TWI737307B - 超材料可調電容器結構 - Google Patents

Abstract

本發明公開了一種超材料可調電容器結構，包括第一基板、第二基板、超材料介質層、具有具有至少2個週期性排布的縫隙的金屬地板層、微帶線與偏置線。通過控制施加在偏置線上的電壓調節可變介電常數超材料電容器的電容值，並以此實現基於可變電容結構的時頻響應、頻率選擇、移相控制、傳輸匹配等功能。本發明有效減小了可變電容結構尺寸和偏置電路對射頻信號的分流衰減，從而提高了該結構的品質因數，很大程度上解決了射頻微波器件及天線的微型化、批量化、集成化和低成本化難題，同時也為天線設計增加了更多的自由度。

Description

超材料可調電容器結構

本發明涉及移相器及天線技術領域，尤其與連續的模擬超材料可調電容器相關。

可調電容器是一種電容量可以在一定範圍內調節的電容器，被廣泛應用於時頻響應、頻率選擇、移相控制、傳輸匹配等技術領域，特別是基於可調電容器結構實現移相器的方法成為技術熱點。

移相器廣泛應用於相控陣天線、相位調制器以及諧波失真抵消器等諸多射頻設備中，為了獲得更好的應用效果，對移相器性能也提出小型化、重量輕、插入損耗小且在整個工作帶寬內的平坦度好、移相範圍大、工作帶寬寬、輸入輸出端口匹配好、低功耗、低成本等更高的要求。

現有移相器的實現方式很多，但都存在一定的應用局限。其中有源移相器功耗大，應用場景受限。在無源移相器中，基於PIN二極管、CMOS、MEMS等的開關型移相器不能實現相位的連續調節，在要求小型化和高相移精度的應用場景中受限；基於變容二極管的反射型或可變電容器型移相器在高頻應用時會因插損增加從而降低品質因數(FOM)，影響性能指標。近些年，隨著材料科學的發展，基於鐵電薄膜BST、液晶等超材料可變電容器型移相器因其介電常數可調範圍大或較高的品質因數，在移相器設計研究中有著廣泛的應用前景而受到越來越多的關注，也有諸多相關專利申請，如可電子地操縱的平面相控陣列天線(CN 201280058131.4)、液晶移相器和天線(CN 201810548743.0)、一種液晶移相器以及電子設備(CN 201810333111.2)、 MULTI-LAYERED SOFTWARE DEFINED ANTENNA AND METHOD OF MANUFACTURE(US 20180062266)等，但現有設計實現360°移相所需傳輸線長度較長，從而帶來移相器尺寸較大、FOM降低等問題，不利於射頻微波器件及天線的微型化、集成化，同時也降低了天線設計的自由度，不利於實現天線多極化工作能力，增加了饋電網絡的設計難度和加工難度；此外，對於如何將調節超材料介質層介電常數的偏置電路對射頻信號影響減到最小也沒有給出更好的解決方案。

为克服現有技術的不足，本發明提供了一種基於超材料結構的可調電容器結構，該結構有效減小了可變電容結構尺寸和偏置電路對射頻信號的分流衰減，從而提高了該結構的品質因數，很大程度上解決了射頻微波器件及天線的微型化、批量化、集成化和低成本化難題，同時也為天線設計增加了更多的自由度。

本發明解決上述問題所採用的技術方案是：

一種超材料可調電容器結構，包括：

相對設置的第一基板(102)、第二基板(103)以及位於第一基板(102)和第二基板(103)之間的超材料介質層(107)；

位於第一基板(102)與超材料介質層(107)之間的金屬地板層(104)；所述金屬地板層(104)上具有至少2個週期性排布的縫隙(105)；

位於第二基板(103)與超材料介質層(107)之間的微帶線(108)、加載在微帶線(108)上的偏置線(109)。

優選的，所述微帶線(108)上具有週期性加載的枝節(202)，以及兩個饋電端(111)和(112)。

優選的，所述超材料介質層由一層或多層介電常數可調材料組成,且可為液晶材料或者鐵電薄膜材料。

優選的，所述結構進一步包括：

所述金屬地板層(104)上還具有隔離孔(106)，所述偏置線(109)進一步加載有扼流節(110)。

優選的，所述縫隙(105)可以是相對於微帶線(108)居中的，也可以是偏移微帶線(108)一段距離的，可以是均勻週期排布的，也可以是非均勻週期排布的，可以是均勻對稱排布的，也可以是均勻交叉排布的，還可以是非均勻對稱或交叉排布的。

優選的，所述隔離孔(106)可以是矩形的，也可以是圓形的，還可以是三角形或菱形；該隔離孔(106)可以是單獨一個孔，也可以是沿著偏置線串聯的多個孔。

優選的，所述扼流節(110)的形狀可以是扇形的，也可以是三角形的，還可以是線形或者矩形的；所述扼流節(110)可以是一個，也可以是分布在偏置線同側或兩側的多個。

優選的，所述枝節(202)可以是交叉排列的，也可以是非交叉排列的；所述枝節(202)可以是與縫隙(105)等長的，也可以是不等長的；枝節(202)可以是均勻排列的，也可以是非均勻排列的；枝節(202)可以是與縫隙(105)錯位一一對應的，也可以是非一一對應的，並且枝節(202)正對金屬地板層(104)的位置沒有縫隙(105)。

優選的，所述偏置線(109)還可以加載於微帶線(108)的枝節(202)上。

優選的，所述微帶線(108)和縫隙(105)的排列方向可以是直線排布，也可以是180度彎排布，也可以按照90度彎排布；所述縫隙(105)可以是扇形的，也可以是矩形；所述縫隙(105)排布可以是均勻的，也可以是非均勻的。

本發明相比於現有技術，具有以下有益效果是：

(1) 本發明充分利用在微帶線地板上開縫和在微帶線上加載枝節的方式實現微帶線的慢波效果，達到有效減小移相器尺寸和移相器損耗等目的，提升了移相器的品質因數。

(2) 本發明通過採用具有隔離孔和扼流枝節的偏置線或高阻值的ITO(氧化銦錫)、NiCr(鎳鉻)或其他一些電阻率大於1×10 ⁵Ω·m的材料製作的偏置線，有效的減小偏置電路對移相器性能帶來的不利影響，進一步提升了移相器的品質因數；並且具有隔離孔和扼流節的偏置線可以和移相器傳輸線一體化加工，相較於現有ITO偏置線的解決方案，減少了工藝流程，製作成本也要低。

下面將參照附圖更詳細地描述本公開的示例性實施方式。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實施方式，然而應當理解，可以以各種形式實現本公開而不應被這裡闡述的實施方式所限制。相反，提供這些實施方式是為了能夠更透徹地理解本公開，並且能夠將本公開的範圍完整的傳達給本領域的技術人員。

實施例1

如圖1所示，本發明實施例提供一種基於超材料可調電容器結構101，包括：相對設置的第一基板102和第二基板103以及位於第一基板102和第二基板103之間的超材料介質層107，位於第一基板102與超材料介質層107之間的金屬地板層104，位於金屬地板層104上的至少2個週期性排布的縫隙105以及隔離孔106，位於第二基板103與超材料介質層107之間的微帶線108、偏置線109以及扼流節110，位於微帶線108兩端的饋電端111和112。

圖2(a)、(b)、(c)分別為本發明的一個具體實施例1的基於超材料可調電容器結構的第一基板102下表面俯視圖、第二基板103上表面俯視圖以及整體結構俯視圖。在該結構中，通過在地板層104上正對微帶線108的位置開有週期排布的縫隙105，構成了慢波傳輸結構，使得在超材料介質層中移相360°所需的傳輸路徑變短，從而有效的減小了整體結構的尺寸，同時也可以獲得更好的FOM。

金屬地板層104、週期性排布的縫隙105、超材料介質層107和微帶線108共同構成了超材料可調電容器結構。其中，超材料介質層107由一層或多層介電常數可調材料組成，可以為液晶、鐵電薄膜BST等。調節超材料介質層介電常數即可改變超材料可調電容器的電容值，從而改變超材料移相器的移相量。用於改變超材料介質層107介電常數的偏置線109加載於微帶線108上，為了降低偏置線109對射頻信號的影響，在地板層104上對應偏置線109靠近微帶線108的位置開有隔離孔106，利用阻抗突變造成射頻傳輸線失配原理，有效扼制了射頻信號沿偏置線傳輸造成射頻信號損失的現象，同時結合在偏置線109上距微帶線108一定距離內加載扼流枝節110，與傳統偏置線相比，這一結構設計大大降低了偏置線對射頻信號的分流衰減。

基於實施例1所述液晶超材料可調電容器且工作於12.25Ghz-12.75Ghz的實物樣機測試結果顯示，在液晶層厚度僅為5μm的設計中，FOM為90°/dB，移相360°所需面積僅為1mm×30mm，指標優於已有同類移相器。

實施例2

如圖3所示，本發明實施例提供一種超材料可調電容器結構201，包括：相對設置的第一基板102和第二基板103以及位於第一基板102和第二基板103之間的超材料介質層107，位於第一基板102與超材料介質層107之間的金屬地板層104，位於金屬地板層104上的至少2個週期性排布的縫隙105以及隔離孔106，位於第二基板103與超材料介質層107之間的微帶線108、微帶線108上週期加載的枝節202、偏置線109以及扼流節110，位於微帶線108兩端的饋電端111和112。

圖4(a)、(b)、(c)分別為本發明的一個具體實施例2的基於超材料可調電容器結構的第一基板102下表面俯視圖、第二基板103上表面俯視圖以及整體結構俯視圖。在該結構中，通過在地板層104上正對微帶線108的位置開有週期排布的縫隙105以及微帶線108上週期加載的枝節202，共同構成了慢波傳輸結構，使得在超材料介質層中移相360°所需的傳輸路徑變短，從而有效的減小了移相器的尺寸，同時也可以獲得更好的FOM。

金屬地板層104、週期性排布的縫隙105、超材料介質層107和微帶線108共同構成了超材料可調電容器結構。其中，超材料介質層107由一層或多層介電常數可調材料組成，可以為液晶、鐵電薄膜BST等；於另外一實施例中，可調材料更可包含結合開關二極體(switching diode)或開關控制器(on-off controller)在可調電容結構內部，進而實現電容可調的功能。

圖4(d)為本發明的一個具體實施例2的等效電路模型。501為縫隙105與金屬地板層104構成的等效電感，601為微帶線108與金屬地板層104構成的等效電容，602為微帶線108和加載的枝節202共同與金屬地板層104構成的等效可調電容。

調節超材料介質層介電常數即可改變602的電容值，從而改變超材料移相器的移相量。用於改變超材料介質層107介電常數的偏置線109加載於微帶線108或枝節202上，為了降低偏置線109對射頻信號的影響，在地板層104上對應偏置線109靠近微帶線108的位置開有隔離孔106，利用阻抗突變造成射頻傳輸線失配原理，有效扼制了射頻信號沿偏置線傳輸造成射頻信號損失的現象，同時結合在偏置線109上距微帶線108一定距離內加載扼流枝節110，與傳統偏置線相比，這一結構設計大大降低了偏置線對射頻信號的分流衰減。

基於實施例2所述液晶超材料可調電容器且工作於12.25Ghz-12.75Ghz的實物樣機測試結果顯示，在液晶層厚度僅為5μm的設計中， FOM為72°/dB，移相360°所需面積僅為2.5mm×3mm，指標優於已有同類移相器。

實施例3

如圖5所示，本發明實施例提供一種超材料可調電容器301，該結構是在實施例1的超材料可調電容器101基礎上所延伸出的彎形連接結構，這一結構使移相器的走線排布更加靈活，也更好的適應不同空間條件下的移相器走線排布。

實施例4

如圖6(a)、(b)、(c)所示，本發明實施例所述超材料可調電容器101、201、301的偏置線109均可以被ITO(氧化銦錫)、NiCr(鎳鉻)或其他一些電阻率大於1×10 ⁵Ω·m的材料製作的偏置線402替代。利用ITO(氧化銦錫)、NiCr(鎳鉻)或其他一些電阻率大於1×10 ⁵Ω·m的材料製作偏置線402時，偏置線結構可以按照實施例1、2或3中的那樣採用隔離孔106和扼流枝節110形式，也可以無需採用隔離孔106和扼流枝節110形式，直接加載到微帶線108上。此時，偏置線402厚度可以為10納米至200納米，通過合理控制偏置線402鍍層的厚度和方阻，也可以達到扼流降衰減的作用。s

實施例5

如圖7所示，位於地板層104上的隔離孔106可以是矩形孔，也可以是圓孔，還可以是但不僅限於是三角形，菱形，多邊形孔等。

實施例6

如圖8所示，扼流節110可以是加載扇形，也可以是加載三角形，還可以是但不僅限於加載矩形等其他結構。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以所述權利要求的保護範圍為準。

101:超材料可調電容器結構 102:第一基板 103:第二基板 104:金屬地板層 105:縫隙 106:隔離孔 107:超材料介質層 108:微帶線 109:偏置線 110:扼流節 111、112:饋電端 201:超材料可調電容器 202:枝節 301:超材料可調電容器 402:偏置線 501:等效電感 601:等效電容 602:等效可調電容

通過閱讀下文優選實施方式的詳細描述，各種其他的優點和益處對於本領域普通技術人員將變得清楚明瞭。附圖僅用於示出優選實施方式的目的，而並不認為是對本發明的限制。而且在整個附圖中，用相同的參考符號表示相同的部件。在附圖中： 圖1為本發明的一個具體實施例1的超材料電容器結構側視圖； 圖2(a)為本發明的一個具體實施例1的基於超材料可調電容器結構的第一基板102下表面俯視圖； 圖2(b)為本發明的一個具體實施例1的基於超材料可調電容器結構的第二基板103上表面俯視圖； 圖2(c)為本發明的一個具體實施例1的基於超材料可調電容器結構的俯視圖； 圖3為本發明的一個具體實施例2的基於超材料可調電容器結構側視圖； 圖4(a)為本發明的一個具體實施例2的基於超材料可調電容器結構的第一基板102下表面俯視圖； 圖4(b)為本發明的一個具體實施例2的基於超材料可調電容器結構的第二基板103上表面俯視圖； 圖4(c)為本發明的一個具體實施例2的基於超材料可調電容器結構的俯視圖； 圖4(d)為本發明的一個具體實施例2的等效電路模型； 圖5為本發明的一個具體實施例3的基於超材料可調電容器結構俯視圖； 圖6(a)為本發明利用ITO(氧化銦錫)、NiCr(鎳鉻)或其他一些電阻率大於1×10 ⁵Ω·m的材料製作偏置線的一個具體實施例1的俯視圖； 圖6(b)為本發明利用ITO(氧化銦錫)、NiCr(鎳鉻)或其他一些電阻率大於1×10 ⁵Ω·m的材料製作偏置線的一個具體實施例2的俯視圖； 圖6(c)為本發明利用ITO(氧化銦錫)、NiCr(鎳鉻)或其他一些電阻率大於1×10 ⁵Ω·m的材料製作偏置線的一個具體實施例3的俯視圖； 圖7為本發明地板層104上的隔離孔106的可選形狀示意圖； 圖8為本發明扼流節110的可選形狀示意圖。

101:超材料可調電容器結構

102:第一基板

103:第二基板

104:金屬地板層

105:縫隙

106:隔離孔

107:超材料介質層

108:微帶線

109:偏置線

110:扼流節

111、112:饋電端

201:超材料可調電容器

202:枝節

Claims (10)

1. 一種超材料可調電容器結構，係包括： 相對設置的第一基板(102)、第二基板(103)以及位於該第一基板(102)和該第二基板(103)之間的超材料介質層(107)； 位於該第一基板(102)與該超材料介質層(107)之間的金屬地板層(104)； 該金屬地板層(104)上具有至少2個週期性排布的縫隙(105)；以及 位於該第二基板(103)與該超材料介質層(107)之間的微帶線(108)、加載在該微帶線(108)上的偏置線(109)。
2. 如請求項1之超材料可調電容器結構，其中該微帶線(108)上具有週期性加載的枝節(202)，以及兩個饋電端(111, 112)。
3. 如請求項1之超材料可調電容器結構，其中該超材料介質層由一層或多層介電常數之可調材料組成，且該可調材料為液晶材料或者鐵電薄膜材料，其中該可調材料更包含結合開關二極體(switching diode)或開關控制器(on-off controller)。
4. 如請求項1之超材料可調電容器結構，其中更包括： 該金屬地板層(104)上還具有隔離孔(106)，該偏置線(109)進一步加載有扼流節(110)。
5. 如請求項1之超材料可調電容器結構，其中該縫隙(105)是相對於該微帶線(108)居中的、偏移該微帶線(108)一段距離的、均勻週期排布的、非均勻週期排布的、均勻對稱排布的、均勻交叉排布的、非均勻對稱或交叉排布的。
6. 如請求項4之超材料可調電容器結構，其中該隔離孔(106)是矩形的、圓形的、三角形或菱形；以及，該隔離孔(106)是單獨一個孔或沿著該偏置線串聯的多個孔。
7. 如請求項4之超材料可調電容器結構，其中該扼流節(110)的形狀是扇形的、三角形的、線形或者矩形的；以及，該扼流節(110)是一個、是分布在該偏置線同側或兩側的多個。
8. 如請求項2之超材料可調電容器結構，其中該枝節(202)是交叉排列的、非交叉排列的、是與縫隙(105)等長的或不等長的；以及，枝節(202)是均勻排列的、是非均勻排列的、是與縫隙(105)錯位一一對應的或是非一一對應的，並且該枝節(202)正對金屬地板層(104)的位置沒有縫隙(105)。
9. 如請求項2之超材料可調電容器結構，其中該偏置線(109)還包含加載於該微帶線(108)的該枝節(202)上。
10. 如請求項1之超材料可調電容器結構，其中該微帶線(108)和該縫隙(105)的排列方向是直線排布、是180度彎排布、按照90度彎排布、是扇形的或是矩形的；以及，該縫隙(105)排布是均勻的或非均勻的。

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