一种紧凑型电调控液晶射频开关

1.本发明涉及一种紧凑型电调控液晶射频开关，属于微波器件工程技术领域。


背景技术：

2.随着科技的不断进步与革新，人们对通信系统中的射频组件要求愈发严格。在射频电路系统中，射频开关是射频前端系统中的重要组件，目前被广泛用于控制雷达和通信系统的微波信号路径。近些年来，随着可调控电磁材料领域的不断突破，使得基于电调控媒质的射频开关技术取得了长足的进步，基于铁氧体和铁电体材料的射频开关具有更高的功率容量和较好的集成度，因此广泛的使用在相控阵雷达系统中。然而，目前无论是铁氧体射频开关还是铁电体射频开关，由于受制于铁氧体材料和铁电体材料本身特性的限制，使其往往需要较大的驱动电场或者驱动磁场，这使得电路系统整体受到较大的电磁干扰，从而造成系统性能受到较大影响，甚至某些极端情况下无法正常运行。
3.液晶是一种各向异性的材料，作为一种单轴晶体，其分子长轴具有一个特定的指向，在外加电场或磁场的作用下，液晶分子的长轴指向将发生偏转，从而引起液晶材料宏观介电常数发生变化。这样的特性使其可以应用在射频开关的设计中。由于液晶材料所需外部驱动电压较小，因此可以解决基于铁氧体或铁电体材料射频开关电磁干扰大的问题。
4.然而，现有的液晶射频开关体积较大、集成度较低，该问题使其无法应用在空间较小、结构紧凑的电路系统中，严重限制了其实际应用价值。


技术实现要素：

5.本发明为了解决现有液晶射频开关体积大、集成度低的问题，提供一种紧凑型电调控液晶射频开关。
6.本发明的技术方案：
7.一种紧凑型电调控液晶射频开关，该射频开关由上到下包括上层介质板1、上层金属贴片2、液晶层3、微带结构4、下层介质板5和金属地6，所述的上层介质板1和下层介质板5为由绝缘材料制成的平板结构，上层金属贴片2位于上层介质板1的下表面，微带结构4位于下层介质板5的上表面，液晶层3位于上层金属贴片2和微带结构4之间，金属地6位于下层介质板5下表面；所述的上层金属贴片2在下层介质板5上的投影与微带结构4交叠。
8.进一步限定，上层介质板1厚度为h1，液晶层3厚度为h2，下层介质板5厚度为h3，上层金属贴片2、微带结构4以及金属地6厚度均为t。
9.进一步限定，上层金属贴片2为两个大小相等且互相平行的矩形金属薄膜，所述的矩形金属薄膜的宽度为w4，长度为l3，两个金属薄膜的外边缘距离为l4，其中0.06λg≤w4≤0.3λg，0.02λg≤l3≤0.1λg，l2≤l4≤0.3λg，λg为工作中心频率所对应的介质波长。
10.进一步限定，微带结构4为金属薄膜包括两个呈镜像对称的传输线单元、两个l型连接线10和下层金属贴片11，每个所述的传输线单元包括外侧微带传输线7、渐变传输线8和内侧微带传输线9，外侧微带传输线7和内侧微带传输线9均为矩形结构，渐变传输线8为
梯形结构，该梯形的上底与内侧微带传输线9相连，该梯形的下底与外侧微带传输线7相连，且两个内侧微带传输线9相邻；
11.所述的下层金属贴片11为矩形结构位于两个内侧微带传输线9的一侧，下层金属贴片11的两端分别通过l型连接线10与内侧微带传输线9相连。
12.进一步限定，上层金属贴片2在下层介质板5上的投影与微带结构4的两个内侧微带传输线9和下层金属贴片11相交叠，所述的上层金属贴片2在下层介质板5上的投影与两个内侧微带传输线9交叠长度为l3。
13.进一步限定，外侧微带传输线7的宽度和渐变传输线8的下底长度均为w2，内侧微带传输线9的宽度与渐变传输线8的上底长度均位w1，渐变传输线8的高度为l1；其中0.02λg≤w2≤0.5λg，0.1λg≤w1≤0.3λg，0.06λg≤l1≤0.3λg，λg为工作中心频率所对应的介质波长。
14.进一步限定，下层金属贴片11与内侧微带传输线9外边缘距离为w4。
15.进一步限定，下层金属贴片11的宽度为w5，长度为l2，其中0.02λg≤w5≤0.2λg，0.04λg≤l2≤0.2λg，l型连接线长度为w3，0.05λg≤w3≤0.1λg，λg为工作中心频率所对应的介质波长。
16.进一步限定，射频开关工作频带范围为16.4-17.3ghz，具体参数取值为w1＝1.2mm，w2＝0.4mm，w3＝0.5mm，w4＝1.5mm，w5＝0.4mm，l1＝1.2mm，l2＝0.8mm，l3＝0.3mm，l4＝0.8mm，t＝0.005mm，h1＝0.7mm h2＝0.005mm和h3＝0.7mm，所述的上层介质板1和下层介质板5的电参数为εr＝4.704和tanδ＝0.0048，所述的液晶层的电参数为ε
r，
⊥
＝2.24、ε
r，//
＝3.22、tanδ
⊥
＝0.057和tanδ
//
＝0.0039。
17.进一步限定，液晶层3的表面具有液晶取向层，保证在没有驱动电压作用时液晶层3的液晶分子长轴指向水平方向。
18.进一步限定，上层介质板1和下层介质板5由绝缘材料制成的平板结构，该绝缘材料可以是普通的电路板基材也可以是玻璃、二氧化硅、陶瓷等其它具有一定硬度且电磁损耗较小的材料。
19.进一步限定，液晶层3的制备过程为：
20.在上层介质板1和下层介质板5之间布置微球、垫片或介质柱等物体保持上层介质板1和下层介质板5形成高度为h2的空隙，然后将液晶材料灌注或喷洒在空隙内形成液晶层。
21.进一步限定，上层金属贴片2、外侧微带传输线7、渐变传输线8、内侧微带传输线9、l型连接线10和下层金属贴片11均为金属薄膜结构，通过印制、蚀刻等方法制作在厚度为h3的下层介质板5的上表面。
22.本发明具有以下有益效果：本发明提供的电控液晶射频开关具有集成度高、体积小、小型化的特点，完善了液晶射频开关在实际应用中的适用场景，且与现有射频开关相比，本发明的电控液晶射频开关采用两个谐振电路级联的形式，实现了良好的开关比，且该射频开关基于液晶材料实现通断状态的有效切换，相比于传统基于铁氧体和铁电体材料实现的射频开关，具有所需外部驱动电压小的显著优势。
附图说明
23.图1为本发明提供的紧凑型电调控液晶射频开关的三维结构示意图；
24.图2为本发明提供的紧凑型电调控液晶射频开关的微带结构示意图；
25.图3为本发明提供的紧凑型电调控液晶射频开关的传输特性仿真结果；
26.图中1-上层介质板，2-上层金属贴片，3-液晶层，4-微带结构，5-下层介质板，6-金属地，7-外侧微带传输线，8-渐变传输线，9-内侧微带传输线，10-l型连接线，11-下层金属贴片。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
28.下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
29.实施例1：
30.本实施例提供一种工作于ku频段的电调控液晶射频开关。如图1-图2所示，该电调控液晶射频开关沿z轴由上到下包括上层介质板1、上层金属贴片2、液晶层3、微带结构4、下层介质板5和金属地6，上层介质板1和下层介质板5为由绝缘材料制成的平板结构，上层金属贴片2位于上层介质板1的下表面，微带结构4位于下层介质板5的上表面，液晶层3位于上层金属贴片2和微带结构4之间，金属地6位于下层介质板5下表面；上层金属贴片2在下层介质板5上的投影与微带结构4交叠(如图2所示虚线部分)。
31.上层金属贴片2和微带结构4通过印制、蚀刻等方法制作在下层介质板5上表面。液晶层3的制备过程为：在上层介质板1和下层介质板5之间布置微球、垫片或介质柱等物体保持上层介质板1和下层介质板5形成高度为h2的空隙，然后将液晶材料灌注或喷洒在空隙内形成液晶层。
32.其中上层介质板1厚度为h1＝0.7mm，液晶层3厚度为h2＝0.005mm，下层介质板5厚度为h3＝0.7mm。
33.上层金属贴片2为两个大小相等且互相平行的矩形金属薄膜，宽度为w4，长度为l3，两个金属薄膜的外边缘距离为l4，其中w4＝1.5mm，l3＝0.3mm，l4＝0.8mm。
34.微带结构4为金属薄膜包括两个呈镜像对称的传输线单元、两个l型连接线10和下层金属贴片11，每个所述的传输线单元包括外侧微带传输线7、渐变传输线8和内侧微带传输线9，外侧微带传输线7和内侧微带传输线9均为矩形结构，渐变传输线8为梯形结构，外侧微带传输线7宽度为w2＝0.4mm，经过长度为l1＝1.2mm的渐变传输线8与宽度为w1＝1.2mm的内侧微带传输线9相连。内侧微带传输线9通过与长度为w3＝0.5mm的l型连接线10与长为l2＝0.8mm宽为w5＝0.4mm的下层金属贴片11相连。
35.上层金属贴片2在下层介质板5上的投影与微带结构4的两个内侧微带传输线9和下层金属贴片11相交叠，所述的上层金属贴片2在下层介质板5上的投影与两个内侧微带传输线9交叠长度与上层金属贴片2的矩形金属薄膜长度相同。
36.下层金属贴片11与内侧微带传输线9外边缘距离与上层金属贴片2的矩形金属薄膜宽度相同。
37.上层介质板1和下层介质板5的电参数为εr＝4.704和tanδ＝0.0048，所述的液晶层的电参数为ε
r，
⊥
＝2.24、ε
r，//
＝3.22、tanδ
⊥
＝0.057和tanδ
//
＝0.0039。
38.上层金属贴片2和微带线结构4分别作为上述结构液晶驱动的上电极和下电极，在上层金属贴片2和微带线层之间施加电压，二者之间的液晶分子指向将发生偏转，液晶分子长轴指向将从水平方向(与z轴垂直的方向)逐渐偏转至垂直方向(与z轴平行的方向)，从而使液晶材料的介电常数发生变化，最终实现可调控的射频开关功能。
39.基于上述结构参数和材料特性，该电调控液晶射频开关传输特性的仿真结果如图3所示，由图3可以看到，当液晶分子指向水平方向时，其对应的传输零点为15.2ghz，对应插入损耗(s
21
幅度)为20.4db；当在外部偏置电场作用下，液晶分子处于垂直状态时其对应的传输零点切换为17.0ghz，此时插入损耗(s
21
幅度)为12.6db，而且在该频点处配向状态的插入损耗仅为1.1db。此外，在16.4-17.3ghz的频带范围内，开关导通状态下其插入损耗(s
21
幅度)始终小于2db，而关闭状态插入损耗(s
21
幅度)始终大于10db。因此，由上述仿真结果可知，本实施例所提出的液晶射频开关能够在16.4-17.3ghz的频带范围内实现良好电磁波通断调控。
40.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。