ВЫСОКОЧАСТОТНОЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ
HIGH-FREQUENCY DEVICE BASED ON LIQUID CRYSTALS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к высокочастотному устройству на основе жидких кристаллов.
Уровень техники
Постоянно возрастающие потребности пользователей обуславливают стремительное развитие технологий связи. В настоящее время ведется активная разработка сетей миллиметрового диапазона 5G, которые будут характеризоваться более высокими показателями производительности, основанными на опыте использования, включая такие факторы, как удобство установления связи с ближайшими устройствами и повышенная энергоэффективность. Для технологий радиодоступа, работающих в диапазоне миллиметровых частот, существует множество фундаментальных проблем, связанных с физикой антенных решеток, конструкцией высокоскоростного приемопередатчика и т.д.
Основными проблемами и трудностями современных высокочастотных переключающих устройств с рабочими частотами более 5 ГГц является следующее:
1) при применении стандартных полупроводниковых технологий переключающее устройство имеет высокие потери, что приводит к низкой энергоэффективности;
2) при применении известных жидкокристаллических (ЖК) технологий большая толщина ЖК-слоя (> 5 мкм) влечет за собой медленное переключение электрического поля в ЖК-слое вследствие особенностей отклика жидких кристаллов на управляющее напряжение, особенно в момент выключения ЖК-элемента, когда жидкие кристаллы медленно перестраиваются в свободное (без воздействия управляющего напряжения) состояние;
3) готовые полупроводниковые компоненты и схемы с низким значением паразитных параметров являются сложными и/или габаритными и имеют высокую стоимость.
Так, например, известны следующие высокочастотные переключающие устройства (US 6,927,647 B2, 2002-06-11, «Two channels, high speed, RF switch», Ernesto G. Starri et al.). Двухканальный РЧ-переключатель с широкополосной частотной характеристикой, в котором РЧ-сигнал, поступающий на трансформатор, подается на первую и вторую цепи смещения. Каждая цепь смещения включает в себя один или более разделительных конденсаторов и смещающий pin-диод. Таким образом, цепь смещения подает выходной РЧ-сигнал к выходному порту. Управляющий сигнал цепи смещения выборочно управляет каждой цепью смещения. Когда в цепь смещения подан сигнал смещения, она представляет собой очень низкое сопротивление к выходной нагрузке; в то время как в несмещенном состоянии цепь смещения обеспечивает очень высокое сопротивление или импеданс к выходной нагрузке. Pin-диод обеспечивает смещающий элемент, через который не проходит РЧ-сигнал.
Недостатками этого решения является использование pin-диодов, что влечет за собой необходимость использования двух управляющих сигналов, системы синхронизации, управляющего источника тока (3-20 мА) и сложной разветвленной системы питания, наличие внешних элементов (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности), относительно высокие потери готового переключателя (около 1,5 дБ), невозможность использования в бескорпусном исполнении, и при этом высокая стоимость, которая кратно растет при увеличении частоты (US 8,476,804 B2, 2009-09-29, «Piezoelectric MEMS element, voltage control oscillator, communication apparatus, and method of manufacturing piezoelectric drive type MEMS element», Hishinuma Yoshikazu, Fujifilm Corporation). Пьезоэлектрический приводной элемент МЭМС-типа, содержащий первую подложку, содержащую, в некоторой своей части, подвижную часть, которая приводится в движение с помощью секции пьезоэлектрического привода, которая должна смещаться в выпуклую форму, причем на поверхности подвижной части предусмотрен подвижный электрод; а также вторую подложку, которая соединена с первой подложкой и поддерживает неподвижный электрод, обращенный к подвижному электроду через предварительно заданный зазор, причем секция пьезоэлектрического привода включает в себя пьезоэлектрическую пленку, предусмотренную на области первой подложки, которая образует подвижную часть в качестве части подвижной части, и пару электродов, расположенных таким образом, чтобы обхватывать пьезоэлектрическую пленку.
Недостатками этого решения является очень сложная многоэтапная технология изготовления, использование внешних элементов (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности), высокое рабочее напряжение (около 90 В постоянного тока), ограниченное количество циклов коммутации, и при этом вновь высокая стоимость (US 7,969,359 B2, 2011-06-28, «Reflective phase shifter and method of phase shifting using a hybrid coupler with vertical coupling», Krishnaswamy Harish et al., IBM Corp.). Фазовращатель включает в себя экранированный гибридный ответвитель. Гибридный ответвитель с отражательными оконечными элементами, подсоединенными к гибридному ответвителю, выполнен с возможностью вращения фазы прикладываемого сигнала, причем отражательные оконечные элементы включают в себя параллельную LC-цепь.
Недостатками этого решения является невозможность использования в бескорпусном исполнении, большая разветвленная система управления, необходимость использования двух управляющих сигналов и системы синхронизации, использование внешних элементов (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности).
30 ГГц 5-битный фазовращатель производства компании TriQuint является сложным 5-битным фазовращателем на кристалле, который управляется напряжением.
Недостатками этого решения являются высокие потери (около 6 дБ), невозможность использования в бескорпусном исполнении и очень высокая стоимость (US 2014/0022029 A1, 2014-01-23, «Nanoparticle-enhanced liquid crystal radio frequency phase shifter», Anatoliy Volodymyrovych Glushchenko, Colorado Springs). Жидкокристаллический фазовращатель на основе микрополосковой линии, улучшенный наночастицами. В патенте заявляется увеличенный удельный фазовый сдвиг (30 градусов/мм на частоте 60 ГГц, в отличие от 8 градусов/мм, присущих другому известному решению (US 5,936,484 A, 1999-08-10, «UHF phase shifter and application to an array antenna», Dolfi et al., Thomson CSF)) и уменьшенное (приблизительно в 2 раза) время срабатывания.
Однако абсолютные величины толщины жидкокристаллического слоя и времени срабатывания в данном документе не приводятся, а вопрос потерь не рассмотрен.
Таким образом, в уровне техники существует потребность в создании высокочастотных переключающих устройств с рабочими частотами более 5 ГГц, которые имели бы одновременно низкие потери (желательно не более 3 дБ для фазовращателя на 360 градусов), малое время переключения (желательно не более 10 мс) и низкую стоимость. Как показано выше, известные технологии не подходят для разработки устройств, которые одновременно соответствовали бы всем этим требованиям.
Сущность изобретения
С целью устранения по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых недостатков предшествующего уровня техники, настоящее изобретение направлено на создание высокочастотного переключающего устройства.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложено высокочастотное устройство, содержащее: сигнальный электрод; первый земляной электрод, расположенный параллельно сигнальному электроду; первый слой жидких кристаллов, расположенный между сигнальным электродом и первым земляным электродом; и первый дополнительный слой диэлектрического материала, расположенный между первым слоем жидких кристаллов и первым земляным электродом и/или между сигнальным электродом и первым слоем жидких кристаллов и имеющий диэлектрическую проницаемость, которая много больше диэлектрической проницаемости первого слоя жидких кристаллов.
В одном из вариантов осуществления сигнальный и первый земляной электроды выполнены разделенными на отдельные сегменты, причем высокочастотное устройство дополнительно содержит: по меньшей один распределительный электрод около каждого конца каждого из сегментированных электродов, причем каждый распределительный электрод выполнен в виде сплошной площадки, имеющей такую ширину, чтобы охватывать по меньшей мере часть сегментов соответствующего сегментированного электрода, и отделен от соответствующего сегментированного электрода слоем диэлектрика, причем расстояние между соответствующими сегментированными электродами и распределительными электродами, их размеры и материал диэлектрика между ними выбраны таким образом, чтобы не шунтировать емкость между сегментами, причем соседние распределительные электроды не перекрывают друг друга.
В одном из вариантов осуществления высокочастотное устройство дополнительно содержит: по меньшей мере два дополнительных электрода для приложения тангенциального поля, расположенные на торцах высокочастотного устройства параллельно друг другу в плоскостях, перпендикулярных плоскостям, в которых расположены сигнальный и первый земляной электроды.
В одном из вариантов осуществления по меньшей мере крайние сегменты каждого из сегментированных электродов не охвачены распределительными электродами и через фильтрующие цепи подключены к источнику управляющего напряжения.
В одном из вариантов осуществления высокочастотное устройство дополнительно содержит по меньшей мере один распределительный электрод, который располагается в области между концами соответствующего ему сегментированного электрода.
В одном из вариантов осуществления высокочастотное устройство дополнительно содержит: второй земляной электрод, расположенный симметрично первому земляному электроду относительно сигнального электрода; и второй слой жидких кристаллов, расположенный между сигнальным электродом и вторым земляным электродом.
В одном из вариантов осуществления второй земляной электрод выполнен разделенным на отдельные сегменты.
В одном из вариантов осуществления высокочастотное устройство дополнительно содержит: второй дополнительный слой диэлектрического материала, расположенный между вторым слоем жидких кристаллов и вторым земляным электродом и/или между сигнальным электродом и вторым слоем жидких кристаллов и имеющий диэлектрическую проницаемость, которая много больше диэлектрической проницаемости второго слоя жидких кристаллов.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложено высокочастотное устройство, содержащее: сигнальный электрод; первый земляной электрод, расположенный параллельно сигнальному электроду, причем сигнальный и первый земляной электроды выполнены разделенными на отдельные сегменты; первый слой жидких кристаллов, расположенный между сигнальным электродом и первым земляным электродом; и по меньшей один распределительный электрод около каждого конца каждого из сегментированных электродов, причем каждый распределительный электрод выполнен в виде сплошной площадки, имеющей такую ширину, чтобы охватывать по меньшей мере часть сегментов соответствующего сегментированного электрода, и отделен от соответствующего сегментированного электрода слоем диэлектрика, причем расстояние между соответствующими сегментированными электродами и распределительными электродами, их размеры и материал диэлектрика между ними выбраны таким образом, чтобы не шунтировать емкость между сегментами, причем соседние распределительные электроды не перекрывают друг друга.
В одном из вариантов осуществления высокочастотное устройство дополнительно содержит: первый дополнительный слой диэлектрического материала, расположенный между первым слоем жидких кристаллов и первым земляным электродом и/или между сигнальным электродом и первым слоем жидких кристаллов и имеющий диэлектрическую проницаемость, которая много больше диэлектрической проницаемости первого слоя жидких кристаллов.
В одном из вариантов осуществления высокочастотное устройство дополнительно содержит: по меньшей мере два дополнительных электрода для приложения тангенциального поля, расположенные на торцах высокочастотного устройства параллельно друг другу в плоскостях, перпендикулярных плоскостям, в которых расположены сигнальный и первый земляной электроды.
В одном из вариантов осуществления по меньшей мере крайние сегменты каждого из сегментированных электродов не охвачены распределительными электродами и через фильтрующие цепи подключены к источнику управляющего напряжения.
В одном из вариантов осуществления высокочастотное устройство дополнительно содержит по меньшей мере один распределительный электрод, который располагается в области между концами соответствующего ему сегментированного электрода.
В одном из вариантов осуществления высокочастотное устройство дополнительно содержит: второй земляной электрод, расположенный симметрично первому земляному электроду относительно сигнального электрода и выполненный разделенным на отдельные сегменты; и второй слой жидких кристаллов, расположенный между сигнальным электродом и вторым земляным электродом.
В одном из вариантов осуществления высокочастотное устройство дополнительно содержит: второй дополнительный слой диэлектрического материала, расположенный между вторым слоем жидких кристаллов и вторым земляным электродом и/или между сигнальным электродом и вторым слоем жидких кристаллов и имеющий диэлектрическую проницаемость, которая много больше диэлектрической проницаемости второго слоя жидких кристаллов.
В одном из вариантов осуществления распределительные электроды охватывают все сегменты соответствующих сегментированных электродов.
Настоящее изобретение обеспечивает высокочастотный фазовращатель с улучшенным набором характеристик, в частности, обеспечивает снижение потерь при одновременном снижении времени переключения без сколь-нибудь значимого увеличения сложности.
Краткое описание чертежей
На чертежах приведено:
Фиг. 1 - традиционная структура управляемого ЖК-элемента.
Фиг. 2 - структура управляемого ЖК-элемента согласно первому варианту осуществления.
Фиг. 3 - эквивалентная схема ЖК-элемента согласно первому варианту осуществления.
Фиг. 4 - зависимость времени выключения ЖК-элемента от толщины ЖК-слоя для первого варианта осуществления.
Фиг. 5 - зависимость потерь в ЖК-элементе от толщины ЖК-слоя для первого варианта осуществления.
Фиг. 6 - структура управляемого ЖК-элемента согласно второму варианту осуществления.
Фиг. 7 - структура ЖК-элемента согласно второму варианту осуществления с боковыми электродами.
Фиг. 8 - зависимость величины тангенциального электрического поля от координаты по линии между боковыми электродами.
Фиг. 9 - процесс включения ЖК-элемента.
Фиг. 10 - пассивный процесс выключения ЖК-элемента.
Фиг. 11 - активный процесс выключения ЖК-элемента.
Фиг. 12 - зависимость потерь в ЖК-элементе от толщины ЖК-слоя для второго варианта осуществления.
Фиг. 13 - примерное исполнение управляемого ЖК-элемента согласно второму варианту осуществления.
Фиг. 14 - эквивалентная схема сегментированной линии с распределительными электродами.
Фиг. 15 - распределение тангенциальной составляющей поля под распределительным электродом.
Фиг. 16 - структура управляемого ЖК-элемента как комбинация первого и второго вариантов осуществления.
Фиг. 17 - симметричная полосковая линия передачи согласно настоящему изобретению.
Фиг. 18 - ВЧ-переключатель согласно настоящему изобретению.
Фиг. 19 - схема прохождения сигнала при первом управляющем напряжении.
Фиг. 20 - S-параметры ВЧ-переключателя при первом управляющем напряжении.
Фиг. 21 - схема прохождения сигнала при втором управляющем напряжении.
Фиг. 22 - S-параметры ВЧ-переключателя при втором управляющем напряжении.
Подробное описание
На Фиг. 1 показана традиционная структура управляемого ЖК-элемента (в сечении). Между параллельными электродами 1 и 2 расположен слой 3 жидких кристаллов (ЖК-слой). Электрод 1 является сигнальным (управляющим), а электрод 2 является земляным. При изменении разности потенциалов между электродами 1 и 2 в ЖК-слое 3 возникает изменение направленности (ориентации) жидких кристаллов, что приводит к изменению диэлектрической проницаемости ЖК-слоя. Это свойство жидких кристаллов само по себе могло бы быть удобным для применения таких ЖК-элементов, например, в составе полосковых линий передачи в качестве фазовращателей и переключателей. Однако такая традиционная структура накладывает ограничения на применение в тех областях, где требуется относительно высокая скорость переключения при малых потерях, в силу того, что для обеспечения требуемой удельной индуктивности (с целью снижения потерь) расстояние между электродами должно выбираться относительно большим.
В традиционном ЖК-элементе малая толщина ЖК-слоя приводит к тому, что ЖК-элемент обладает малой погонной индуктивностью L (происходит экранирование), а значит, полученная микрополосковая линия имеет малый импеданс . Соответственно для обеспечения требуемой мощности , передаваемой по этой микрополосковой линии, необходим высокий ток J, что влечет за собой высокие потери в проводнике (рассеиваемая мощность ).
Поэтому традиционный ЖК-элемент либо при малых потерях имеет большую толщину ЖК-слоя, и изменение направленности жидких кристаллов по всему объему ЖК-элемента происходит медленно, особенно в момент выключения, либо имеет приемлемую (для применения в ВЧ-фазовращателях и переключателях) скорость переключения, но при больших потерях.
Вариант осуществления 1
В настоящем изобретении предлагается решение этой проблемы. Так, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, предлагается использовать изображенную на Фиг. 2 многослойную структуру, в которой часть ЖК-слоя заменяется материалом, обладающим высокой диэлектрической проницаемостью. То есть между электродами 1 и 2 расположен не только ЖК-слой 3, но и дополнительный слой 4 диэлектрического материала. Предпочтительно, чтобы дополнительный слой 4 диэлектрического материала обладал малыми диэлектрическими потерями, достаточной электрической и механической прочностью, теплопроводностью, температурной и химической стойкостью, а также способностью к механической обработке. В качестве такого диэлектрического материала для дополнительного слоя 4 могут использоваться, например, керамики оксидных схем MgO-TiO2-La2O3, SrO-TiO2 -MgO-ZnO, BaO-TiO2-MnO2 с диэлектрической проницаемостью ~100 или смесь органических материалов с керамическим наполнением.
LC
Cer
Cer
LC
LC
Cer
Cer
На Фиг. 3 показана эквивалентная схема ЖК-элемента согласно первому варианту осуществления. ЖК-слой 3 обладает эквивалентной погонной емкостью C, а дополнительный слой 4 диэлектрического материала обладает эквивалентной погонной емкостью C. Толщина каждого слоя подбирается в зависимости от конкретного применения с учетом вышеуказанного ограничения по расстоянию между электродами и с учетом необходимого времени переключения. При этом погонная емкость C должна быть гораздо больше погонной емкости C, чтобы вся энергия электрического поля данной структуры была сконцентрирована в ЖК-слое. При заданной погонной емкости C минимальное значение C определяется минимальной относительной перестройкой фазовой скорости волны в данной структуре, поскольку при уменьшении C все большая часть энергии электрического поля накапливается в диэлектрическом слое и, соответственно, не перестраивается вместе с ЖК-слоем при подаче напряжения.
a (
),
a*b
Требование на диэлектрическую проницаемость слоя появляется вследствие того, что необходимо сохранить относительную перестройку слоя ЖК и в тоже время толщина дополнительного слоя 4 должна быть приемлемой для заданного уровня потерь. Например, если ЖК имеет перестройку  а в линии необходимо иметь ухудшение перестройки не более b, т.е. перестройка эффективной диэлектрической проницаемости в линии с составным диэлектриком не более , то условием на эффективную погонную емкость дополнительного слоя 4 (исходя из модели последовательного соединения двух плоскопараллельных конденсаторов) будет C2=C1(ab-1)/(1-b), где С2 - погонная емкость дополнительного слоя, С1 - минимальная погонная емкость слоя ЖК, соответствующая , a>1, 0<b<1. Например, если a=1.4, b=0.9, то С2=2.6C1, если взять слой ЖК 5 мкм и минимальную диэлектрическую проницаемость 2.6, а толщину дополнительного слоя выбрать 100 мкм, то необходимая относительная диэлектрическая проницаемость дополнительного слоя будет 135.2. Следует отметить, что данная оценка дает завышенные значения, поскольку не учитываются краевые эффекты на сигнальном электроде.
Выше на Фиг. 2 было показано, что дополнительный слой располагается между ЖК-слоем и земляным электродом, но следует понимать, что он может располагаться между ЖК-слоем и сигнальным электродом либо и между ЖК-слоем и земляным электродом, и между ЖК-слоем и сигнальным электродом.
th
На Фиг. 4 показана расчетная зависимость времени переключения ЖК-элемента от толщины ЖК-слоя для первого варианта осуществления при частоте 28 ГГц для полоскового фазовращателя на 360 градусов. Из нее видно, что традиционный ЖК-элемент, который содержит только ЖК-слой между электродами, когда расстояние между ними составляет 100 мкм (то есть толщина ЖК-слоя также равна 100 мкм), имеет скорость выключения примерно 30000 мс, тогда как предложенный ЖК-элемент согласно первому варианту осуществления при том же расстоянии между электродами имеет скорость выключения всего 12 мс за счет того, что толщина ЖК-слоя в нем составляет всего 2 мкм. Для расчета использовались следующие параметры ЖК смеси: параметр вязкости γ=0.45 Па*с, напряжение отрыва V=5 В, разность перпендикулярной и параллельной относительных диэлектрических проницаемостей на низких частотах 6.
Далее на Фиг. 5 показана расчетная зависимость потерь в ЖК-элементе от толщины ЖК-слоя для первого варианта осуществления при частоте 28 ГГц для полоскового фазовращателя с диапазоном управления 360 градусов (разность фаз прошедшего сигнала для максимальной и минимальной диэлектрических проницаемостей ЖК смеси). Для каждой толщины ЖК-слоя ширина полоска выбиралась исходя из минимума потерь при фиксированном диапазоне управления 360 градусов. Из нее видно, что с ростом толщины ЖК-слоя потери в ЖК-элементе уменьшаются. Как показано, традиционный ЖК-элемент имеет потери 15 дБ/360 градусов при толщине ЖК-слоя 5 мкм, тогда как предложенный ЖК-элемент согласно первому варианту осуществления имеет потери всего 3,7 дБ/360 градусов даже при меньшей толщине ЖК-слоя 2 мкм. Для расчета предложенного ЖК-элемента использовались следующие параметры дополнительного слоя: относительная диэлектрическая проницаемость 100, тангенс угла диэлектрических потерь 0.001, толщина 100 мкм. В целом для расчета обоих ЖК-элементов использовались следующие параметры ЖК смеси: максимальная относительная диэлектрическая проницаемость ЖК смеси 3.6, минимальная относительная диэлектрическая проницаемость ЖК смеси 2.6, тангенс угла диэлектрических потерь 0.008. Соответственно, для снижения потерь в традиционном ЖК-элементе необходимо увеличивать расстояние между электродами, то есть толщину ЖК-слоя, что приведет к росту времени выключения. Предложенный ЖК-элемент по первому варианту осуществления лишен этого недостатка, поскольку имеет малые потери при относительно высокой скорости выключения.
Вариант осуществления 2
Согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения, предлагается использовать изображенную на Фиг. 6 структуру ЖК-элемента, в которой между электродами 1 и 2 расположен лишь ЖК-слой 3, но при этом электроды 1 и 2 выполнены не цельными (не сплошными), а сегментированными, разделенными на отдельные сегменты. Сегменты проходят вдоль волноведущей структуры.
С тем чтобы способствовать быстрому изменению состояния жидких кристаллов при выключении ЖК-элемента, в одном варианте исполнения второго варианта осуществления настоящего изобретения предлагается использовать боковые электроды 5 и 6, предназначенные для приложения тангенциального (горизонтального) поля, расположенные на торцах ЖК-элемента. Электроды 5 и 6 располагаются параллельно друг другу в плоскостях, перпендикулярных плоскостям, в которых расположены электроды 1 и 2. Соответствующая структура ЖК-элемента показана на Фиг. 7.
При этом изначально, для включения ЖК-элемента (вертикальная ориентация жидких кристаллов и управляющего поля) создается одинаковая разность потенциалов между сегментами сегментированных электродов 1 и 2, расположенными над и под структурой. При этом напряжение подается не напрямую на сегменты, а через распределительные электроды 7-9 (показаны далее на Фиг. 13), не имеющие с сегментами прямого электрического контакта (например, отделенные от них слоем диэлектрика). Для обеспечения горизонтальной ориентации напряжение подается только между боковыми электродами 5 и 6. Потенциал поля при этом появляется на сегментах сегментированных электродов 1 и 2 посредством емкостной связи. Распределительные электроды 7 и 8, расположенные на концах ЖК-элемента, используются как микрополосковые порты на входе и выходе ЖК-элемента.
В другом варианте исполнения боковые электроды 5 и 6 не используются, а для того, чтобы получить по всей ширине ЖК-элемента тангенциальное электрическое поле, разное напряжение подается на разные сегменты сегментированных электродов 1 и 2. При этом напряжение должно подаваться по меньшей мере на крайние сегменты сигнального электрода и сегменты земляного электрода. Подача напряжения на остальные сегменты может выполняться опционально. Развязка между источником управляющих напряжений и сигналом создается посредством фильтров, реализованных на линиях передач, например с помощью четвертьволновых отрезков, или резисторов (резистивное напыление) известными методами. Распределительные электроды также используются как микрополосковые порты на входе и выходе ЖК-элемента.
В одном варианте исполнения размеры сегментов постоянны и равны между собой. В другом варианте исполнения размеры сегментов могут быть переменными как в рамках одного сегмента (например, узкий на одном конце и расширяющийся к противоположному концу), так и друг относительно друга (например, первый сегмент имеет первую ширину/длину/толщину, а второй сегмент имеет отличную от первой вторую ширину/длину/толщину).
Как проиллюстрировано далее на Фиг. 8 (зависимость величины тангенциального электрического поля от координаты по линии между боковыми электродами), применение боковых электродов 5 и 6 в традиционном ЖК-элементе, имеющем сплошные электроды 1 и 2, не имело бы смысла, поскольку в нем величина тангенциального электрического поля становится равной нулю в области между электродами 1 и 2, тогда как в ЖК-элементе согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения тангенциальное электрическое поле присутствует по всей его ширине.
Таким образом, согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения, прикладывая напряжение к боковым электродам 5 и 6, можно управлять перестройкой жидких кристаллов, и тем самым, активно (то есть под воздействием электрического поля, быстро) выключать ЖК-элемент, в отличие от традиционного ЖК-элемента, в котором выключение происходит пассивным образом (то есть без воздействия электрического поля, последовательно молекула за молекулой, медленно). Активное выключение ЖК-элемента в условиях наличия тангенциального электрического поля позволяет значительно сократить время выключения. Процессы включения ЖК-элемента, пассивного выключения традиционного ЖК-элемента и активного выключения ЖК-элемента согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения показаны, соответственно, на Фиг. 9-11.
На Фиг. 12 показана расчетная зависимость потерь в ЖК-элементе от толщины ЖК-слоя для второго варианта осуществления при частоте 28 ГГц для полоскового фазовращателя на 360 градусов. Из нее можно видеть, что предложенный ЖК-элемент согласно второму варианту осуществления не уступает по этой характеристике традиционному ЖК-элементу, который имеет потери 3 дБ/360 градусов при толщине ЖК-слоя 100 мкм.
Таким образом, при примерно одинаковой толщине ЖК-слоя и потерях ЖК-элемент согласно второму варианту осуществления имеет значительно уменьшенное время выключения по сравнению с традиционным ЖК-элементом.
C
C
C
/N
C
C
0.1C
/N
С
C
0.7Z
Z
C
С
С
С
C
C
=εε
Lw/d,
ε -
, ε
, L -
,w -
, d -
s
m
s
m
m
s
s
,
m
0
0
s
s
m
s
s
m
m
0
0
В данном варианте, как уже указывалось, для интеграции со входным и выходными портами, а также для выравнивания распределения токов по сегментам линии используются сплошные проводящие площадки (распределительные электроды), отделенные от линии (то есть от сегментов сегментированных электродов), например, слоем диэлектрика. Примерное исполнение управляемого ЖК-элемента с этими распределительными электродами показано на Фиг. 13. В частности, распределительные электроды располагаются на концах сегментированных электродов (то есть в области входного и выходного портов) и, при необходимости, в промежуточных положениях между концами сегментированных электродов (например, в центре). Каждый распределительный электрод имеет такую ширину, чтобы охватывать по меньшей мере часть сегментов соответствующего сегментированного электрода (например, один распределительный электрод охватывает два крайних правых сегмента, а другой распределительный электрод охватывает два крайних левых сегмента, или в качестве альтернативы один распределительный электрод охватывает сразу все сегменты, как это проиллюстрировано на Фиг. 13). Соседние распределительные электроды не накладываются один на другой, не перекрываются и не имеют между собой электрического контакта. Наличие данных электродов на входе и выходе устройства соответствует переходу с линии передачи со сплошными сигнальными электродами на линию передачи с сегментированными электродами. Расстояние и материал диэлектрика между сегментированным электродом и распределительным электродом, а также его размеры должны выбираться такими, чтобы не шунтировать емкость между сегментами, в противном случае тангенциальное электрическое поле между электродами существовать не может. Если описывать данную конфигурацию количественно, то эквивалентная схема сегментированной линии с распределительными электродами представлена на Фиг. 14, где - емкость между соседними сегментами, - емкость между сегментом и распределительным электродом. Условием слабого влияния распределительных электродов на распределение электрического поля, в т.ч. на наличие тангенциальной составляющей электрического поля в пространстве между группами сигнальных электродов, является >>, где N+1 - количество сегментов (например <). В этом случае вся энергия электрического поля будет сосредоточена в что соответствует полю в области между сигнальными электродами. С другой стороны, емкостной импеданс емкости (N+1) на частоте сигнала должен быть как можно меньшим по сравнению с волновым импедансом линии. Данное условие позволяет избежать согласующих цепей на входе и выходе ЖК-элемента, например, отражению -10дБ на переходе соответствует последовательный емкостной импеданс (суммарный импеданс по сигнальному и земляному электродам),где волновой импеданс линии. Для улучшения согласования возможно применение согласующих цепей широко известных в технике линий передач. Также следует учесть, что  - пропорциональна длине сегмента, тогда как размер распределительных электродов, соответствующий данному уровню отражения на переходе распределительный электрод/сегментированный электрод фиксирован. Таким образом, увеличивая длину сегментов, можно добиться данного соотношения между и . В случае нескольких распределительных электродов можно добиться соблюдения необходимого условия между емкостями, когда для оценки используется длина сегмента, поделенная на количество распределительных электродов в ЖК-элементе. Оценочные формулы для можно найти в справочниках или путем симулирования системы электродов в различных системах ПО. C можно оценить как где относительная диэлектрическая проницаемость в области между распределительным и сегментированным электродом - электрическая проницаемость вакуумадлина распределительного электрода (вдоль сегмента)ширина сегментарасстояние между распределительным и сегментированным электродами. На Фиг. 14 проиллюстрировано распределение тангенциальной составляющей поля под распределительным электродом на высоте, равной половине межэлектродного расстояния. Крайние точки оси абсцисс соответствуют электродам 5,6.
Вариант осуществления 3
Следует отметить, что при практическом применении настоящего изобретения может использоваться комбинация первого и второго вариантов осуществления (фиг. 16). В этом случае ЖК-элемент представляет собой линию передачи с составным диэлектриком (ЖК вместе с керамикой) и сегментированными электродами. Указанная комбинация обеспечивает возникновение тангенциального электрического поля в ЖК слое. Тангенциальное поле также возбуждается боковыми электродами или путем подачи напряжения на сегменты электродов, при этом распределительные электроды должны использоваться на входе и выходе устройства, а также их использование возможно в промежуточных позициях вдоль линии передачи.
Также следует отметить, что ЖК-элемент согласно настоящему изобретению обладает способностью изменять фазу проходящего через него ВЧ-сигнала в зависимости от поданного на него напряжения. То есть в общем случае такой ЖК-элемент может рассматриваться как ВЧ-фазовращатель.
Физическое обоснование
Для расчета времени переключения слоя ЖК используются следующие формулы:
t
t
V
on
off
LC
LC
r
th
b
где  - время включения ЖК-слоя,  - время выключения, γ - вязкость ЖК-смеси, h - толщина ЖК-слоя, Δε - разница продольной и поперечной диэлектрических проницаемостей ЖК-смеси на низких частотах, V - параметр, характеризующий энергию взаимодействия ЖК-слоя с ориентирующим слоем, измеряется в Вольтах,  - напряжение, приложенное к ЖК-слою.
V
b
Как уже было сказано, включение - процесс активный, в том смысле, что увеличивая , можно уменьшить время включения. В формулу для времени выключения входят только параметры, характеризующие параметры ЖК-смеси, ориентирующего слоя и толщину ЖК-слоя. Данная формула описывает релаксацию ЖК-слоя при наличии ориентирующего слоя.
k
c
L
ε
LC
p
LC
ms
eff
- волновое число в линии,  - фазовая скорость в линии, Δϕ - максимальная разность фаз, получаемая на отрезке линии длиной ,  - эффективная диэлектрическая проницаемость линии, является функцией проницаемости ЖК-смеси,  - эффективная диэлектрическая проницаемость линии, когда управляющее поле приложено между электродами линии,  - эффективная диэлектрическая проницаемость линии, когда молекулы ориентированы преимущественно параллельно электродам линии (влияние ориентирующего слоя в варианте 1 и наличие тангенциального поля в варианте 2).
Полосковая линия передачи
Как упоминалось выше, жидкокристаллическая структура согласно настоящему изобретению удобна для применения в составе полосковых линий связи в качестве высокочастотных фазовращателей и переключателей.
Показанные на Фиг. 2 и 6 ЖК-элементы могут являться, в частности, частью микрополосковой (то есть несимметричной полосковой) линии передачи, в которой ЖК-слой 3 и дополнительный слой 4 диэлектрического материала в совокупности представляют собой подложку, а электроды 1 и 2 - полоски. Соответственно, настоящее изобретение легко может интегрировано как в печатную плату, так и в любые отдельные электронные компоненты и устройства, например, микросхемы.
На Фиг. 17 показана симметричная полосковая линия передачи, в центре которой расположен сигнальный электрод 1, а по краям, симметрично относительно электрода 1, расположены земляные электроды 2. По обе стороны от электрода 1 располагается ЖК-слой, а между ЖК-слоем и земляными электродами 2 располагается дополнительный слой 4 диэлектрического материала.
ВЧ-переключатель
1
1
ε
1
2
2
ε
2
L
=λ
/4
L
λ
На Фиг. 18 показан ВЧ-переключатель согласно настоящему изобретению, выполненный на печатной плате и содержащий входной порт 11 и два выходных порта 12 и 13. Порты соединены полосковыми линиями передачи. На участке между портами 11 и 12 расположен ЖК-элемент 14, а на участке между портами 11 и 13 расположен ЖК-элемент 15. От каждого ЖК-элемента могут отходить замыкающие линию шлейфы 16, 17 в виде отрезков полосковой линии передачи. Также по обе стороны от каждого ЖК-элемента могут располагаться согласующие шлейфы 18-21. Размеры ЖК-элементов 14 и 15 подобраны таким образом, чтобы при подаче на полосковую линию первого значения напряжения V на заданной частоте электрическая длина первого ЖК-элемента 14 составила , а при подаче на полосковую линию второго значения напряжения V на заданной частоте электрическая длина второго ЖК-элемента 15 составила =/4, то есть длины ЖК-элементов 14 и 15 являются разными.
1
ε
1
ε
1
ε1
λ
ε
λ
Таким образом, в первом случае, когда на полосковую линию подается управляющий сигнал с постоянным напряжением V, диэлектрическая проницаемость ЖК-слоя в обоих ЖК-элементах принимает значение , и электрическая длина первого ЖК-элемента 14 становится таковой (/4), что для поступающей на него с порта 11 волны (ВЧ-сигнала) ЖК-элемент 14 становится четвертьволновым трансформатором, который не пропускает через себя ВЧ-сигнал на порт 12. Иными словами, в этот момент ЖК-элемент 14 имеет включенное состояние. В то же время, при диэлектрической проницаемости 1 электрическая длина второго ЖК-элемента 15 не равна /4, поэтому обеспечивается прохождение ВЧ-сигнала с порта 11 на порт 13 через ЖК-элемент 15 почти без потерь. Иными словами, в этот момент ЖК-элемент 15 имеет выключенное состояние. Соответствующая схема прохождения ВЧ-сигнала при первом управляющем напряжении показана на Фиг. 19. При этом, практически вся мощность, поданная на порт 11, поступает на порт 13. Например, из изображенного на Фиг. 20 графика видно, что в расчетном примере параметр S(1,1) (коэффициент отражения от входа, то есть от порта 11) ВЧ-переключателя при первом управляющем напряжении 0 В на частоте 28 ГГц имеет значение 16 дБ, параметр S(2,1) (коэффициент передачи с порта 11 на порт 12) ВЧ-переключателя составляет 28,5 дБ, тогда как параметр S(3,1) (коэффициент передачи с порта 11 на порт 13) ВЧ-переключателя составляет 0,5 дБ, то есть ВЧ-сигнал на порт 13 поступает с крайне малыми потерями.
2
2
ε
2
2
ε
2
ε
λ
ε
λ
Во втором же случае, когда на полосковую линию подается управляющий сигнал с постоянным напряжением V, диэлектрическая проницаемость ЖК-слоя в обоих ЖК-элементах принимает значение , и электрическая длина второго ЖК-элемента 15 становится таковой (/4), что для поступающей на него с порта 11 волны (ВЧ-сигнала) ЖК-элемент 15 становится четвертьволновым трансформатором, который не пропускает через себя ВЧ-сигнал на порт 13. Иными словами, в этот момент ЖК-элемент 15 имеет включенное состояние. В то же время, при диэлектрической проницаемости  электрическая длина первого ЖК-элемента 14 не равна /4, поэтому обеспечивается прохождение ВЧ-сигнала с порта 11 на порт 12 через ЖК-элемент 14 почти без потерь. Иными словами, в этот момент ЖК-элемент 14 имеет выключенное состояние. Соответствующая схема прохождения ВЧ-сигнала при втором управляющем напряжении показана на Фиг. 21. При этом, практически вся мощность, поданная на порт 11, поступает на порт 12. Например, из изображенного на Фиг. 22 графика видно, что в расчетном примере параметр S(1,1) (коэффициент отражения от входа, то есть от порта 11) ВЧ-переключателя при втором управляющем напряжении 10 В на частоте 28 ГГц имеет значение 28 дБ, параметр S(3,1) (коэффициент передачи с порта 11 на порт 13) ВЧ-переключателя имеет значение ниже -30 дБ, тогда как параметр S(2,1) (коэффициент передачи с порта 11 на порт 12) ВЧ-переключателя составляет 0,8 дБ, то есть ВЧ-сигнал на порт 12 поступает с крайне малыми потерями.
Таким образом, ВЧ-переключатель на ЖК-элементах согласно настоящему изобретению обладает малыми потерями и имеет относительно высокую скорость переключения, достаточную для широкого спектра задач в данной области техники. При этом он не требует сложных схем питания и управления, поскольку управляется лишь значением подаваемого на него управляющего постоянного напряжения.
Следует понимать, что в настоящем документе показан лишь принцип построения ВЧ-переключателя, и специалист в данной области техники, руководствуясь этим принципом, сможет создать другие компоновки ВЧ-переключателя без изобретательских усилий. Следует также понимать, что данная переключающая схема может работать как в режиме передачи, так и в режиме приема.
Применение
ЖК-элементы и основанные на них полосковые линии, фазовращатели и переключатели согласно настоящему изобретению можно использовать в электронных устройствах, в которых требуется управление ВЧ-сигналами, например, в миллиметровом диапазоне для сетей мобильной связи перспективного стандарта 5G и WiGig, для различных датчиков, для сетей Wi-Fi, для беспроводной передачи энергии, в том числе на большие расстояния, для систем «умный дом» и т.д.
В частности, ВЧ-переключатель может эффективно применяться для переключения между каналами в многоканальных устройствах, для коммутации RX-TX (прием-передача), для переключения между режимами эксплуатации антенны (например, между режимами широкополосного излучения и направленного излучения для широкополосного сканирования), а также для переключения поляризации, направления излучения.
ВЧ-фазовращатель согласно настоящему изобретению может эффективно применяться в антеннах для сканирования лучом, а также для манипуляций в ближнем поле антенны в т.ч. для фокусировки поля в заданную область пространства и т.д.
Следует понимать, что хотя в настоящем документе для описания различных элементов, компонентов, областей, слоев и/или секций, могут использоваться такие термины, как "первый", "второй", "третий" и т.п., эти элементы, компоненты, области, слои и/или секции не должны ограничиваться этими терминами. Эти термины используются только для того, чтобы отличить один элемент, компонент, область, слой или секцию от другого элемента, компонента, области, слоя или секции. Так, первый элемент, компонент, область, слой или секция может быть назван вторым элементом, компонентом, областью, слоем или секцией без выхода за рамки объема настоящего изобретения. В настоящем описании термин "и/или" включает любые и все комбинации из одной или более из соответствующих перечисленных позиций. Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.
Функциональность элемента, указанного в описании или формуле изобретения как единый элемент, может быть реализована на практике посредством нескольких компонентов устройства, и наоборот, функциональность элементов, указанных в описании или формуле изобретения как несколько отдельных элементов, может быть реализована на практике посредством единого компонента.
Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.
Конструктивное исполнение элементов предложенного устройства является известным для специалистов в данной области техники и не описывается отдельно в данном документе, если не указано иное. Элементы антенны могут быть выполнены из любого подходящего материала. Эти составные части могут быть изготовлены с использованием известных способов, включая, лишь в качестве примера, механическую обработку на станках и литье по выплавляемой модели. Операции сборки, соединения и иные операции в соответствии с приведенным описанием также соответствуют знаниям специалиста в данной области и, таким образом, более подробно поясняться здесь не будут.
Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать настоящее изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку специалисту в данной области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники могут быть очевидны различные другие модификации и варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.