上到下依次包括上金属层、上介质板、上玻璃板、金属贴片和液晶层；所述下层结构由上到下依次包括下玻璃板、下介质板和下金属层；
所述上介质板设置有多个上金属过孔，所述下介质板设置有多个所述下金属过孔；多个所述上金属过孔形成间隙波导型腔体，所述中间金属层设有两个缝隙结构，所述缝隙结构用于上下层电磁能量的耦合；多个所述下金属过孔形成一对背靠背的间隙波导。
可选的，多个所述上金属过孔环绕设置以构成间隙波导型腔体。
可选的，所述下介质板的前后两侧沿所述下介质板的长度方向均匀排布有两行所述下金属过孔；所述下介质板的中心沿所述下介质板的宽边方向均匀排布有两排所述下金属过孔，多个所述下金属过孔形成所述一对背靠背的间隙波导。
可选的，所述金属贴片设有两个，两个所述金属贴片分别位于所述缝隙结构的正上方。
可选的，两个所述缝隙结构靠近两个所述间隙波导的短路终端。
可选的，所述上金属过孔的直径与所述下金属过孔的直径相同；
相邻两个所述上金属过孔的间距与相邻两个所述下金属过孔的间距相同；
所述上金属过孔与所述上介质板的边缘的间距与所述下金属过孔与所述下介质板的边缘的间距相同。
可选的，所述上金属过孔和所述下金属过孔的高度均为h1＝0.25λg，λg为工作中心频率对应的介质波长。
可选的，所述液晶层的液晶分子介电参数为：εr，⊥＝2.24、εr，//＝3.22、tanδ⊥＝0.06、tanδ//＝0.004。
可选的，所述上玻璃板和所述下玻璃板的介电常数均为4.7。
与现有技术相比，本发明的实施例具有以下有益效果：
1.当在金属贴片和中间金属层之间施加驱动电压时，液晶分子指向发生偏转，当液晶分子达到满偏状态时，传输相位变化达到最大值，最终实现连续可调液晶移相器，解决了传统液晶移相器在微波段损耗较大，且需要一定传输线长度来达到相应的移相能力的问题；
2.电磁波从下层结构的左侧的间隙波导开始传输，经由左端的缝隙结构和两个间隙波导之间的短路终端的反射，将电磁波耦合至上层结构的间隙波导腔体上，沿着间隙波导型腔体传输至右端的缝隙结构，电磁波再次耦合至间隙波导型腔体结构的间隙波导腔体到达输出端口。金属贴片联合液晶层可以起到对电磁波传输的扰动作用。当在金属贴片和中间金属层之间施加驱动电压时，位于液晶层的液晶分子指向发生偏转，且随着驱动电压值的变化，液晶分子的偏转角可连续变化，从而使液晶材料的介电常数发生连续变化，这种变化使得金属贴片和其相对的中间金属层构成的电容发生连续变化，对电磁波的传播起到连续的扰动作用。这种连续的扰动会导致在上下两层之间传输的电磁波相位发生改变，且随着施加的驱动电压值连续变化，传输电磁波的相位也会连续变化，当液晶分子达到满偏状态时，传输相位变化达到最大值，最终实现连续可调液晶移相器。
附图说明
图1是本发明其中一实施例间隙波导液晶移相器的爆炸图；
图2是本发明其中一实施例间隙波导液晶移相器的剖视图；
图3是本发明其中一实施例上介质板和上金属过孔的示意图；
图4是本发明其中一实施例下介质板和下金属过孔的示意图；
其中，1、上层结构；11、上金属层；12、上介质板；13、上金属过孔；14、上玻璃板；15、金属贴片；16、液晶层；2、中间金属层；21、缝隙结构；3、下层结构；31、下玻璃板；32、下介质板；33、下金属过孔；34、下金属层。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，用于区别描述特征，无顺序之分，无轻重之分。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合图1至图4，描述本发明实施例的一种间隙波导液晶移相器。
一种间隙波导液晶移相器，由上到下依次包括上层结构1、中间金属层2和下层结构3；所述上层结构1由上到下依次包括上金属层11、上介质板12、上玻璃板14、金属贴片15和液晶层16；所述下层结构3由上到下依次包括下玻璃板31、下介质板32和下金属层34；
所述上介质板12设置有多个上金属过孔13，所述下介质板32设置有多个所述下金属过孔33；多个所述上金属过孔13形成间隙波导型腔体，所述中间金属层2设有两个缝隙结构21，所述缝隙结构21用于上下层电磁能量的耦合；多个所述下金属过孔33形成一对背靠背的间隙波导。
本方案的一种间隙波导液晶移相器的工作过程如下：电磁波从下层结构3的左侧的间隙波导开始传输，经由左端的缝隙结构21和两个间隙波导之间的短路终端的反射，将电磁波耦合至上层结构1的间隙波导腔体上，沿着间隙波导型腔体传输至右端的缝隙结构21，电磁波再次耦合至间隙波导型腔体结构的间隙波导腔体到达输出端口。
值得说明的是，金属贴片15联合液晶层16可以起到对电磁波传输的扰动作用。当在金属贴片15和中间金属层2之间施加驱动电压时，位于液晶层16的液晶分子指向发生偏转，且随着驱动电压值的变化，液晶分子的偏转角可连续变化，从而使液晶材料的介电常数发生连续变化，这种变化使得金属贴片15和其相对的中间金属层2构成的电容发生连续变化，对电磁波的传播起到连续的扰动作用。
这种连续的扰动会导致在上下两层之间传输的电磁波相位发生改变，且随着施加的驱动电压值连续变化，传输电磁波的相位也会连续变化，当液晶分子达到满偏状态时，传输相位变化达到最大值，最终实现连续可调液晶移相器，解决了传统液晶移相器在微波段损耗较大，且需要一定传输线长度来达到相应的移相能力的问题。
多个所述上金属过孔13环绕设置以构成间隙波导型腔体。
在上介质板12上设置有间隙波导型腔体，使得电磁波可以在缝隙结构21和短路终端的反射下耦合到间隙波导型腔体上，而且电磁波可以沿着间隙波导型腔体输送到另一个缝隙结构21中。
所述下介质板32的前后两侧沿所述下介质板32的长度方向均匀排布有两行所述下金属过孔33；所述下介质板32的中心沿所述下介质板32的宽边方向均匀排布有两排所述下金属过孔33，多个所述下金属过孔33形成所述一对背靠背的间隙波导。
其中下介质板32的两个间隙波导背靠背设置，使得两个间隙波导的中间形成短路终端，此时电磁波可以在电路终端的反射下，耦合到间隙波导型腔体上。
所述金属贴片15设有两个，两个所述金属贴片15分别位于所述缝隙结构21的正上方。
金属贴片15长为l4，宽为w4，金属贴片15加工在上玻璃板14下表面，而且两个金属贴片15分别位于两个缝隙结构21的正上方。金属贴片15可以和中间金属层2一起调控液晶层16，使得液晶分子的偏转角可连续变化。
两个所述缝隙结构21靠近两个所述间隙波导的短路终端。
缝隙结构21长为l3，宽为w3，间距为d，位于中间金属层2，而且缝隙结构21靠近两个间隙波导的短路终端，该缝隙结构21可以用于上下层电磁能量的耦合。
所述上金属过孔13的直径与所述下金属过孔33的直径相同；
相邻两个所述上金属过孔13的间距与相邻两个所述下金属过孔33的间距相同；
所述上金属过孔13与所述上介质板12的边缘的间距与所述下金属过孔33与所述下介质板32的边缘的间距相同。
优选的，所有金属过孔直径0.2mm，过孔中间间距0.4mm。一方面减小了加工的复杂度，另一方面金属过孔的直径和间距对于电磁波泄漏的抑制存在最优解，上下参数保持一致能够最大程度减小电磁波泄漏，提高传输效率。
所述上金属过孔13和所述下金属过孔33的高度均为h1＝0.25λg，λg为工作中心频率对应的介质波长。所述液晶层16的液晶分子介电参数为：εr，⊥＝2.24、εr，//＝3.22、tanδ⊥＝0.06、tanδ//＝0.004。所述上玻璃板14和所述下玻璃板31的介电常数均为4.7。
优选的，一款工作于25-30GHz范围内的可调间隙波导液晶移相器的具体结构参数为h1＝1.5mm、h2＝0.5mm、h3＝0.008mm、t＝0.003mm、l1＝12mm、w1＝5.2mm、w2＝0.5mm、l2＝3.8mm、l3＝2.4mm、w3＝0.15mm、l4＝0.3mm、w4＝0.4mm、d＝1.4mm。此外，介质板材料为Rogers RO3003，上玻璃板14和下玻璃板31的介电常数为4.7，损耗角正切为0.0048，液晶材料介电参数为：εr，⊥＝2.24，εr，//＝3.22，tanδ⊥＝0.06，tanδ//＝0.004。
采用上述具体结构参数制备的可调间隙波导液晶移相器，对于液晶分子水平和配向两种状态，在25-30GHz的工作频带范围内最大可调相移量大于70°。
根据本发明实施例的一种间隙波导液晶移相器的其他构成等以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种间隙波导液晶移相器，其特征在于，由上到下依次包括上层结构、中间金属层和下层结构；所述上层结构由上到下依次包括上金属层、上介质板、上玻璃板、金属贴片和液晶层；所述下层结构由上到下依次包括下玻璃板、下介质板和下金属层；
所述上介质板设置有多个上金属过孔，所述下介质板设置有多个下金属过孔；多个所述上金属过孔形成间隙波导型腔体，所述中间金属层设有两个缝隙结构，所述缝隙结构用于上下层电磁能量的耦合；多个所述下金属过孔形成一对背靠背的间隙波导。
2.根据权利要求1所述的一种间隙波导液晶移相器，其特征在于，多个所述上金属过孔环绕设置以构成间隙波导型腔体。
3.根据权利要求1所述的一种间隙波导液晶移相器，其特征在于，所述下介质板的前后两侧沿所述下介质板的长度方向均匀排布有两行所述下金属过孔；所述下介质板的中心沿所述下介质板的宽边方向均匀排布有两排所述下金属过孔，多个所述下金属过孔形成所述一对背靠背的间隙波导。
4.根据权利要求1所述的一种间隙波导液晶移相器，其特征在于，所述金属贴片设有两个，两个所述金属贴片分别位于所述缝隙结构的正上方。
5.根据权利要求1所述的一种间隙波导液晶移相器，其特征在于，两个所述缝隙结构靠近两个所述间隙波导的短路终端。
6.根据权利要求1所述的一种间隙波导液晶移相器，其特征在于，所述上金属过孔的直径与所述下金属过孔的直径相同；
相邻两个所述上金属过孔的间距与相邻两个所述下金属过孔的间距相同；
所述上金属过孔与所述上介质板的边缘的间距与所述下金属过孔与所述下介质板的边缘的间距相同。
7.根据权利要求1所述的一种间隙波导液晶移相器，其特征在于，所述上金属过孔和所述下金属过孔的高度均为h1＝0.25λg，λg为工作中心频率对应的介质波长。
8.根据权利要求1所述的一种间隙波导液晶移相器，其特征在于，所述液晶层的液晶分子介电参数为：εr，⊥＝2.24、εr，//＝3.22、tanδ⊥＝0.06、tanδ//＝0.004。
9.根据权利要求1所述的一种间隙波导液晶移相器，其特征在于，所述上玻璃板和所述下玻璃板的介电常数均为4.7。
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