射频移相装置的制作方法

本发明涉及带有包括第一电极和第二电极的传送线的射频移相装置，第一电极和第二电极彼此间隔有距离，并且适合和被用于射频电磁信号沿第一电极和第二电极以在相应电磁信号之间带有180°的相差的传播，其中可调谐介电材料影响沿传送线传播的电磁信号的移相。

背景技术：

移相装置能够用于修改在像电磁波或信号的峰值或零交叉的两个对应特征之间的相对位移，而不更改电磁波或信号的频率。当相同频率的两个或不止两个电磁信号被堆叠时，结果取决于在相应电磁信号之间的相差。电磁信号能够被强化或弱化。此外，通过堆叠由相应天线放射的两个或不止两个电磁波，在放射的电磁波之间的相差将确定电磁波的强化叠加的方向，从而产生源于相应天线的辐照的优选方向。

为增强来自给定方向的电磁辐照的接收或发射，相控阵天线包括被彼此相邻分布的几个天线元素。由相应天线收到或发射的电磁信号的相差以此类方式被预确定，使得相应信号的叠加针对给定方向而被最大化，从而产生针对所述方向的增强信号灵敏度或信号发射。

存在形成在进入和外出信号之间的预置相差的已知现有技术移相装置。配有此类恒定移相装置的相控阵天线能够被设计成针对给定单个方向而使信号灵敏度或信号发射最大化。

此外，例如在ep2761693a1或ep2956986b1中已知或描述了带有可调谐相差的移相装置。这些移相装置包含线性传送线，其包括彼此间隔有距离的第一电极和第二电极，其中可调谐介电材料被布置在第一电极与第二电极之间。由可调谐移相装置形成的相差能够被调谐，即，它能够被操作以产生不同相差，由此相应相差能够通过应用到影响沿线性传送线的信号的相位的可调谐介电材料的控制设置而被修改和控制。根据在给定时间的要求，能够以此类方式（如更改增强信号灵敏度或信号发射的方向）操作具有与此类可调谐移相装置互连的几个天线的相控阵天线。

因此，构建带有自适应波束形成的相控阵天线所必需的关键组件之一是可调谐移相装置，其表示能够动态调整射频信号的相位或延迟的装置。通常，存在用于阵列天线的每个放射元素的至少一个移相装置。每个移相器装置又由馈送网络来馈送。由于通常要求的大量放射元素，至少相等大量的移相装置必须被集成在此类相控阵天线中的有限区域内。

相应地，存在对允许方便制造、要求少的空间和提供在输入信号与输出信号之间大的相差的移相装置的需要。如果技术能够用于在例如0.5平方米的面积（这是用于以例如20ghz的频率操作的相控阵天线的典型表面面积）上以高密度制作大量的电极，则方便制造是可能的。必需的制作技术原则上从液晶显示器（lcd）制造已知，但通常未被应用于构建相控阵天线。为采用lcd制造的制作技术，必须找到适合的可调谐移相器拓扑，其能够在电和还有机械两者上被集成在相控阵天线系统中。

相应地，存在对允许方便制造、要求少的空间和提供在输入信号与输出信号之间大的相差的移相装置的需要。

技术实现要素：

本发明涉及带有具有第一电极和第二电极的传送线的射频移相装置，由此传送线包括几个非重叠区段，其中第一电极向第二电极延伸某个距离，并且由此传送线包括几个重叠区段，其中第一电极的重叠区域被电容器电极区域重叠，并且其中第二电极的重叠区域被电容器电极区域重叠以便提供在重叠区段内的平行板电容器区域，并且由此可调谐介电材料被布置在相应电容器电极区域与第一电极的重叠区域和第二电极的重叠区域之间，其影响沿传送线的重叠区段传播的射频电磁信号的相位。沿传送线传播的电磁信号的相位将受沿传送线分布的平行板电容器区域影响。电磁信号优选是带有在20khz到300ghz的范围中频率的射频信号。移相装置适于传送此类射频信号并且影响和修改此信号的相位。

从拓扑角度而言，带有非重叠区段和带有重叠区段的传送线类似于周期性加载的差分或平衡传送线。所得移相尤其取决于沿传送线被实现的平行板导体区域的数量和面积。

优选地，可调谐介电材料是其中介电特性对被应用于液晶材料的电场具有高依赖性的液晶材料。适合的液晶材料及其它可调谐介电材料在技术领域为人所熟知，并且在市场上可得到。被应用于液晶材料的电场堆叠沿传送线传播的射频信号，但这不会严重干扰信号传播。

根据本发明的有利方面，第一电极的重叠区域重叠第二电极的重叠区域，以便提供一个平行板电容器区域。因此，不要求专用和单独的电容器电极。第一电极和第二电极被分成彼此不重叠的区段以及被分成彼此重叠的区段。可调谐介电材料被布置在第一电极与第二电极之间。可调谐介电材料可被布置为由玻璃或其它材料限定的层。层的表面可在两个电极上延伸，并且覆盖第一电极和第二电极的区段部分和非重叠区段。也可能限制可调谐电材料以分隔只覆盖在第一电极与第二电极之间相应的电容器电极区域的区域。

根据本发明的备选方面，第一电极和第二电极被并排布置，并且电容器电极以某种方式被布置在第一电极和第二电极的上方或下方，使得第一电容器电极区域重叠第一电极的重叠区域，并且使得第二电容器电极区域重叠第二电极的重叠区域，因此提供在重叠区段内的相应重叠区域与电容器电极之间的两个平行板电容器区域。第一电极和第二电极可在移相装置的相同水平上彼此相邻布置。除第一和第二电极外，至少一个或一些（但优选是许多）电容器电极被布置在第一和第二电极的下方或上方或下方和上方的另一水平。单独电极器电极的使用允许沿传送线的平行板电容器区域的复杂形状，并且可简化移相装置的制造。

根据本发明的有利实施例，第一电极被布置在第一衬底层的第一表面，第二电极被布置在第二衬底层的第二表面，由此第一衬底层的第一表面面向第二衬底层的第二表面，并且由此第一表面被布置在距第二表面的某个距离处。通过导电材料到对应非传导衬底层上的沉积，能够制造第一电极和第二电极。两个衬底层能够彼此间距有距离，由此限定可调谐介电材料的中间层。此类夹层结构能够通过可轻松控制和可靠的方法来制造。空间要求对于夹层结构的厚度是大约一毫米。夹层结构的制造类似于液晶显示器的制作，并且能够被集成到随后包括此类移相装置的相应生产方法中。衬底层能够由玻璃或带有非传导或足够低传导特性和带有充分表面平滑度的任何其它材料制成。

根据本发明的有利实施例，第一衬底层的第一表面和第二衬底层的第二表面限定可调谐介电材料。因此，不要求另外衬底层来限定可调谐介电材料，这降低了用于移相装置的大小和制造成本。

在本发明的另一方面，第一电极和第二电极每个包括条形传送线段，由此两个传送线段沿传送线指向。条形传送线段通常具有均匀宽度。两个传送线段能够具有线形形状，即，条形传送线段沿直线延伸，由此相应传送段是平行的，并且处在距彼此的某个距离处。

条形传送线段也能够是弯曲的。也可能条形传送段包括与角或弯曲区段组合的线性区段。此外，条形传送段可也具有螺旋形或迂曲形状。条形传送线段也可具有之字形图案。

根据本发明的另一方面，第一电极和/或第二电极的重叠区域中的每个从第一电极和/或第二电极的相应条形传送线段横向突出。从上方观察时，第一电极和第二电极的组合形状能够类似于阶梯，其中第一电极和第二电极的条形传送线段类似于第一和第二梯梁，并且其中横向突出重叠区域类似于阶梯的梯级。阶梯的每个梯级包括从第一电极的条形传送线段突出的一个重叠区域和从第二电极的条形传送线段突出的一个重叠区域。即使第一和第二电极的两个相应重叠区域确实重叠，它们也是间隔分开的，并且通过在第一电极与第二电极之间或者至少在第一电极与第二电极的重叠区域之间的可调谐介电材料分开。

在本发明的又一实施例中，第一和第二电极的相应重叠区域提供矩形或方形平行板电容器区域。然而，重叠区域可具有对期望的移相或者对包括移相装置的电子组件的设计有利的任何形状和轮廓。

在本发明的又一方面，沿传送线的随后平行板电容器区域在距彼此的相应距离方面和/或在大小方面和/或在形状方面不同。因此，平行板电容器区域可具有相同形状和大小，并且可沿传送线以规则图案布置。然而，布置沿传送线具有不同形状或大小的平行板电容器区域例如对信号传播或对降低的大小或制造成本可能是有利的。此外，在两个相邻平行板电容器区域之间的距离可根据与移相装置的大小或成本有关的需求而改变，或者改变以便允许移相装置的增强移相属性或更佳信号传播。

根据本发明的另一方面，第一和第二电极能够被参考位于衬底层的面向外的表面上的一个或多个接地电极。然而，移相装置不依赖接地电极的存在。如果例如出于集成具有相控阵天线的其它层的夹层结构的原因，一个或多个接地电极是必需的，则在与没有接地电极的移相装置相比时，能够轻松地调整条形传送线段的大小和距离。

根据本发明的一方面，第一电极和第二电极被电连接到偏置电压源。偏置电压能够是恒定偏置电压，或者优选是频率高达几khz的低频电压。偏置电压不干扰沿移相装置的传送线的信号传播。由偏置电压施加到第一和第二电极的偏置电压影响被布置在第一与第二电极之间的可调谐介电材料的介电特性。通过将偏置电压施加到第一和第二电极，并且由此影响和更改在平行板电容器区域之间可调谐介电材料的介电属性，能够根据相应要求，轻松和可靠地控制和修改在移相装置的输入信号与输出信号之间的相差。

根据本发明的有利实施例，第一电极被连接到第一偏置电极，第一偏置电极被连接到偏置电压源，并且第二电极被连接到第二偏置电极，第二偏置电极被连接到偏置电压源。与第一电极和第二电极的宽度相比，偏置电极的宽度能够是小的。该宽度能够是第一或第二电极的宽度的大约10%或更小。第一和第二偏置电极的小宽度或截面面积有助于第一和第二偏置电极的高阻抗，从而引起电磁信号从第一和第二电极到第一或第二偏置电极中的泄漏降低。

在本发明的又一实施例中，第一和第二偏置电极由带有比第一和第二电极更低导电率的材料构成。偏置电极的所得更高电阻阻止了沿传送线传播的电磁信号从第一和第二电极泄漏到第一或第二偏置电极中。优选地，第一和第二电极由带有超过40*10⁶s/m的高导电率的材料（如例如金或铜）制成或者包括这些材料。第一和第二偏置电极优选具有超过每平方20欧姆的薄层电阻，并且能够由氧化铟锡（ito）或镍铬合金（nicr）制成或者包括它们。

根据本发明的另一方面，第一和第二电极的宽度是在100µm与500µm之间，优选是大约200µm。此外，在第一电极与第二电极之间的重叠区域的宽度是在100µm与500µm之间，优选是大约200µm。第一和第二电极的宽度应小于λ/10，即沿传送线传播的电磁信号的特性波长的十分之一。在第一电极与第二电极之间的横向距离能够小于50µm或者甚至小于25µm。对于大多数应用，距离是在10µm与200µm之间。然而，也可能提供超过200µm的距离。通常，距离小于λ/10被认为是有利的。

本发明也涉及相控阵天线，其包括布置在衬底层的表面的几个天线元素、在其处向或从几个天线元素传送信号的单个入口点、以及如上所述的对于每个天线元素的对应移相装置，由此从单个入口点向相应天线元素传送或者被从相应天线元素向单个入口点传送的每个信号的相位被修改，以便根据天线系统的放射的优选方向，调整每个信号的叠加。

为降低空间要求和促进制造，相控阵天线包括在彼此顶上布置的带有入口点的基层、带有第一电极的第一衬底层、包括可调谐介电材料的可调谐层、带有第二电极的第二衬底层和带有放射天线结构的天线层。第一和第二电极能够通过以下任何适合的方法被布置在第一和第二衬底层的相应表面上：例如通过印刷或气相沉积，或者通过在半导体工业内使用的任何方法。相控阵天线的横向尺寸能够是几毫米或多达几厘米或几分米。尺寸优选适于由相应天线接收或发射的电磁信号的频率。并入相控阵天线的天线越多，横向尺寸将越大。个体天线优选以矩形或方形形状的规则网格图案布置。然而，也可能以带有个体天线的几个同心圆的圆形布置相控阵天线的天线。

根据本发明的有利实施例，第一衬底层和第二衬底层由玻璃材料构成，并且可调谐层包括带有可调谐介电属性的液晶材料。

附图说明

当参照以下详细描述和附图时，将更全面地理解本发明，并且另外特征将变得明显。图只是表示性的，并且不旨在限制权利要求的范围。实际上，本领域技术人员可在阅读以下说明书和查看呈现的图时领会，在不偏离本发明的创新概念的情况下，能够对其进行各种修改和变化。图中描绘的类似部分由相同的参考数字引用。

图1图示了包括以方形网格图案布置的64个个体天线的相控阵天线的示意顶视图，

图2图示了单一移相装置的传送线的示意顶视图，

图3图示了如图2中所示出的沿线条iii-iii所取的传送线的截面图，

图4图示了如图2中所示出的沿线条iv-iv所取的传送线的截面图，

图5图示了如图2中所示出的传送线的拓扑表示，

图6图示了单一移相装置的传送线的示意顶视图，由此第一和第二电极的条形传送线段以之字形图案布置，

图7图示了单一移相装置的传送线的示意顶视图，由此条形传送线段展示方波迂曲图案，

图8图示了单一移相装置的传送线的示意顶视图，由此沿传送线的平行板电容器面积在大小方面和在形状方面不同，

图9图示了单一移相装置的传送线的示意顶视图，由此第一电极5和第二电极6被几个电容器电极重叠，

图10图示了如图9中所示出的沿线条x-x所取的传送线的截面图，以及

图11图示了如图9中所示出的沿线条xi-xi所取的传送线的截面图。

具体实施方式

图1中示出的相控阵天线1包括以带有8x8个天线元素2的方形网格图案布置的64个个体天线元素2。在中心中存在位于网格图案的背侧上的单一信号馈送点3。电磁信号，优先是射频信号，能够通过信号馈送点3被引入到相控阵天线1中，并且分布到所有相应天线元素2。以相同的方式，由相控阵天线1的个体天线元素2收到的电磁信号能够被传送到信号馈送点3，并且从相控阵天线提取。所有个体天线元素2与信号馈送点3连接。连接包括用于每个个体天线元素2的专用移相装置，然而，移相装置未在图1中示出。

移相装置能够是个体天线元素2到信号馈送点3的电连接。优选地，对于每个天线元素2，对应移相装置只是到信号馈送点3的电连接的一部分或区段。

图2图示了单一移相装置的传送线4的示意顶视图。传送线4包括第一电极5和第二电极6，由此第一电极5相对于第二电极6处在不同水平，因此产生在第一电极5与第二电极6之间的距离。在图2中，第一电极5在第二电极6的顶部上。为更好地图示在第一电极5与第二电极6之间的横向距离，第一和第二电极5、6被示为相对于彼此是稍微位移的，并且在第一电极5的对应部分的下方的第二电极6的相应部分通过虚线示出。

第一电极5与第二电极6中的每个包括在信号传播方向9的方向上沿直线延伸的条形传送线段7、8。在定期间隔，矩形重叠区域10、11从第一电极5和第二电极6的相应条形传送线段7、8横向突出。在传送线4的重叠区段12内，第一电极5的一个重叠区域10与第二电极6的一个对应重叠区域11重叠。在从顶部查看时，两个重叠区域10、11提供方形形状的平行板电容器区域13。传送线4的重叠区段12与非重叠区段14交替，非重叠区段14仅包括处在距彼此某个距离并且不像在传送线4的重叠区段12内重叠的条形传送线段7、8。

非重叠区段14不对在信号传播方向9的方向上沿传送线4的第一和第二电极5、6传播的电磁信号的相位更改太多，因为仅一小部分的电磁场穿透可调谐层。然而，每个重叠区段12影响传播的电磁信号的相位，导致从能够被轻松集成到图1的相控阵天线1的移相装置的高达2π或更多的显著的移相。

第一偏置电极15被连接到第一电极5的条形传送段7，并且在第一电极5的重叠区域10的相反方向上投射。类似地，第二偏置电极16被连接到第二电极6的条形传送段8，并且在第二电极6的重叠区域11的相反方向上投射。第一和第二偏置电极15、16被连接到图2中未示出的偏置电压源。偏置电压源提供恒定的电压，即dc电压，或者提供低频率ac电压，其被施加到第一和第二电极5、6，并且在第一电极5与第二电极6之间的空间中形成电场，由此堆叠沿传送线4传播的信号的电磁场。电场垂直于视图的平面，即垂直于图2中示出的平行板电容器区域13。由于第一和第二偏置电极15、16的材料和小的宽度，第一和第二偏置电极15、16的阻抗比第一和第二电极5、6的条形传送段7、8的阻抗要高得多，这阻止了传播的电磁信号从第一和第二电极5、6泄漏到第一和第二偏置电极15、16和远离传送线4。通过选择高度电阻偏置电极材料，能够进一步增大偏置电极的阻抗。

图3和4图示了带有如图2中所示出的传送线4的移相装置17的两个剖视图。图3是传送线4的非重叠区段14的剖视图，而图4是传送线4的重叠区段12的剖视图。

第一电极5在由玻璃材料制成的第一衬底层18的顶部上。第二电极6在也由玻璃材料制成的第二衬底层19的顶部上。第一和第二衬底层18、19被布置在距彼此某个距离处，其中第一电极5面向第二电极6。在第一和第二衬底层18、19之间，存在被填充有液晶材料的可调谐层20。通过将不同偏置电压施加到第一和第二电极5、6，从而在第一与第二电极5、6之间产生不同量级的电场，能够修改液晶材料的介电属性。在如图3中所示出的重叠区段12中，第一电极5的重叠区域10、第二电极6的对应重叠区域11和在其之间中的液晶材料提供带有取决于偏置电压的电容的平行板电容器。

如图5中所图示的传送线4的拓扑表示是带有两个电极5、6和与非重叠区段14交替的重叠区段12的电容性负载21的周期性加载的差分传送线的拓扑表示。

图6图示了传送线4的备选实施例的示意顶视图，由此第一和第二电极5、6的条形传送线段7、8以之字形图案布置。与如图2中所示出的传送线段7、8的直线布置相比，这允许沿传送线4的重叠区段12之间相应第一和第二电极5、6的更长非重叠区域22。

图7图示了单一移相装置的传送线4的示意顶视图，由此条形传送线段7、8展示方波迂曲图案。第一电极在图7a中被单独示出，第二电极在图7b中被单独示出，并且第一和第二电极5、6两者的重叠布置在图7c中被示出。

图8图示了单一移相装置的传送线的示意顶视图，其类似于图2中示出的实施例。然而，沿传送线4的平行板电容器区域13在大小方面和在形状方面不同。进一步，在随后平行板电容器区域13之间的距离也可沿传送线4而改变。

图9图示了单一移相装置的传送线的示意顶视图，由此第一电极5和第二电极6每个由沿等于信号传播方向9的传送线4的方向指向的直线条形传送线段7、8组成。传送线段7、8被垂直于信号传播方向9而指向的几个矩形电容器电极23重叠。每个电容器电极23的第一电容器电极区域24与第一电极5的对应重叠区域10重叠，并且每个电容器电极23的第二电容器电极区域25与第二电极6的对应重叠区域11重叠。因此，第一和第二电容器电极区域24、25和第一和第二电极5、6的对应重叠区域10、11提供传送线4的每个重叠区段12内的两个单独平行板电容器区域13。

图10和11图示了带有如图9中所示出的传送线4的移相装置17的两个剖视图。图10是传送线4的非重叠区段12的剖视图，而图11是传送线4的重叠区段14的剖视图。第一和第二电极5、6二者均在相同水平上，并且在由玻璃材料制成的第一衬底层18的顶部上。矩形电容器电极23在也由玻璃材料制成的第二衬底层19的顶部上。第一和第二衬底层18、19被布置在距彼此某个横向距离处，其中第一和第二电极5、6面向电容器电极23。在第一和第二衬底层18、19之间，存在被填充有液晶材料的可调谐层20。通过将不同偏置电压施加到第一和第二电极5、6和到电容器电极23，从而产生在第一和第二电极5、6与电容器电极23的相应重叠区域24、25之间的不同量级的电场，能够修改液晶材料的介电属性。在如图3中所示出的重叠区段12中，第一电极5的重叠区域10和电容器电极23的对应重叠区域24以及第二电极6的重叠区域11和电容器电极23的对应重叠区域25与在每个之间中的液晶材料组合，提供带有取决于偏置电压的电容的平行板电容器区域13。被连接到所有电容器电极23的偏置电极16是条形线性偏置电极16，其平行于第一和第二电极5、6而延伸，但与电容器电极23在相同水平上，并且提供所有电容器电极23与未在图中示出的偏置电压源的电连接。