一种低液晶盒厚的快速响应液晶移相器

本发明属于微波毫米波，具体涉及一种低液晶盒厚的快速响应液晶移相器。

背景技术：

1、随着信息技术的飞速发展，无线通信系统需要具备大容量、多功能以及超宽带等特性。在此需求下，微波相控阵天线成为了研究的热点，对未来雷达，卫星通信，移动通信等系统都具有重要的应用价值。

2、新的无线(特别是卫星和5g通信)通信和网络架构，以及创新的无线技术等的最新发展目标是指向改善覆盖范围、提高信道容量、提高数据速率、更有效地利用频谱资源、缩短往返时间、降低延迟、提高系统可靠性，以及提高提供服务的灵活性等。在这些要求的基础上要求微波相控阵天线有好的性能，以实现现阶段的通信需求，而移相器作为控制微波相控阵天线实现相位变化的主要器件，同样需要坚持创新以实现接续发展。

3、从发展历程来看，相控阵天线实现相位调控的技术手段从最初的机械调控，逐渐到电控开关，到现在的液晶材料以及石墨烯等，各有各自的应用场景。在ka波段，液晶材料展现出了优良的性能。

4、液晶移相器是以液晶为相位调制材料，结合电控可编程电极阵列的相控调制器件，每个电极和它所控制区域的液晶组成一个可控单元，当对每个可控单元施加不同驱动电压时，会使液晶分子的指向角度发生不同程度上的偏转，进而影响到液晶分子的介电常数，以实现移相量的变化。液晶材料与其电子调谐器件相比，具有更低的插入损耗，且随着频率的提高，液晶材料损耗角正切值减小，具备高频段低损耗优势，其应用范围跨越微波频段直至光频段。同时，液晶材料作为无源介质，密度小、质量轻，且具有较大的功率容量和良好的调谐线性性。但是有一些问题需要解决，通常液晶材料对准的响应时间与液晶层厚度的平方成正比，但是在液晶厚度减小时，为保证50欧姆的阻抗匹配会导致微带线线宽太窄，无法有效束缚电磁波从而导致传输损耗变大。

5、现有技术“electrically tunable liquid crystal phase shifter withexcellent phase shift capability per wavelength based on opposed coplanarwaveguide”公开了一种基于液晶材料的移相器，利用abcd矩阵理论研究移相器的传输特性，在11.725ghz频段可以实现74°的差分相移，品质因素为31°/db。品质因素定义为移相量除以插入损耗，是液晶移相器的一个重要指标。“liquid crystal varactor loadedvariable phase shifter for integrated,compact,and fast beamsteering antennasystems”公开了一种串联加载液晶变容管的微带可变延迟线，并在电极之间使用10μm厚的lc层作为可调谐电介质，在20ghz下提供60°的差分相移，插入损耗2db，品质因素为30°/db。现有技术“compact and broadband millimeter-wave electrically tunable phaseshifter combining slow-wave effect with liquid crystal technology”公开了一种基于cmos共面波导的紧凑型毫米波液晶移相器，在45ghz处品质因数为51°/db。

6、上述现有技术难以同时满足能够产生360°相移及尽量提高品质因数。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种低液晶盒厚的快速响应液晶移相器，利用地板开缝构造出慢波结构，从而实现在更薄的液晶材料、更小的移相器中实现更大的移相量，解决液晶移相器液晶层过厚而致响应时间过长、线长过长而致插入损耗过大、品质因数过低等问题。

2、本发明所提出的技术问题是这样解决的：

3、一种低液晶盒厚的快速响应液晶移相器，包括由上至下依次紧密贴合的第一介质基板1、微带线2、液晶层3、接地板4和第二介质基板5；

4、第一介质基板1和第二介质基板5呈方形，相互平行；微带线2为方形螺旋线，转角处切角，由第一介质基板1下表面中心左侧位置开始逆时针向外螺旋而成；接地板4为金属板，开有若干个缝隙401形成慢波结构，缝隙401位于微带线2的正下方。

5、进一步的，所述缝隙401呈u字型、h字型或v字型，开口方向与微带线传输方向一致。

6、进一步的，所述微带线2中第一个l型微带枝节对应的缝隙401缺失。

7、进一步的，微带线2和接地板4采用金属铜板。

8、进一步的，所述第一介质基板1和第二介质基板5为玻璃或印刷电路板基板，相对介电常数为4.81，损耗角正切为0.004，面积为4mm×4mm。

9、进一步的，所述液晶层3的厚度为10μm，相对介电常数调节范围为2.7～3.8。

10、进一步地，所述液晶层3经过配向处理，在未施加偏置电压时，液晶分子指向一致，液晶材料具有最小或最大的介电常数；当液晶分子发生偏转时，液晶材料的介电常数发生变化，移相器的相位常数发生改变，达到改变移相量的目的。

11、本发明的有益效果是：

12、本发明所述液晶移相器采用在地板上开槽的方法，构造出慢波结构，增大了相位因子，使得微带线长度缩短，降低了微带线带来的介质损耗和导体损耗。因此本发明所述一项提高了单位插损的移相量(δφ/il)，也就是品质因素，兼顾低液晶盒厚设计，从而提高响应速度。在微带线的地板上开槽，改变了微带线地表面的电流分布，产生等效电容和等效电感，类似于耦合到微带线上的lc谐振电路。当电流信号通过本发明所述液晶移相器时，微带线与谐振频率附近的慢波结构强耦合，从而延长了电流的传播路径。

13、相比于现有的液晶移相器，本发明所述移相器结构简单，响应速度更快，品质因素更高，在微波毫米波甚至太赫兹频段极具应用价值。

技术特征：

1.一种低液晶盒厚的快速响应液晶移相器，其特征在于，包括由上至下依次紧密贴合的第一介质基板(1)、微带线(2)、液晶层(3)、接地板(4)和第二介质基板(5)；

2.根据权利要求1所述的低液晶盒厚的快速响应液晶移相器，其特征在于，所述缝隙(401)呈u字型、h字型或v字型，开口方向与微带线传输方向一致。

3.根据权利要求1所述的低液晶盒厚的快速响应液晶移相器，其特征在于，所述微带线(2)中第一个l型微带枝节对应的缝隙(401)缺失。

4.根据权利要求1所述的低液晶盒厚的快速响应液晶移相器，其特征在于，微带线2和接地板(4)采用金属铜板。

5.根据权利要求1所述的低液晶盒厚的快速响应液晶移相器，其特征在于，所述第一介质基板(1)和第二介质基板(5)为玻璃或印刷电路板基板，相对介电常数为4.81，损耗角正切为0.004，面积为4mm×4mm。

6.根据权利要求1所述的低液晶盒厚的快速响应液晶移相器，其特征在于，所述液晶层(3)的厚度为10μm，相对介电常数调节范围为2.7～3.8。

7.根据权利要求1所述的低液晶盒厚的快速响应液晶移相器，其特征在于，所述液晶层(3)经过配向处理，在未施加偏置电压时，液晶分子指向一致，液晶材料具有最小或最大的介电常数；当液晶分子发生偏转时，液晶材料的介电常数发生变化，移相器的相位常数发生改变，达到改变移相量的目的。

技术总结本发明公开了一种低液晶盒厚的快速响应液晶移相器，属于微波毫米波技术领域。本发明所述移相器包括由上至下依次紧密贴合的第一介质基板、微带线、液晶层、接地板和第二介质基板；本发明所述移相器在地板上开一系列适当形状和尺寸的缝隙，改变接地平面中的电流分布，增加电流路径，产生等效电感和电容，形成慢波结构。本发明在更薄的液晶材料，更小的移相器中实现更大的移相量，解决液晶移相器液晶层过厚、响应时间过长、微带线长过长而致插入损耗过大、品质因数过低等问题。技术研发人员：梁锋,甘玲,汪相如受保护的技术使用者：电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29