[发明专利]一种基于液晶和开关的混合移相器及调控方法

说明书

本发明涉及一种基于液晶和开关的混合移相器及调控方法，该混合移相器包括上层壳体、微波介质板和下层壳体，微波介质板采用双面印刷工艺，印制朝向下层壳体的开关移相器单元和朝向上层壳体的液晶移相器单元。该调控方法为通过直流偏置线过孔改变微带线枝节结构的两侧电压来控制开关移相器单元的相位跳变，实现90°的相位跳变；通过液晶移相直流偏置线控制液晶的偏置电压，从而控制液晶材料的介电常数连续变化，进而连续改变信号的相位偏移量，从而控制液晶移相器单元相移的度数，实现带内大于180°范围的移相。本发明的液晶移相器可实现连续相位调控，而开关移相器可实现90°或180°的相位跳变，通过二者的级联配合可实现大范围、甚至是0～360°的相位精确调控。

技术领域

本发明涉及一种基于液晶和开关的混合移相器及调控方法，属于微波移相器的技术领域。

背景技术

移相器作为一种常见的电子器件，主要用于对射频/微波传输信号的相位进行调控，是相控阵天线系统、5G/6G移动通信系统等必需的器件。传统的移相器主要是模拟式移相器，即改变射频信号传输路径的电长度，通过引入传输时延来实现相位延迟。模拟式移相器的优点是技术成熟、成本低廉，但其缺点是插入损耗较高，且尺寸随着相移量的增加而不断变大。随着半导体技术的快速发展，各种数字式移相器不断涌现。数字式移相器主要的电路拓扑有开关网络型、电桥反射型，以及加载型等无源结构，这些结构通过无源网络的切换来得到所需的相移。数字式移相器的优点是工作状态稳定，不受外部环境影响，因此在相控阵雷达系统中得到广泛应用。但是，其缺点是技术复杂，且随着数字精度的增加其成本上升很快，大规模民用还不能接受。2007年美国加州大学的K.J.Koh和G.M.Rebeiz通过矢量合成的方法实现了4bit有源移相器，目前广泛应用于相控阵芯片的设计。但是有源移相器结构对合成正交信号的幅度和相位一致性要求很高，在毫米波频段的寄生效应会对精度和线性度造成比较大的影响。

鉴于上述模拟式和数字式移相器各有优缺点，部分研究人员近两年致力于混合型微波移相器的研制，期望在移相范围、移相精度等性能指标与生产成本之间寻求到平衡点。例如，申请号为201811541370.0的发明专利公开了一种有源无源混合型微波移相器，该移相器有源部分采用矢量合成的方法对信号进行大位移相，无源部分采用RLC网络或耦合线进行小位移相，具有灵活分配的优点，但该移相器仍然不能摆脱毫米波频段的强寄生效应所导致的精度、线性度下降。另外，申请号为201910520010.0的发明专利公开了一种基于MEMS开关的混合移相器，该移相器采用180°移相单元、混合移相单元和22.5°移相单元构成，能够满足0°/45°/90°/135°的4bit移相器移相需求，减少了开关个数，但该移相器从根本原理上而言仍然是数字式移相器，不能达到模拟式移相器的精度。

近来，南京星腾通信技术有限公司在申请号为202010115191.1的发明专利中公开了一种相位连续可调的液晶移相器及调控方法，该移相器利用液晶材料的介电常数随偏置电压而改变的特性，设计了相位在0～180°范围内连续可调的移相器，但该移相器要实现更大范围相移时就必须增加液晶和传输线的长度，因此插入损耗会随着电长度的增加而增加。南京星腾通信技术有限公司还在申请号为201911340803.0的发明专利中公开了一种基于PIN管的三枝节微带线可调移相器，实现了相位90°/180°的不连续变化，但该移相器只能实现相位两种状态的变化，无法连续调相。

综上所述，提高微波移相器的移相精度和移相范围、减少插入损耗、扩展工作带宽、降低系统成本是微波移相器研发的不懈追求。而对传统移相器采用取长补短的混合型设计方案是实现低成本、高精度的重要发展方向。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于液晶和开关的混合移相器及调控方法，本混合移相器基于液晶材料和开关来实现0～360°相位的精确调控，具有工作频带宽、插损低、工艺简单、生产成本低的优点，其具体技术方案如下：