CN116544635A - 一种液晶移相器、液晶天线和移相方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液晶移相器和移相方法，其中液晶移相器包括：依次设置的第一电极层、液晶层和第二电极层；所述第一电极层包括主传输线和与主传输线连接的传输线枝节；所述第二电极层上设置有与传输线枝节相对应的互补开口谐振环；所述传输线枝节在所述第二电极层上的投影与所述互补开口谐振环的开口位置处相交。本发明在利用液晶分子加压偏转的特性实现移相的同时结合左手传输线结构能够实现液晶移相器的低色散效果，甚至可实现负色散效果。
Description
技术领域
本发明涉及通信的技术领域，尤其涉及一种液晶移相器、液晶天线和移相方法。
背景技术
移相器是能够对波的相位进行调整的装置，在通信、仪器仪表等领域有着广泛的应用，目前应用较广泛的移相器是液晶移相器，目前的液晶移相器主要有两种类型，一种是基于微带传输线的液晶移相器，另一种是基于共面传输线的液晶移相器。
现有液晶移相器仍存在因液晶层厚度大导致损耗较大、响应时间久、工作带宽窄以及色散严重等技术缺陷。虽然设计人员通过采用蛇形绕线、差分线、分形枝节等结构形式在降低移相器损耗、减小相应时间以及拓展工作带宽等方面取得了一定进展，但是现有液晶移相器均是通过基于液晶分子偏转改变移相器电容或电感值的工作原理而实现的，而这种单纯依靠增加电容来实现移相的技术方案势必会引入色散问题，且随着移相量的增加色散问题也会越加严重，同时高色散问题对移相器的使用限制较大，特别是对宽频带系统中的使用限制更大，因此通过增加电容值所引入的频率色散问题亟待有效解决。
现有非液晶移相器在其多层结构上是通过绕线、打孔、跳线、阻容件加载等形式实现低色散控制，可以在工作带宽内实现稳定移相量。而液晶移相器虽然在成本、功耗等方面具有明显优势，但支撑玻璃无法实现金属化过孔、多层液晶实现工艺复杂、液晶表面无法直接焊接阻容件等工艺难题依然限制着液晶移相器性能的提升，特别是现有低色散技术无法直接应用于液晶移相器的设计。由于现有液晶移相器中传输线设计所采用的绕线或容性/感性加载技术，致使移相量随频率增高而加大，在宽带通信系统中，现有液晶移相器技术难以抑制色散问题，因此急需研发一种液晶移相器以解决上述技术问题。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是提供一种液晶移相器，为解决现有液晶移相器存在的高色散问题，通过结合左手传输线的工作原理，能够有效解决液晶移相器的高色散问题，且还可以提升液晶移相器的频率一致性，进一步拓展液晶移相器的使用范围。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种液晶移相器，包括：依次设置的第一电极层、液晶层和第二电极层；所述第一电极层包括主传输线和与主传输线连接的传输线枝节；所述第二电极层上设置有与传输线枝节相对应的互补开口谐振环；所述传输线枝节在所述第二电极层上的投影与所述互补开口谐振环的开口位置处相交。
通过采用上述技术方案，通过给主传输线施加电压，主传输线将电压传输至与其连接的传输线枝节上，由于传输线枝节在第二电极层上的投影与互补开口谐振环相交，因此传输线枝节会给互补开口谐振环内提供一个垂直入射随时间变化的电磁场，继而可以形成左手传输线结构并有效抑制移相器的高色散问题，左手传输线结构能够使传输线枝节下方的液晶分子在第二电极层刻蚀有互补开口谐振环的开缝处不发生偏转，从而实现进一步提升移相器带宽的技术效果。
优选的是，所述第一电极层远离所述液晶层的一侧设置有第一基板；所述第二电极层远离所述液晶层的一侧设置有第二基板。
通过采用上述技术方案，第一基板和第二基板的设置可以给第一电极层和第二电极层提供衬底。
优选的是，所述第二电极层包括金属地板层；所述金属地板层沉积于所述第二基板上；所述互补开口谐振环刻蚀于金属地板层上。
通过采用上述技术方案，金属地板层既有导电的特性又可以起到支撑强度的作用。
优选的是，所述互补开口谐振环设置有多组，均布且对称设置于所述主传输线的两侧；所述传输线枝节在所述金属地板层上的投影相交于所述主传输线两侧的互补开口谐振环的开口位置处。
通过采用上述技术方案，互补开口谐振环均布于主传输线的两侧可以最大限度的利用金属地板层的空间，传输线枝节与金属地板层上的互补开口谐振环交叉放置，可以提升空间利用率。
优选的是，所述互补开口谐振环包括两个同心设置的内环和外环，所述内环和外环的开口位置相反。
通过采用上述技术方案，通过两个开口设置的内环和外环互相反向放置,可以有效地提高磁导率。
优选的是，所述内环和外环设置为方环结构。
通过采用上述技术方案，方环结构的内环和外环便于在金属地板层进行刻蚀。
优选的是，所述主传输线上连接有偏置线。
通过采用上述技术方案，通过偏置线可以给主传输线加电，同时隔离加电电极上的射频信号串扰和泄露。
优选的是，所述第一基板和第二基板均采用玻璃基板。
通过采用上述技术方案，采用玻璃基板具有较低的介电常数和介电损耗，介质损耗越小，可以进一步提升液晶移相器在超高频段应用的性能。
根据本发明的第二方面，提供了一种液晶天线，包括所述的液晶移相器。
通过采用上述技术方案，将液晶移相器应用到液晶天线上，使得液晶天线具有较好的低功耗、传输效率快且工作带宽内实现稳定移相量的效果。
根据本发明的第三方面，提供了一种移相方法，使用所述的液晶移相器或所述的液晶天线进行移相。
本发明的上述优选技术方案通过改变两个电极之间的电压差实现对液晶分子偏角控制，进而实现液晶等效节点常数调节，通过改变主传输线与第二电极层之间的电容值，进而实现相位调节。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：本发明通过技术融合将现有左手传输线应用于液晶移相器结构，在利用液晶分子加压偏转的特性实现移相的同时结合左手传输线结构能够实现液晶移相器的低色散效果，甚至能够实现负色散效果，同时能够实现液晶移相器的小型化，拓展液晶移相器的带宽，进一步扩展液晶移相器的应用空间。
附图说明
图1是本发明一优选实施例的结构示意图；
图2是本发明图1所示实施例的竖向截面示意图。
附图标记：
1、第一基板；2、第二基板；3、第一电极层；31、主传输线；32、传输线枝节；33、偏置线；4、液晶层；5、第二电极层；51、金属地板层；6、互补开口谐振环；61、外环；62、内环。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。
第一实施方式：
如图1、2所示，本实施方式提供了一种液晶移相器，包括第一基板1和第二基板2，第一基板1和第二基板2使用材质包括但不限于玻璃材质平板、石英材质平板、陶瓷片、硅基晶圆片、PCB板材和其他高分子材料的板材例如PET、PI、LCP板等，还可以采用一些前沿柔性产品的电极基板衬底，例如PET、PMMA、PI和柔性玻璃等卷料基板，在本发明中以选用玻璃材质为例进行说明。第一基板1与第二基板2之间依次设置有第一电极层3、液晶层4和第二电极层5，通过给第一电极层3和第二电极层5施加电压，液晶层4内的液晶分子在电压的驱动下进行偏转，由此可以改变液晶介电常数，液晶介电常数的改变从而改变了第一电极层3和第二电极层5之间介质状态，进而改变了第一电极层3和第二电极层5之间的电容值，继而实现相位调节。
可选的，第一电极层3包括主传输线31，主传输线31刻蚀在第一基板1与液晶层4接触的一面上。第二电极层5包括金属地板层51，金属地板层51沉积于第二基板2上，金属地板层51上相对的两侧分别与液晶层4和第二基板2相互接触，金属地板层51与液晶层4接触的一面上刻蚀有多组互补开口谐振环6，多组互补开口谐振环6均布于主传输线31的两侧，主传输线31和互补开口谐振环6通过感性耦合加载于液晶层4上。
第一电极层3还包括多个传输线枝节32，多个传输线枝节32与多组互补开口谐振环6相对应设置，多个传输线枝节32与主传输线31上交叉连接且沿主传输线31的延伸方向间隔排列设置。
优选的是传输线枝节32与主传输线31垂直交叉。
传输线枝节32在金属地板层51的投影相交于主传输线31两侧的互补开口谐振环6。
可选的，当主传输线31被激励时能够传输给多个传输线枝节32，通过传输线枝节32能够给互补开口谐振环6提供一个垂直入射随时间变化的电磁场，互补开口谐振环6在开口的位置处就会形成电容，电荷会在两端积聚，此时就能形成谐振电路(互补开口谐振环6可视为电感)。通过周期性排列的传输线枝节32和互补开口谐振环6来分别实现左手材料的负介电常数和负磁导率，由此可以将传输线枝节32和互补开口谐振环6复合形成左手传输结构，该左手传输结构具有特殊的电磁性质，将左手传输线结构应用于液晶移相器结构上，利用液晶分子加压偏转的特性，实现低色散作用。
金属地板层51刻蚀互补开口谐振环6后强制阻断电流传输路径，使其沿缝隙边缘传输，即可实现控制电流路径的目的。同时该种结构与传输线枝节32一起构成低色散或负色散结构，继而实现了传输线的低色散或负色散技术。
另一方面金属地板层51在刻蚀有互补开口谐振环6的位置处产生了缝隙，由于该处无金属，无法与传输线枝节32形成电压差，因而传输线枝节32下方液晶分子在金属地板层51开缝处不发生偏转，由此可以提升移相器带宽。同时通过传输线枝节32的设置可以在金属地板层51上刻蚀更多组互补开口谐振环6，从而提高对金属地板层51的空间利用率。
如图1、2所述，可选的，互补开口谐振环6包括两个同心设置的内环62和外环61，内环62和外环61的外形包括但不局限于方形、圆形、三角形和椭圆形以及不规则形状，在本发明中优先采用方形。
内环62和外环61上分别开设有开口，外环61和内环62的开口方向相反设置，外环61上的开口朝向主传输线31设置且传输线枝节32在金属地板层51的投影相交于内环62和外环61的开口。
如图1、2所述，可选的，第一电极层3还包括偏置线33，偏置线33的一端与主传输线31的一端连接设置，偏置线33用于给主传输线31加电，同时隔离加电电极上的射频信号串扰和泄露。
本发明通过技术融合，将现有左手传输线结构应用于液晶移相器结构，在利用液晶分子加压偏转的特性实现移相的同时结合左手传输线结构能够实现液晶移相器的低色散效果，甚至能够实现液晶移相器的负色散效果。
本发明不仅能够有效解决液晶移相器高色散问题，还能有效提升液晶移相器的频率一致性，进一步拓展液晶移相器的使用范围。
第二实施方式：
本实施方式提供了一种液晶天线，包括本发明的第一实施方式的液晶移相器。
第三实施方式：
本实施方式提供了一种移相方法，使用本发明的第一实施方式的液晶移相器或本发明的第二实施方式的液晶天线进行移相。
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 (10)
1.一种液晶移相器，其特征在于，包括：依次设置的第一电极层(3)、液晶层(4)和第二电极层(5)；
所述第一电极层(3)包括主传输线(31)和与主传输线(31)连接的传输线枝节(32)；
所述第二电极层(5)上设置有与传输线枝节(32)相对应的互补开口谐振环(6)；
所述传输线枝节(32)在所述第二电极层(5)上的投影与所述互补开口谐振环(6)的开口位置处相交。
2.根据权利要求1所述的一种液晶移相器，其特征在于，
所述第一电极层(3)远离所述液晶层(4)的一侧设置有第一基板(1)；
所述第二电极层(5)远离所述液晶层(4)的一侧设置有第二基板(2)。
3.根据权利要求2所述的一种液晶移相器，其特征在于，
所述第二电极层(5)包括金属地板层(51)；
所述金属地板层(51)沉积于所述第二基板(2)上；
所述互补开口谐振环(6)刻蚀于金属地板层(51)上。
4.根据权利要求3所述的一种液晶移相器，其特征在于，所述互补开口谐振环(6)设置有多组，均布且对称设置于所述主传输线(31)的两侧；
所述传输线枝节(32)在所述金属地板层(51)上的投影相交于所述主传输线(31)两侧的互补开口谐振环(6)的开口位置处。
5.根据权利要求4所述的一种液晶移相器，其特征在于，所述互补开口谐振环(6)包括两个同心设置的内环(62)和外环(61)，所述内环(62)和外环(61)的开口位置相反。
6.根据权利要求5所述的一种液晶移相器，其特征在于，所述内环(62)和外环(61)设置为方环结构。
7.根据权利要求1所述的一种液晶移相器，其特征在于，所述主传输线(31)上连接有偏置线(33)。
8.根据权利要求2所述的一种液晶移相器，其特征在于，所述第一基板(1)和第二基板(2)均采用玻璃基板。
9.一种液晶天线，其特征在于：包括如权利要求1-8中任意一项所述的液晶移相器。
10.一种移相方法，其特征在于：使用如权利要求1-8中任意一项所述的液晶移相器或权利要求9所述的液晶天线进行移相。
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