CN116960585B - 一种基于慢波的液晶移相器 - Google Patents
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Abstract
一种基于慢波的液晶移相器，包括层叠设置的慢波传输线、液晶结构层和金属缺陷地，所示液晶结构层包括液晶和设置在所示液晶的上方与下方的液晶取向层，所述慢波传输线包括微带线、周期性设置在所述微带线上的多个矩形枝节、周期性地设置在相邻矩形枝节之间的细矩形枝节以及位于所述微带线的两端的渐变结构，所述金属缺陷地上设置有与所述矩形枝节和所述渐变结构相对应的缺陷。本发明中的慢波传输线结构可在一个波长的物理尺寸内实现360度的相移。本发明的液晶移相器具有小型化、低损耗和大相移量的优点，非常有利于可重构毫米波系统的集成与应用。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种基于慢波的液晶移相器。
背景技术
电子可重构毫米波系统以其小体积、多功能、频谱效率高、灵活性强等优点成为当前的研究热点，而移相器作为实现可重构性能的关键器件受到了广泛关注。常用于实现毫米波系统移相器的技术有：射频微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System ，MEMS)、半导体和功能材料。其中，液晶在寿命、连续性和封装方面优于MEMS；在频率范围和偏置电压方面也优于其它功能材料，是研制高性能移相器的理想材料。在第三代合作关系和新无线电波段中，具有成本竞争力和高性能的液晶基相控阵模块能够支持波束赋形和波束转向能力，是新兴小单元基站和客户端设备的关键技术。因此，研究适用于大规模相控阵的液晶移相器对于无线通信系统来说具有非常重要的意义。
液晶移相器具有连续可调性、高线性度和低损耗，并且不需要像有源移相器或铁氧体移相器那样额外的功率。然而，普通的液晶移相器通常需要很长的微带线来实现360°的相移量，无法满足未来可重构毫米波系统的小型化集成需求。慢波结构能够有效的在局部降低电磁波传输的群速度，使得更小物理尺寸下的移相微带线具有更高的相移量，为小型化液晶移相器的实现提供了有效途径。普通液晶移相器通常还具有插入损耗大，移相量小的缺点。在保证大相移量和小型化的基础上，同时降低液晶移相器的插入损耗也是现有技术面临的挑战之一。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种基于慢波的液晶移相器，具有小型化、低损耗和大相移量的优点。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于慢波的液晶移相器，包括层叠设置的慢波传输线、液晶结构层和金属缺陷地，所示液晶结构层包括液晶和设置在所示液晶的上方与下方的液晶取向层，所述慢波传输线包括微带线、周期性设置在所述微带线上的多个矩形枝节、周期性地设置在相邻矩形枝节之间的细矩形枝节以及位于所述微带线的两端的渐变结构，所述金属缺陷地上设置有与所述矩形枝节和所述渐变结构相对应的缺陷。
进一步地：
所述渐变结构包括朝着液晶移相器的内侧方向尺寸逐渐变大、远离液晶移相器的方向尺寸逐渐变小的多级矩形枝节。
至少一个所述矩形枝节与所述微带线耦合的位置设置有用于加载电容的缝隙，所述缝隙设置在所述矩形枝节与所述微带线耦合处的上侧、下侧、左侧和右侧中的任一个位置或多个位置。
所述缝隙分布于所述微带线的同侧。
所述细矩形枝节分布于所述微带线的两侧或同侧。
所述细矩形枝节在所述微带线的两侧交替布置。
所述矩形枝节等距离并列排布。
所述所述金属缺陷地的缺陷与所述矩形枝节和所述渐变结构对齐或错位。
所述液晶取向层为聚酰亚胺薄膜。
还包括分别设置于所述金属缺陷地和所述慢波传输线外侧的两个石英介质基板。
所述液晶移相器包括设置在所述微带线上的八个矩形枝节，以及在所述微带线的两侧交替布置的七个细矩形枝节，和位于所述矩形枝节与所述微带线耦合处上侧的四个缝隙。
所述慢波传输线在一个波长的物理尺寸内实现360度的相移，提升移相器单位长度内的相移量。
频率范围覆盖微波到毫米波以及太赫兹波段，包括S波段2~4GHz、C波段4~8GHz、X波段8~12GHz、Ku波段12~18GHz、K波段18~27GHz、Ka波段27~40GHz、U波段40~60GHz、V波段60~80GHz、W波段80~100GHz。
介电常数可调控，范围从1到100。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供一种基于慢波的液晶移相器，具有小型化、低损耗和大相移量的特点，有利于可重构毫米波系统的集成与发展。其优点主要在于：
1.通过慢波传输线结构，提升了移相器单位长度内的相移量，可以在一个波长的物理尺寸下实现360°的相移，利于器件的小型化。
2.通过引入渐变结构与金属缺陷地，尤其是二者的组合，在不降低相移量的情况下，实现了慢波传输线的阻抗匹配，减少了移相器的插入损耗，大大降低了移相器的传输损耗。
3.所提出的慢波传输线结构具有可扩展性，不仅可以用于移相器，还可以用于功分器等其他器件，且该慢波传输线可在简单优化结构下获得更强的慢波效应。
由此，本发明提供了一种小型化、低损耗和大相移量的液晶移相器，非常有利于可重构毫米波系统的集成与发展。
本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。
附图说明
图1为本发明实施例的基于慢波的液晶移相器的三维爆炸图；
图2A和图2B分别为本发明两种实施例的基于慢波的液晶移相器的慢波传输线俯视图；
图3为本发明实施例的基于慢波的液晶移相器的金属缺陷地俯视图；
图4为本发明实施例的基于慢波的液晶移相器的S参数图；
图5为本发明实施例的基于慢波的液晶移相器的相移参数图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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实施例和简化描述，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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，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该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参阅图1至图3，本发明实施例提供一种基于慢波的液晶移相器，包括层叠设置的慢波传输线6、液晶结构层和金属缺陷地2，所示液晶结构层包括液晶4和设置在所示液晶4的上方与下方的液晶取向层（例如聚酰亚胺薄膜3、5），所述慢波传输线6包括微带线12、周期性设置在所述微带线12上的多个矩形枝节9、周期性地设置在相邻矩形枝节9之间的细矩形枝节10以及位于所述微带线12的两端的渐变结构8，所述金属缺陷地2上设置有与所述矩形枝节9和所述渐变结构8相对应的缺陷。
参阅图2A至图2B，在优选的实施例中，所述渐变结构8包括朝着液晶移相器的内侧方向尺寸逐渐变大、远离液晶移相器的方向尺寸逐渐变小的多级矩形枝节。
以下进一步描述本发明具体实施例。
如图1至图3所示，一些实施例中，基于慢波的一种小型化、低损耗液晶移相器，包括慢波传输线6、金属缺陷地2、液晶4和石英介质基板1、7，还包括设置于液晶4上方与下方的聚酰亚胺薄膜5、6作为液晶分子的取向层；其中，慢波传输线6包括：微带线12、微带线12两端用于阻抗匹配的渐变结构8；位于微带线12上的八个矩形枝节9；分别位于相邻的矩形枝节9之间的七个细矩形枝节10；分别位于矩形枝节9与微带线12连接处上侧的四个缝隙11；慢波传输线6固定于石英介质基板7之上。
金属缺陷地2是具有开口结构的金属地层，也称缺陷地结构（Defected GroundStructure，DGS），可以是在微带线12的接地金属板上刻蚀周期或非周期的栅格结构。本发明中，通过金属缺陷地2改变传输线的分布电感和分布电容，可获得带阻特性和慢波特性等。
金属缺陷地2固定于石英介质基板1的下侧，包括位置与慢波传输线6和矩形枝节9对齐的矩形缺陷14和与渐变结构8对齐的矩形缺陷13，尺寸也与对应慢波传输线6的矩形枝节9和渐变结构8一致。
液晶4由聚酰亚胺薄膜3、5取向，固定于石英介质基板7和石英介质基板1之间。
本发明基于慢波的小型化、低损耗液晶移相器中，缝隙11能够给整体结构提供一定的电容值，相当于加载了额外的电容。加载电容的缝隙11既可以位于矩形枝节与微带线12连接处的上侧（如图2A所示），也可以位于矩形枝节与微带线12连接处的下侧，还可以位于微带线12和矩形枝节的中间位置（如图2B所示）。在一个实施例中，将缝隙11同时设于矩形枝节9与微带线12连接处的上、下两侧，可以获得更强的慢波效应。此外，缝隙11的数量、均布间隔和缝隙宽度可以根据所需慢波强度大小和传输系数大小进行设置。
上述慢波传输线的细矩形枝节10和缝隙11的数量越多，得到的慢波传输线的慢波效应越强，但会增加一定的传输损耗。细矩形枝节10和缝隙11的数量和位置可以根据所需的慢波强度进行自由调整，例如，增加细矩形枝节10和缝隙11的数量，可以获得更强的慢波响应。
慢波传输结构中的细矩形枝节10的宽度可在一定范围内调节，以获得不同慢波强度和较低的传输损耗。
根据本发明的慢波传输线，可以通过简单的结构优化进一步提升慢波效应的强度，如：提高细矩形枝节10和缝隙的数量或增加细矩形枝节10和缝隙的宽度，从而使本发明的慢波传输线6结构可以应用于其它慢波器件。
在优选实施例中，矩形枝节9等距离并列排布。
在一个优选的实施例中，矩形枝节的间距为0.21mm。
如前，缝隙11可设置于微带线12两侧或设置于微带线12同侧；较优地，缝隙11设置于微带线12同侧。可选地，缝隙11设置于微带线12与矩形枝节的上下侧耦合处，或设置于微带线12的中间。较优地，缝隙设置于微带线12与矩形枝节的上下侧耦合处。
在不同的实施例中，金属缺陷地2的矩形缺陷可以与慢波传输线6上的矩形枝节和渐变结构8对齐或错位。在优选实施例中，金属缺陷地2的矩形缺陷与慢波传输线6上的矩形枝节和渐变结构8对齐。
金属缺陷地2固定于石英介质基板的下侧；金属缺陷地2的矩形缺陷从左向右依次平行排列，从左到右分别为左端渐变结构8对应的矩形缺陷、慢波传输线6的矩形枝节对应的矩形缺陷、右端渐变结构8对应的矩形缺陷。
在不同的实施例中，细矩形枝节10可设置于微带线12两侧或设置于微带线12同侧。在优选实施例中，细矩形枝节10设置于微带线12两侧。
在优选的实施例中，细矩形枝节10的宽度在0.01~0.09mm。
如图1-图3所示，提供了该小型化、低损耗液晶移相器的更为详细的实施方式，该小型化、低损耗和大相移量的液晶移相器包括慢波传输线6、金属缺陷地2、液晶4和石英介质基板1、7，还包括设置于液晶4上方与下方的聚酰亚胺薄膜3、5作为液晶分子的取向层。
如图1所示，慢波传输线6固定于石英介质基板7的上侧；金属缺陷地2固定于石英介质基板1的下侧；液晶4由聚酰亚胺薄膜3、5取向，设置于慢波传输线6和金属缺陷地2之间。其中，石英介质基板1、7的尺寸参数为3×5×0.1mm；液晶4的厚度为0.05mm；金属缺陷地2和慢波传输线6的厚度均为0.003mm。
如图2A所示，慢波传输线6由两个周期结构组成，第一个周期结构为均布于微带线12上的矩形枝节9和位于其两侧的细矩形枝节10构成，矩形枝节的长度和宽度分别为0.195mm和0.09mm，细矩形枝节10的长度和宽度分别为0.39mm和0.02mm；第二个周期结构为设置于矩形枝节9和微带线12连接处的缝隙11，缝隙的宽度为0.01mm。渐变匹配结构13置于慢波传输线6的两端，其宽度均为0.09mm，长度渐变，分别为0.185、0.175、0.165mm。作为替代方式，其他实施例中，缝隙还可以位于微带线12和矩形枝节的中间位置，也即在矩形枝节与微带线12耦合处的左侧和/或右侧，如图2B所示。
如图3所示，金属缺陷地2的矩形缺陷13、14与渐变结构8和矩形枝节9一一对应且尺寸一致。
由图4可知，本发明提供的一种基于慢波的小型化、低损耗液晶移相器在中心频率为60 GHz时的-10dB带宽为6.5GHz，覆盖了56 GHz-62.5 GHz的频带范围，且具有很低的传输损耗，在1.1dB以内；同时，由图5可知，本发明小型化、低损耗和大相移量的液晶移相器在中心频率为60 GHz时，在液晶介电常数4-7范围内，可实现360°的大额相移量。
综上所述，本发明提供一种基于慢波的液晶移相器，通过设置新型双周期慢波结构，使移相器在每个波长尺寸下实现360°的相移，提升了移相器单位长度内的相移量，通过引入渐变结构和金属缺陷地，在不降低相移量的情况下，实现了微带线与慢波结构的阻抗匹配，减少了移相器的插入损耗。由此，本发明提供了一种小型化、低损耗和大相移量的液晶移相器，非常有利于可重构毫米波系统的集成与发展。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。
Claims (9)
1.一种基于慢波的液晶移相器，其特征在于，包括层叠设置的慢波传输线、液晶结构层和金属缺陷地，所述液晶结构层包括液晶和设置在所述液晶的上方与下方的液晶取向层，所述慢波传输线包括微带线、周期性设置在所述微带线上的多个矩形枝节、周期性地设置在相邻矩形枝节之间的细矩形枝节以及位于所述微带线的两端的渐变结构，所述细矩形枝节连接相邻的两个所述矩形枝节，所述金属缺陷地上设置有与所述矩形枝节和所述渐变结构相对应的缺陷，其中，至少一个所述矩形枝节与所述微带线耦合的位置设置有用于加载电容的缝隙，所述缝隙设置在所述矩形枝节与所述微带线耦合处的上侧、下侧、左侧和右侧中的任一个位置或多个位置。
2.如权利要求1所述的液晶移相器，其特征在于，所述渐变结构包括朝着液晶移相器的内侧方向尺寸逐渐变大、远离液晶移相器的方向尺寸逐渐变小的多级矩形枝节。
3.如权利要求1至2任一项所述的液晶移相器，其特征在于，多个所述缝隙一同分布于所述微带线的上侧或者下侧。
4.如权利要求1至2任一项所述的液晶移相器，其特征在于，所述细矩形枝节分布于所述微带线的两侧或同侧。
5.如权利要求1至2任一项所述的液晶移相器，其特征在于，所述矩形枝节等距离并列排布，所述细矩形枝节在所述微带线的两侧交替布置。
6.如权利要求1至2任一项所述的液晶移相器，其特征在于，包括设置在所述微带线上的八个矩形枝节，以及在所述微带线的两侧交替布置的七个细矩形枝节，和位于所述矩形枝节与所述微带线耦合处上侧的四个缝隙。
7.如权利要求1至2任一项所述的液晶移相器，其特征在于，所述慢波传输线在一个波长的物理尺寸内实现360度的相移。
8.如权利要求1至2任一项所述的液晶移相器，其特征在于，频率范围覆盖微波到毫米波以及太赫兹波段，包括S波段2~4GHz、C波段4~8GHz、X波段8~12GHz、Ku波段12~18GHz、K波段18~27GHz、Ka波段27~40GHz、U波段40~60GHz、V波段60~80GHz、W波段80~100GHz。
9.如权利要求1至2任一项所述的液晶移相器，其特征在于，介电常数可调控，范围从1到100。
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