CN110137636B - 移相器和液晶天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种移相器，包括：第一基板、第二基板、介电层、传输线、地电极和至少一个辅助电极，第一基板和第二基板相对设置，介电层设置在第一基板和第二基板之间，传输线设置在第二基板与介电层之间，辅助电极设置在第一基板与介电层之间，地电极设置在第二基板背离介电层的一侧；介电层的介电常数随辅助电极与传输线之间的电压变化而变化；辅助电极在第一基板上的正投影与传输线在第一基板上的正投影存在交叠，且传输线在第一基板上的正投影的一部分超出辅助电极在第一基板上的正投影。相应地，本发明还提供一种液晶天线。本发明能够提高工艺兼容性，且有利于在不增加微波信号损耗的情况下提高响应速度。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种移相器和液晶天线。
背景技术
液晶天线具有低剖面、成本低、纯电控扫描的优势，目前的液晶天线中的移相部分采用倒置微带线结构，其对于液晶层厚度有一定要求，通常不小于100um；这样将导致工艺兼容性较差且系统响应较慢，而如果直接减小液晶层的厚度，则会导致微波信号在金属上的损耗大大增加。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种移相器和液晶天线。
为了实现上述目的，本发明提供一种移相器，包括：第一基板、第二基板、介电层、传输线、地电极和至少一个辅助电极，所述第一基板和所述第二基板相对设置，所述介电层设置在所述第一基板和所述第二基板之间，所述传输线设置在所述第二基板与所述介电层之间，所述辅助电极设置在所述第一基板与所述介电层之间，所述地电极设置在所述第二基板背离所述介电层的一侧；所述介电层的介电常数随所述辅助电极与所述传输线之间的电压变化而变化；
所述辅助电极在所述第一基板上的正投影与所述传输线在所述第一基板上的正投影存在交叠，且所述传输线在所述第一基板上的正投影的一部分超出所述辅助电极在所述第一基板上的正投影。
可选地，所述辅助电极的数量为多个，多个所述辅助电极沿所述传输线的方向依次间隔排列；
所述传输线包括：多个第一传输部和多个第二传输部，所述第一传输部和所述第二传输部沿所述传输线的延伸方向一一交替设置；所述第一传输部与所述辅助电极一一对应，所述第一传输部在所述第一基板上的正投影不超出该第一传输部对应的辅助电极在所述第一基板上的正投影；
不同的第一传输部的面积相同。
可选地，所述第二基板的厚度在100μm～10mm之间。
可选地，所述介电层为液晶层。
可选地，所述移相器还包括第一偏置电极，该第一偏置电极与每个辅助电极电连接，所述移相器还包括第二偏置电极，所述第二偏置电极与所述传输线电连接；
所述第一偏置电极设置在所述第一基板与所述辅助电极之间，所述第二偏置电极设置在所述第二基板与所述传输线之间。
可选地，所述第一偏置电极和第二偏置电极的材料均包括氧化铟锡。
可选地，所述第一偏置电极和第二偏置电极的厚度均在100nm～10μm之间。
可选地，所述辅助电极接地。
可选地，所述移相器还包括与所述辅助电极一一对应相连的参考电极；所述参考电极与所述地电极之间绝缘间隔，且所述参考电极在所述第二基板上的正投影与所述地电极在所述第二基板上的正投影至少部分重叠；
所述辅助电极通过高阻线与所述参考电极相连，所述参考电极、所述高阻线与所述辅助电极同层设置。
可选地，所述辅助电极通过连接件与所述地电极相连，所述连接件贯穿所述介电层和所述第一基板，并与所述传输线绝缘间隔。
相应地，本发明还提供一种液晶天线，包括本发明提供的上述移相器。
可选地，所述地电极上设置有对应于所述传输线的通孔，所述地电极背离所述第一基板的一侧设置有第三基板，所述第三基板背离所述第一基板的一侧设置有对应于所述通孔的贴片电极。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为现有技术中的一种液晶天线的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种移相器的结构示意图；
图3为图2的移相器的等效电路图；
图4为本发明实施例提供的另一种移相器的结构示意图；
图5a为图4中的移相器的等效模型示意图；
图5b为图4中的移相器的等效电路图；
图5c为图4中的移相器的等效合成传输线的示意图；
图6a为辅助电极采用第一种接地方式时的俯视图；
图6b为沿图6a中AA线的剖视图；
图6c为辅助电极采用第一种接地方式时的等效电路图；
图7a为辅助电极采用第二种接地方式时的俯视图；
图7b为沿图7a中BB线的剖视图；
图7c为辅助电极采用第二种接地方式时的等效电路图；
图8为本发明实施例提供的一种液晶天线的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图1为现有技术中的一种液晶天线的结构示意图，如图1所示，移相器包括第一基板1、第二基板2、设置在第一基板1与第二基板2之间的液晶层3、设置在第二基板2与液晶层3之间的地电极4以及设置在第一基板1与液晶层3之间的馈线5、设置在第二基板2背离液晶层3的一侧的贴片电极6。地电极4上设置有通孔V。微波信号在液晶层3中传输时，通过调节地电极4与馈线5之间的电压，使得液晶分子发生偏转，从而使液晶层3的介电常数随之发生变化，进而调节微波信号的相位。贴片电极6通过通孔V接收到相位发生变化的微波信号，并将微波信号发射出去。
在图1的结构中，液晶层3的厚度不宜过小，否则将导致微波信号在馈线5、地电极4等金属上的损耗较大。通常，液晶层3的厚度不小于100μm，而目前产线中的工艺均适用于制作液晶层较小的产品，因此，图1的结构与目前工艺的兼容性较差。并且，液晶层3的厚度较大时，导致液晶分子的整体偏转速度较慢，从而降低系统的响应时间。
图2为本发明实施例提供的一种移相器的结构示意图，如图2所示，移相器包括：第一基板11、第二基板12、介电层13、传输线14、地电极15和至少一个辅助电极16。第一基板11和第二基板12相对设置，介电层13设置在第一基板11和第二基板12之间，传输线14设置在第二基板12与介电层13之间，辅助电极16设置在第一基板11与介电层13之间，地电极15设置在第二基板12背离介电层13的一侧。介电层13的介电常数随辅助电极16与传输线14之间的电压变化而变化。
辅助电极16在第一基板11上的正投影与传输线14在第一基板11上的正投影存在交叠，且传输线14在第一基板11上的正投影的一部分超出辅助电极16在第一基板11上的正投影。即，辅助电极16与传输线14在第一基板11的厚度方向上存在交叠，交叠区域构成了可变电容；而传输线14超出辅助电极16的部分等效为电感。在利用移相器调节微波信号的相位时，将可变电容接地，此时，传输线14与可变电容并联，图2的移相器的等效电路如图3所示。
其中，图3中的Lt表示图2的传输线14超出辅助电极16的部分的等效电感；Ct表示传输线14与地电极15之间的等效电容；Cvar(V)为传输线14与辅助电极16之间的等效电容。微波信号在图2中的移相器中传输时，相速度Vphase根据以下公式(1)计算：
其中，Ll为传输线14在单位长度内的等效电感；Cl为单位长度的传输线14与地电极15之间的等效电容；Cvar为可变电容的电容值；Lsect为传输线14对应于每个辅助电极16的物理长度和超出每个辅助电极16的物理长度之和。
当可变电容发生变化时，根据以下公式(2)可以得到微波信号的相位变化量
其中，V1和V2分别为可变电容变化前后的相速度，Ltot为移相器的等效合成传输线的长度；f为移相器的中心频率。
和现有技术相比，在图1所示的现有技术中，液晶层3作为传输微波的介质，其介电常数的变化会使其中传输的微波波长发生变化，从而导致微波相位发生变化；而在本申请中，通过以上描述和公式(1)(2)可以看出，第二基板12作为传输微波信号的介质，介电层13作为传输线14所并联的并联电容的介质；当微波信号在第二基板12中传输时，通过传输线14与辅助电极16之间的电压可以调节介电层13的介电常数，从而使传输线14所并联的可变电容的电容值发生变化，进而改变微波信号的相位。由于介电层13并不作为微波信号的传输介质，因此，介电层13的厚度大小并不会影响微波信号的损耗，因此，当通过减小介电层13的厚度来提高工艺兼容性和响应速度时，并不会增加微波信号的损耗。
其中，地电极15、传输线14、辅助电极16的材料均可以包括铜、金、银、铝等低电阻、低损耗的金属，且均可以采用磁控溅射、热蒸发、电镀等方法制备。第一基板11和第二基板12均可以采用聚四氟乙烯玻璃纤维压板、酚醛纸层压板、酚醛玻璃布层压板等绝缘板材，也可以采用石英、玻璃等具有较低损耗的硬质板材。
可选地，第二基板12的厚度可以在100μm～10mm之间，以减小微波信号的损耗。第一基板11的厚度也可以在100μm～10mm之间。
可选地，介电层13为液晶层。通过调节传输线14与辅助电极16之间的电压来调节液晶的偏转角度，从而改变液晶层的介电常数。
可选地，液晶层的厚度在3μm～5μm之间。由于液晶层的厚度较小，因此可以提高液晶层中液晶的整体偏转速度，从而提高可变电容的调节速度，进而提高微波信号相位的调节速度，从而提高系统响应速度。
为了增大移相器的移相范围，如图4所示，辅助电极16的数量为多个，多个辅助电极16沿传输线14的方向依次间隔排列。传输线14包括：多个第一传输部141和多个第二传输部142，第一传输部141和第二传输部142沿传输线14的延伸方向一一交替设置。第一传输部141与辅助电极16一一对应，第一传输部141在第一基板11上的正投影不超出该第一传输部141对应的辅助电极16在第一基板11上的正投影。不同的第一传输部141的面积相同，不同第二传输部142的面积也相同，每个可变电容的大小相同，每个第二传输部142所等效为的电感大小相同。
因此，相当于传输线14周期性加载可变电容。移相器的等效模型如图5a所示，移相器的等效电路如图5b所示，移相器的等效合成传输线如图5c所示，等效合成传输线的阻抗为ZL(V)。图5b中的Lt表示图4的传输线14超出辅助电极16的部分(即，第二传输部142)的等效电感；Ct表示传输线14与地电极15之间的等效电容；Cvar(V)为传输线14与辅助电极16之间的等效电容，V表示传输线14与辅助电极16之间电压。微波信号在图4中的移相器中传输时，相速度同样根据上述公式(1)计算；当可变电容的电容值发生变化时，微波信号的相位变化根据上述公式(2)计算。公式(1)中的Lsect为传输线14对应于每个辅助电极16的物理长度(即，第一传输部141的物理长度)和超出每个辅助电极16的物理长度(即，第二传输部142的物理长度)之和。
需要说明的是，第一传输部141在第一基板11上的正投影可以与该第一传输部141对应的辅助电极16在第一基板11上的正投影重合；也可以使辅助电极16在第一基板11上的正投影超出第一传输部141在第一基板11上的正投影，例如，辅助电极16沿传输线14宽度方向上的两端超出传输线14。
为了便于向传输线14和辅助电极16提供电压，如图2和图4所示，移相器还包括第一偏置电极17和第二偏置电极18。第一偏置电极17与每个辅助电极16电连接，第一偏置电极17具体可以设置在第一基板11与辅助电极16之间。第二偏置电极18与传输线14电连接，第二偏置电极18具体可以设置在第二基板12与传输线14之间。
可选地，第一偏置电极17和第二偏置电极18可以采用高电阻率的材料，例如，第一偏置电极17和第二偏置电极18的材料均包括氧化铟锡。采用高电阻率的材料制作第一偏置电极17和第二偏置电极18是为了使微波信号尽量在第二基板12中传输。
其中，第一偏置电极17和第二偏置电极18的厚度均在100nm～10μm之间。第一偏置电极17和第二偏置电极18可以采用磁控溅射、化学气相沉积、热蒸发等方法制备。
可选地，辅助电极16接地，以防止可变电容悬空。辅助电极的第一种接地方式参考图6a和图6b所示，辅助电极的第二种接地方式参考图7a和图7b中所示。其中，图6a和图7a均为俯视图，为了清楚地看出辅助电极16、传输线14等结构的相对位置，将地电极15、第二基板12、介电层13均以透明结构表示。
在辅助电极16的第一种接地方式中，结合图6a和图6b所示，移相器还包括与辅助电极16一一对应相连的参考电极19；参考电极19与地电极15之间绝缘间隔，且参考电极19在第二基板12上的正投影与地电极15在第二基板12上的正投影至少部分重叠。参考电极19具体可以为面积较大的金属电极。
其中，参考电极19在第二基板12上的正投影位于传输线14沿其宽度方向的一侧，辅助电极16可以通过高阻线20(即，阻抗值在千欧级上的导线)与参考电极19相连。在实际生产中，可以通过减小线宽来实现高阻抗。高阻线20的设置可以保证微波信号沿传输线14传输，防止传输过程中偏离传输线14。
其中，参考电极19、高阻线20与辅助电极16同层设置且材料相同。在制作时，可以采用同一次工艺制作参考电极19、高阻线20与辅助电极16，以简化制作工艺。
在辅助电极16的第一种接地方式中，参考电极19、地电极15中正对参考电极19的部分、以及参考电极19与地电极15之间的介质层构成了对地电容，当该对地电容的电容值较大时，可以形成虚拟共地的效果。该种接地方式的等效电路如图6c所示，其中，Lt为传输线14的第二传输部142的等效电感，Cvar为上述可变电容；L2为高阻线20所形成的电感；C2为上述对地电容。
在辅助电极16的第二种接地方式中，可以将辅助电极16通过地电极15接地。结合图7a和7b所示，辅助电极16通过连接件21与地电极15相连，连接件21贯穿介电层13和第一基板11，并与传输线14绝缘间隔。
其中，连接件21包括第一连接部211和第二连接部212，第一连接部211可以采用与图6b中相同的高阻线，并与辅助电极16同层设置且材料相同。第二连接部212通过贯穿介电层13和第二基板12的过孔与地电极15相连。
这种接地方式的等效电路如图7c所示，其中，Lt为传输线14的第二传输部142的等效电感，Cvar为上述可变电容；L3为连接件21的等效电感。
图8为本发明实施例提供的一种液晶天线的示意图，其包括上述实施例中的移相器。
如图8所示，地电极15上设置有对应于传输线14的通孔V，地电极15背离第一基板11的一侧设置有第三基板23，第三基板23背离第一基板11的一侧设置有对应于通孔V的贴片电极22。经过移相器对微波信号的相位调节后，贴片电极22通过通孔V接收到微波信号，从而将相位发生变化的微波信号以相应角度发射出去；相反地，贴片电极22接收到某一角度的微波信号后，将微波信号经过通孔V反馈给移相器。
其中，贴片电极22的材料可以包括铜、金、银、铝等低电阻、低损耗的金属，贴片电极22可以采用磁控溅射、热蒸发、电镀等方法制备。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种移相器，其特征在于，包括：第一基板、第二基板、介电层、传输线、地电极和至少一个辅助电极，所述第一基板和所述第二基板相对设置，所述介电层设置在所述第一基板与所述第二基板之间，所述传输线设置在所述第二基板与所述介电层之间，所述辅助电极设置在所述第一基板与所述介电层之间，所述地电极设置在所述第二基板背离所述介电层的一侧；所述介电层的介电常数随所述辅助电极与所述传输线之间的电压变化而变化；
所述辅助电极在所述第一基板上的正投影与所述传输线在所述第一基板上的正投影存在交叠，且所述传输线在所述第一基板上的正投影的一部分超出所述辅助电极在所述第一基板上的正投影；所述辅助电极接地。
2.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述辅助电极的数量为多个，多个所述辅助电极沿所述传输线的方向依次间隔排列；
所述传输线包括：多个第一传输部和多个第二传输部，所述第一传输部和所述第二传输部沿所述传输线的延伸方向一一交替设置；所述第一传输部与所述辅助电极一一对应，所述第一传输部在所述第一基板上的正投影不超出该第一传输部对应的辅助电极在所述第一基板上的正投影；
不同的第一传输部的面积相同。
3.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述第二基板的厚度在100μm～10mm之间。
4.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述介电层为液晶层。
5.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述移相器还包括第一偏置电极，该第一偏置电极与每个辅助电极电连接，所述移相器还包括第二偏置电极，所述第二偏置电极与所述传输线电连接；所述第一偏置电极设置在所述第一基板与所述辅助电极之间，所述第二偏置电极设置在所述第二基板与所述传输线之间。
6.根据权利要求5所述的移相器，其特征在于，所述第一偏置电极和第二偏置电极的材料均包括氧化铟锡。
7.根据权利要求5所述的移相器，其特征在于，所述第一偏置电极和第二偏置电极的厚度均在100nm～10μm之间。
8.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述移相器还包括与所述辅助电极一一对应相连的参考电极；所述参考电极与所述地电极之间绝缘间隔，且所述参考电极在所述第二基板上的正投影与所述地电极在所述第二基板上的正投影至少部分重叠；
所述辅助电极通过高阻线与所述参考电极相连，所述参考电极、所述高阻线与所述辅助电极同层设置。
9.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述辅助电极通过连接件与所述地电极相连，所述连接件贯穿所述介电层和所述第一基板，并与所述传输线绝缘间隔。
10.一种液晶天线，其特征在于，包括权利要求1至9中任意一项所述的移相器。
11.根据权利要求10所述的液晶天线，其特征在于，所述地电极上设置有对应于所述传输线的通孔，所述地电极背离所述第一基板的一侧设置有第三基板，所述第三基板背离所述第一基板的一侧设置有对应于所述通孔的贴片电极。
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