阅读说明：本技术 基于矢量正交法的液晶移相器及调控方法 (Liquid crystal phase shifter based on vector orthogonal method and regulation and control method ) 是由 汪相如 汪晟 吴双红 张文钊 高时汉 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开基于矢量正交法的液晶移相器及调控方法,应用于通信领域,针对传统的液晶微波移相器插损和体积很难降低,不适用于高增益和高集成度的阵列天线的问题。本发明的液晶移相器包括：功分器、4个移相器、共面波导耦合微带结构、共面波导延时线；微波信号通过功分器分成两路振幅相等的相干电磁信号,两路电磁信号通过上下耦合的方式从共面波导进入4个移相单元,通过在第二端口与第三端口处加载不同长度延时线,当两条延时线长度差为四分之一波长时,形成振幅比可调的正交信号,将正交信号进行合成后输出。本发明的方法避免传统移相模块移相单元面积大、插损大的劣势,增强了器件性能,提高了系统的集成度和面积利用率。(The invention discloses a liquid crystal phase shifter based on a vector orthogonal method and a regulation and control method, which are applied to the field of communication and aim at the problems that the insertion loss and the volume of the traditional liquid crystal microwave phase shifter are difficult to reduce and the traditional liquid crystal microwave phase shifter is not suitable for an array antenna with high gain and high integration degree. The liquid crystal phase shifter of the present invention comprises: the device comprises a power divider, 4 phase shifters, a coplanar waveguide coupling microstrip structure and a coplanar waveguide delay line; microwave signals are divided into two paths of coherent electromagnetic signals with equal amplitude through a power divider, the two paths of electromagnetic signals enter 4 phase shifting units from the coplanar waveguide in an up-down coupling mode, delay lines with different lengths are loaded at a second port and a third port, when the length difference of the two delay lines is one quarter wavelength, orthogonal signals with adjustable amplitude ratios are formed, and the orthogonal signals are synthesized and output. The method of the invention avoids the disadvantages of large phase-shifting unit area and large insertion loss of the traditional phase-shifting module, enhances the performance of the device and improves the integration level and the area utilization rate of the system.)

基于矢量正交法的液晶移相器及调控方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种基于矢量正交法的液晶移相器技术。

背景技术

社会高速的发展，带来了信息流的快速增长。现代社会的通信离不开天线。微波移相器是天线的核心部件，可以改变电磁波的相位变化。对比于铁氧体、数字移相器而言，液晶移相器具有低成本，低损耗，低功耗等优点；整体重量轻，小型化，所以使得整个系统的集成度高，可移植性强，易于控制。

天线的宽频带，大容量，高效率，多功能，低成本，小型化是无线通信领域的发展趋势，也是时代进步所带来社会需求的提升。在天线系统中，移相器的体积和插损是很难降低的。作为实时可编程的微波波束器件，传统的液晶微波相控阵，为了达到2π的移相范围，可通过计算材料的介电变化范围△ε确定移相器的传输线长度。由于材料和传输线长度的局限性，传统的液晶微波移相器插损和体积很难降低，不适用于高增益和高集成度的阵列天线。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于矢量正交法的液晶移相器及调控方法，可有效解决传统液晶移相器插损大，集成度低等问题。

本发明采用的技术方案为：基于矢量正交法的液晶移相器及调控方法，所述液晶移相器包括：功分器、4个移相器、共面波导耦合微带结构、共面波导延时线。

微波信号从041信号馈入点(即第一端口041)进入后，在第二金属膜层04的功分器046分成两路振幅相等的相干电磁信号，两路电磁信号以上下耦合的方式从共面波导入4个移相单元，调制移相单元的相移量，产生两路信号之间的相位差，控制移相单元输出在第二端口042和第三端口043的信号强度；通过在第二端口042与第三端口043处加载不同长度延时线，当两条延时线长度差为四分之一波长时，形成振幅比可调的正交信号，将正交信号进行合成后输出。

通过调制正交信号振幅比，调节合成信号的相位变化。

所述液晶移相器为五层结构，从上至下依次为：第一玻璃基底层、第一金属膜层、液晶层、第二金属膜层、第二玻璃基底层；

所述4个移相器设置于第一金属膜层。所述移相单元为蛇形微带线，蛇形线拐角处切角半径均为35um。

所述第一金属膜层还包括设置有与各移相器连接的直流偏置线。直流偏置线为低通滤波器结构。

所述功分器、信号馈入点041、第二端口042、第三端口043、信号输出点047设置于第二金属膜层02。

通过对移相单元加电调制，使2个端口处产生信号的相干现象，实现对端口处功率的可分配：

S₁₁＝S₂₂＝S₃₃＝S₂₃＝0

S₁₁信号馈入点信号反射系数，S₂₂是第二端口信号反射系数，S₃₃是第三端口信号反射系数；S₂₁表示是信号馈入点传输到第二端口的信号传输系数，S₃₁表示是信号馈入点传输到第三端口的信号传输系数；S₃₂是第二端口到第三端口的信号传输系数；k表示的是第二端口与第三端口信号强度比；α表示的是信号馈入后到第二端口和第三端口的相位变化量。

本发明的有益效果：本发明采用了矢量合成法设计了移相器，通过调振幅比来调相位，避免传统移相模块移相单元面积大、插损大的劣势，增强了器件性能，提高了系统的集成度和面积利用率；同时本发明对移相单元和传输结构进行了分层设计，避免了直流信号对其他模块的干扰，增加了对器件的控制准确度。

附图说明

图1为本发明基于矢量正交法无源移相器件的结构示意图；

图2为本发明基于矢量正交法液晶移相器的模型示意图；

图3为本发明中第一金属膜层移相器单元和偏置线俯视图；

图4为本发明中第二金属膜层的共面波导功分模型的俯视图；

图5为本发明的液晶移相单元原理示意图；

附图标记：01为第一玻璃基底，02为第一金属膜层，03为液晶层，04为第二金属膜层，05为第二玻璃基底，021为移相单元一，022为直流偏置线一，023为移相单元二，024为直流偏置线二，031为液晶分子，041为信号馈入点，042为第二端口，043为第三端口，044为薄膜电阻，045为第二CPW延时线，046为CPW功分器，047为信号输出点，048为共面波导传输线，049为第一CPW延时线，C-M第二金属层图案对准点，M-C是第一金属层图案的对准点。

具体实施方式

本发明提供了一种基于矢量正交法的新型液晶移相器，主要包括对第一金属层和第二金属层的图案设计，金属厚度设计以及液晶层厚度设计。

如图1所示为本发明器件实现移相的功能模块和流程图。组成该移相器的结构具体可以包括：3dB功分器，移相器1和移相器2，λ/4延时线。以上模块构成了一个正交信号可重构功率分配器，利用正交信号的振幅比变化调制合成信号的相位。

如图2所示，基于图1的物理逻辑图，设计出矢量正交法的液晶移相器模型，包括从上到下依次为第一玻璃基底01，第一金属膜层02，液晶层03，第二金属膜层04，第二玻璃基底05。基底的材质为玻璃，金属膜层为铜层，利用蒸镀和光刻技术手段将金属图案黏附在玻璃基底上。

为了避免直流信号对除移相单元外其他模块的干扰，本发明将移相单元和偏置线设计在第一金属膜层02上。如图3所示，第一金属膜层02的俯视图，包括了移相单元021，移相单元023，与移相单元021相连的直流偏置线022，与移相单元023相连的直流偏置线024。移相单元021和移相单元023尺寸结构一致，直流偏置线022和直流偏置线024的线宽小于移相单元线宽，可实现低通滤波，避免高频电磁信号损失。

如图4所示，第二金属膜层04的俯视图，包括了3dB功分器模型046，薄膜电阻044。从信号发射机发出的微波信号经过SMA接头耦合到信号馈入点041，通过3dB功分器046后，沿支路分成振幅相同的相干电磁信号，薄膜电阻044和两个移相器023通过上下电磁耦合的形式相关联，使得第二端口042和第三端口043的信号相互隔离。

为了保证微波信号在两个金属层间无损耗传输，本发明记第一金属膜层中移相单元的蛇形微带线两端为M-C位置，则第一金属膜层上共包括8处M-C位置；记第二金属膜层中功分器两输出端、共面波导耦合微带结构中两条平行的共面波导传输线两端、以及薄膜电阻两端的相应位置记为C-W位置，则第二金属膜层上共包括8处C-W位置；当第二金属膜层上的这8处C-W位置与第一金属膜层上的这8处M-C位置上下对齐时，微波信号通过电磁耦合的形式在两个金属层间无损耗传输。

在共面波导传输线048中，长度为L1传输线与移相单元021构成移相器1，长度为L2传输线和移相单元023构成移相器2。

共面波导传输线045和049的长度差形成信号间固定90°相位差，使两路信号变成正交信号。

当电压通过直流偏置线022和直流偏置线024加载在移相单元021和移相单元023上，移相单元和参考地04之间形成电压差，使03液晶层中的液晶分子031发生旋转。液晶移相原理如图5所示，微带金属线02和与参考地04之间产生了电压差，03液晶层中液晶分子031在分子力的作用发生旋转，有效介电常数发生改变。

通过控制移相器1和移相器2产生的移相量和来改变正交信号振幅比，从而控制信号输出点047矢量信号的相位。

移相量可以根据介电改变量△ε和移相单元长度l计算得出：

其中，ε_||表示液晶材料介电张量的平行分量，ε_⊥表示液晶材料介电张量的垂直分量。

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。