一种液晶移相器及液晶天线的制作方法

1.本发明属于天线技术领域，具体涉及一种液晶移相器及液晶天线。


背景技术：

2.随着通信系统的逐渐演进，移相器得到了越来越广泛的应用，液晶天线是基于液晶移相器而制成的新型阵列化天线，是一种对电信号和射频信号进行转换的装置，现广泛应用于卫星接收天线、移动交通工具收发天线、基站天线等领域。
3.其中，液晶移相器是液晶天线的核心部件，用于对电磁波相位进行调节。然而现有的液晶移相器设计中，液晶材料容易出现反倾斜现象，由于分子间的作用力，出现反倾斜的区域会影响到附近液晶的排列，导致液晶排列紊乱不能按照预定的介电常数工作，进而影响液晶移相器对电磁波相位的调制精确度。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种液晶移相器及液晶天线，以解决现有液晶移相器及液晶天线中液晶材料容易出现反倾斜现象，导致相位调制精确度低的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种液晶移相器，包括层叠设置的上基板、第一电极层、第一取向层、液晶层、第二取向层、第二电极层和下基板；
6.所述第一取向层和所述第二取向层均具有设定的预倾角，用于对所述液晶层进行预取向；
7.当采用液晶ecb模式时，所述第一取向层和所述第二取向层的预倾角设置为2～5
°
；当采用液晶va模式时，所述第一取向层和所述第二取向层的预倾角设置为80～89
°
。
8.作为本发明的进一步改进，所述第一取向层和所述第二取向层的厚度均为20-500nm。
9.作为本发明的进一步改进，所述第一取向层和所述第二取向层设置有相同角度的预倾角。
10.作为本发明的进一步改进，所述液晶层相对的两侧分别与所述第一取向层和所述第二取向层接触。
11.作为本发明的进一步改进，所述液晶移相器还包括边框胶，所述边框胶环绕设置在所述液晶层四周，所述液晶层通过所述边框胶封装在所述第一取向层和所述第二取向层之间。
12.作为本发明的进一步改进，所述边框胶内设置有若干个间隔子，所述间隔子用于调整所述液晶层厚度。
13.作为本发明的进一步改进，所述第一电极层和所述第二电极层在所述液晶层的两端形成电场，用于调控所述液晶层内液晶分子的扭转角度。
14.作为本发明的进一步改进，所述第二电极层包括偏置电极，所述偏置电极用于连接外围驱动，控制所述第一电极层和所述第二电极层之间的电场强度。
15.作为本发明的进一步改进，所述第一电极层包括接地电极层；所述第二电极层还包括传输电极，所述接地电极层在所述下基板的垂直投影覆盖所述传输电极所在区域。
16.本发明还提供了一种液晶天线，所述液晶天线包括上述的液晶移相器。
17.与现有技术相比，本发明提供的一种液晶移相器及液晶天线，采用无机物作为取向层，有效提高了光稳定性，提高了液晶天线的耐候性，同时设置预倾角在2～5
°
或85～89
°
预倾角的取向层，有效防止了液晶材料在液晶移相器内的反倾斜现象，提高了对电磁波的相位调制精确度。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本发明实施例提供的一种液晶移相器的结构示意图；
20.图2是本发明实施例提供的一种液晶移相器中通过蒸镀方法设置预倾角的结构示意图；
21.图3是本发明实施例提供的一种液晶移相器及液晶天线的阵列示意图。
22.附图标记说明
23.10-上基板；101-辐射电极；102-辐射耦合缝隙；20-第一电极层；30-第一取向层；40-液晶层；41-边框胶；50-第二取向层；60-第二电极层；601-馈入电极；602-传输电极；603-偏置电极；604-偏置电极接口；605-馈入耦合缝隙；70-下基板；80-馈入单元；90-辐射单元。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
25.为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
26.为了解决现有液晶移相器及液晶天线中液晶材料容易出现反倾斜现象，导致相位调制精确度低的问题，本实施例提供了一种液晶移相器，请参照图1，该液晶移相器包括相对设置的上基板10和下基板70，以及位于上基板10和下基板70之间的液晶层40。
27.进一步地，所述上基板10面向液晶层40的一侧依次设置有第一电极层20和第一取向层30，下基板70面向液晶层40的一侧依次设置有第二电极层60和第二取向层60，且液晶层40相对的上下两侧分别与第一取向层30和第二取向层60接触。
28.在本实施例中，上基板10和下基板70选用稳定性和绝缘效果较佳且介电损耗低的材料，如选用石英玻璃、高硼含量玻璃等材料进行制作，其介电损耗值优选的需小于0.005@
10ghz；这里需要进行说明的是，由于高介电损耗材料的介电损耗值大，介电损耗也就越大，导致电磁波信号的传递效率也就越差，而本实施例中上基板10和下基板70选用低介电损耗材料，损耗越低电磁波传输性能也就越好，能够有效减少电磁波信号经过基板及液晶层40造成的非辐射损耗，进一步提升了该电磁波信号最终的发射功率。
29.进一步地，上基板10和下基板70之间还设置有边框胶41，该边框胶41环绕设置在液晶层40的侧向四周，将液晶层40封装在第一取向层30和第二取向层50之间，且该液晶层40的上下两侧分别与第一取向层30和第二取向层50接触，进而形成该液晶器件；同时边框胶41内还设置有若干个间隔子(图中未画出)，若干个间隔子用于调整液晶层40以及该液晶器件的整体厚度。
30.在本实施例中，液晶层40采用液晶材料进行制备，并设置其
△
ε＞0.5(@10ghz)，其中
△
ε＝|ε∥-ε
⊥
|；
△
ε表示液晶材料在平行于基板和垂直于基板两种状态下介电常数差值的绝对值，ε∥表示液晶材料在平行于基板时的介电常数，ε
⊥
表示液晶材料在垂直于基板时的介电常数。
31.由于液晶层40内的液晶分子是介电常数各向异性材料，通过改变液晶分子的扭转角度可以改变其介电常数，当液晶层40内各液晶分子扭转方向不同时，此时对经过该液晶层40的电磁波信号而言就具有不同的介电常数，使得电磁波信号经过该液晶层40后相位发生改变，从而实现调制相位的效果。
32.进一步地，液晶层40与第一电极层20之间设置有第一取向层30，在液晶层40与第二电极层60之间设置有第二取向层50，第一取向层30和第二取向层50用于对液晶层40内的液晶分子的初始偏转角度进行限定，经过取向后的液晶分子会沿着基板平行方向排列或垂直方向排列，具体的，第一取向层30和第二取向层50的厚度优选设置在20-500nm范围内。
33.在本实施例中，上基板10的底部设置有第一电极层20，下基板70的顶部设置有第二电极层60，第一电极层20和第二电极层60用于对液晶层40内的液晶分子施加电场；具体的，第一电极层20为接地电极层；第二电极层60包括有馈入电极601和与馈入电极601连接的传输电极602、偏置电极603以及与偏置电极603配合使用的偏置电极接口604；其中馈入电极601与传输电极602电连接，馈入电极601用于接入外部电磁波信号，传输电极602用于传输电磁波信号，偏置电极接口604用于连接外围驱动电压。
34.传输电极602可采用高电导率金属制作，但并不限于金属材料，可以设置为如氧化铟锡(ito)、导电纳米银线、导电纳米金线、石墨烯、钼/铝/钼等复合导电层，其厚度大于0.5um，其方块电阻为ω1，为了保证电磁波信号在传输电极602的损耗足够小，传输电极602的电阻ω1就要足够的低，因此传输电极602就需要设置有一定的电极厚度，而大部分高电导率金属在一定频率下电荷在电极富集的厚度在0.5um左右，所以此处传输电极602的厚度至少应大于0.5um，可以大大降低电磁波信号在传输过程中造成的损耗。当然，在其它的实施例中，传输电极602的制作材料及厚度可根据实际情况进行调整，此处不做限制。
35.偏置电极603可采用低电导率金属或氧化物进行制作，偏置电极接口604连接外围驱动电压，从而控制第一电极层20和第二电极层60之间的电场强度，来改变液晶层40内液晶分子的扭转角度，其电极厚度＜0.2um，其方块电阻为ω2。
36.需要说明的是，上述传输电极602和偏置电极603应当满足σh》σ
l
、ω2/ω1》100；这样设置是为了使电磁波信号尽可能的在传输电极602上传输，而不落到偏置电极603上，防
止电磁信号在偏置电极603处造成更多损耗，因此需要传输电极602的电导率更大、电阻更小，偏置电极603的电导率更小、电阻更大，可以有效减少电磁波信号在传输过程中的损耗，使得该液晶移相器具有较低的功耗和高的信噪比。
37.进一步地，接地电极层的制作材质与传输电极602相同，同样采用高电导率金属制作；同时，该接地电极层在下基板70的垂直投影应覆盖传输电极602所在区域，即该传输电极602所在的区域应被该接地电极层垂直方向的投影所包含。
38.进一步地，传输电极602和偏置电极603应当设置在同一平面上，偏置电极接口604用于连接外围驱动电压，当给偏置电极603加载小于1khz的低频交流电后，由于电磁波工作频率在1ghz以上，因此该加载的低频交流电和传输的电磁波信号这两种频率信号互相不干扰对方；此时，第一电极层20和第二电极层60之间就存在了电压差，会在液晶层40的两端形成电场，电场驱动液晶层40内液晶分子的扭转角度发生改变，相当于改变了液晶层40的等效介电常数，电磁波信号经过该液晶层40后相位发生改变，从而实现了调制电磁波信号相位的效果；需要进行说明的是，当第一电极层20和第二电极层60之间不施加电场时，液晶层40内液晶分子在第一取向层30和第二取向层50的作用下沿预设方向平行排列或垂直排列。
39.具体的，此处的相位调控原理可以用公式进行解释说明：其中等式左边为相位，等式右边f为电磁波频率，εr为介质的介电常数，l为液晶移相器的电学长度，c为光速，当中εr液晶材料介电常数可以通过偏置电极603连接外围驱动电压，通过改变第一电极层20和第二电极层60之间的电场强度，控制液晶层40内液晶分子的偏转角度，进而可以对移相过程中电磁波信号的相位进行调控。
40.在本实施例中，馈入电极601用于馈入外部电磁波信号，可采用高电导率材料如au，cu，ag等进行制作，其电极厚度＞0.5um，外部电磁波信号通过标准接头sma传输到馈入电极601，馈入电极601与传输电极602之间还设置有馈入耦合缝隙605，电磁波信号经馈入耦合缝隙605后馈入到传输电极602上，该馈入耦合缝隙605等效于特定电容，在高频情况下电容的阻抗较小，耦合损耗也较小。
41.为了防止液晶层40内的液晶分子出现反倾斜现象，影响附近液晶分子的排列，导致该液晶层40内液晶材料排列紊乱，使得该液晶器件不能按预定的介电常数工作的情况发生，本发明实施例提供的第一取向层30和第二取向层50均设置有相同角度的预倾角，且液晶层40内的液晶分子在第一取向层30和第二取向层50的作用下会按照一特定方向排列，经过软件拟合可知，该特定方向由取向层的预倾角方向决定，同时，经过第一取向层30和第二取向层50取向后的液晶分子会沿着基板平行方向排列或垂直方向排列。
42.具体的，当采用液晶ecb模式即液晶平躺模式时，为了使经过取向后的液晶分子沿着基板平行方向排列，第一取向层30和第二取向层50的预倾角应设置在2～5
°
范围内；当采用va模式即液晶垂直模式时，为了使经过取向后的液晶分子沿着基板垂直方向排列，第一取向层30和第二取向层50的预倾角应设置在80～89
°
范围内。
43.通过软件拟合可知，对于液晶ecb模式，当预倾角设置为0
°
加载电压时，有50％概率出现反倾斜现象，因而预倾角越大，反倾斜越不容易发生，因此第一取向层30和第二取向层50的预倾角应设置在2～5
°
范围内；同理对于液晶va模式，当预倾角设置为90
°
加载电压时，有50％概率出现反倾斜现象，因而预倾角越小，反倾斜越不容易发生，因此第一取向层
30和第二取向层50的预倾角应设置在80～89
°
范围内。
44.需要说明的是，本发明实施例此处提供的2～5
°
及80～89
°
是经过多次拟合操作后得出的最佳预倾角选择范围，并非限制预倾角只能在该数值范围内进行调整，本领域技术人员可根据需求对第一取向层30和第二取向层50的预倾角进行调整，此处不做进一步限制。
45.在本实施例的一个具体实施方式中，第一取向层30和第二取向层50可以采用现有技术中的pi摩擦工艺制成，具体由聚酰亚胺材料进行制作，聚酰亚胺材料简称pi材料，取向时对第一取向层30和第二取向层50进行摩擦取向，聚酰亚胺材料往一个方向跑列，使得液晶层40内的液晶分子按照预设顶的方向进行排列，上述pi摩擦工艺步骤为本领域技术人员所知晓，故在此不做赘述。
46.请参照图2，在本实施例的一个具体实施方式中，为了提高液晶器件的光稳定性，提高液晶天线的耐候性，第一取向层30和第二取向层50可通过倾斜蒸镀无机氧化物sio2的方式进行取向，具体过程为在5
×
10e-3pa以下的高真空进行sio2材料蒸镀，蒸镀速率控制在0.5nm/s，基板倾斜设置在在蒸镀源上方位置，其中基板所在平面的法向与基板中心跟蒸镀源连线的角度为β,第一取向层30和第二取向层50的预倾角角度由此β决定。
47.在本实施例的另一个具体实施方式中，第一取向层30和第二取向层50也可以采用uv光线照射取向的方法，在已经铺设有电极层的基板上均匀涂布光取向材料如含偶氮基团的聚合物，含肉桂酰基团的聚合物或者聚酰亚胺材料，随后对其进行预固化以蒸发溶剂形成固态薄膜，再将固化好的带取向材料的基板使用uv光照射以形成最终的取向层。
48.进一步地，上基板10远离液晶层40的一侧设置有辐射电极101，该辐射电极101与馈入电极601配合使用，馈入电极601用于馈入电磁波信号，辐射电极101用于向外辐射经该液晶器件调控相位后的电磁波信号。
49.传输电极602与辐射电极101之间还设置有辐射耦合缝隙102，该辐射耦合缝隙102等效于特定电容，在高频情况下该特定电容的阻抗较小，耦合损耗也较小，调控相位后的电磁波信号经辐射耦合缝隙102后传输至辐射电极101，随后由辐射电极101向外辐射。
50.本液晶移相器的工作原理为：馈入单元80内的馈入电极601馈入电磁波信号，电磁波信号经传输电极602传输至液晶层40，在偏置电极603的作用下第一电极层20和第二电极层60之间形成电场，液晶层40内液晶分子的偏转方向发生改变，使得其等效介电常数发生改变，该电磁波信号经过液晶层40后相位发生改变，从而实现了相位调控，结束相位调控后该电磁波信号通过辐射单元90内的辐射电极101向外辐射。需要进一步说明的是，上述馈入单元80具体包括馈入电极601、馈入耦合缝隙605，辐射单元90具体包括辐射电极101和辐射耦合缝隙102。
51.请继续参照图3，本实施例还提供有一种液晶天线，图3为由2
×
2个上述液晶移相器阵列构成的液晶天线的结构示意图；当然本实施例提供的天线结构也可以是由m
×
n个上述液晶移相器阵列构成，其中m、n均为大于等于2的自然数；图中箭头方向为电磁波信号传输方向。
52.该液晶天线包括馈入系统、移相器系统、偏置系统及辐射系统，该馈入系统由上述液晶移相器中的馈入电极601阵列构成，用于将电磁波信号馈入到移相器系统内；移相器系统由上述液晶移相器中的传输电极602和液晶层40阵列构成，该电磁波信号经传输电极602
传输至各液晶移相器中的液晶层40；偏置系统由上述液晶移相器中的偏置电极603阵列构成，在偏置电极603的作用下液晶层40的等效介电常数发生改变，使得该电磁波信号经该液晶层40后相位发生改变；辐射系统由上述液晶移相器中的辐射电极101阵列构成，结束相位调控后的电磁波信号经该辐射系统向外辐射。
53.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。