基于液晶材料微波關(guān)鍵無源元件調(diào)諧技術(shù)研究.pdf

1、液晶材料是介于液態(tài)與晶態(tài)之間的有機化合物，兼有液體和晶體的部分優(yōu)點，基于電光效應，液晶材料在微波頻段具有雙折射特性及介電各向異性，在微波雷達、精確制導和無線寬帶通信等方面具有深度的發(fā)展?jié)摿?。液晶材料運用到微波關(guān)鍵無源元件中，能實現(xiàn)相應中心頻率寬帶調(diào)諧的控制，達到動態(tài)選頻、擴大調(diào)諧范圍與帶寬，進而實現(xiàn)電子系統(tǒng)小型化和輕量化特性，能廣泛應用于通信、雷達、跟蹤接收機以及電子對抗設(shè)備等微波系統(tǒng)，是當前微波領(lǐng)域的熱門探索方向。通過液晶材料調(diào)諧特性

2、、小型化諧振單元、微波關(guān)鍵無源元件結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面，深入研究了液晶材料在微波頻段的物理特性、開環(huán)諧振結(jié)構(gòu)液晶可調(diào)濾波器、開環(huán)諧振結(jié)構(gòu)液晶可調(diào)濾波功分器、互補開環(huán)諧振結(jié)構(gòu)梳狀基片集成波導液晶可調(diào)濾波器、互補開環(huán)諧振結(jié)構(gòu)半模梳狀基片集成波導液晶可調(diào)濾波器。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴液晶材料在微波頻段的介電特性研究。在采用數(shù)學模型對液晶材料的電場效應、雙折射特性、電調(diào)介電各向異性等物理特性進行分析的基礎(chǔ)上，利用連續(xù)體彈性形變理論對液晶材

3、料的電調(diào)介電特性進行精確建模，通過數(shù)值分析得到不同位置處液晶分子指向矢傾角隨外加偏壓的連續(xù)變化曲線?；趲拚蜃拥母倪M型諧振法對液晶材料在微波頻段的介電常數(shù)進行測量與計算，并得到微波頻段液晶的介電常數(shù)極值與液晶電調(diào)介電特性模型，以及微波頻段液晶介電參數(shù)隨外加偏壓的連續(xù)變化曲線。由迭代法結(jié)合實測介電常數(shù)分析得到了微波頻段液晶材料的損耗角正切的壓控特性。提出了利用特征值分析與液晶層相鄰分界面處的模式匹配條件，結(jié)合液晶介電特性，通過 Max

4、well方程組對液晶中入射均勻平面波進行數(shù)值分析，得到相應的電磁場傳輸特性。實驗驗證：待測液晶在微波頻段實現(xiàn)介電常數(shù)在(2.73,2.32,2.32)～(2.32,2.32,2.73)范圍內(nèi)變化。上述研究為實現(xiàn)液晶材料在微波可調(diào)諧元件方面的應用奠定了基礎(chǔ)。⑵基于液晶材料的微波頻段介電特性，提出了一種基于液晶材料的可調(diào)諧濾波器仿真與設(shè)計方法。該方法將液晶材料封裝在多層基片的內(nèi)部，利用倒置微帶電路結(jié)構(gòu)與液晶材料有效接觸，利用液晶材料的電調(diào)介

5、電各向異性實現(xiàn)電路的調(diào)諧特性，級聯(lián)具有高Q值的SRR磁諧振結(jié)構(gòu)使寬帶擴展及產(chǎn)生阻帶抑制性能，并結(jié)合漸變線阻抗變換結(jié)構(gòu)解決由液晶材料電控介電各向異性造成的濾波器饋電端口阻抗匹配及可調(diào)穩(wěn)定性問題，進而設(shè)計了高性能微波可調(diào)諧濾波器。最終對液晶可調(diào)諧濾波器進行仿真與實現(xiàn)，實驗驗證：該類液晶可調(diào)諧濾波器中心頻率可調(diào)寬度大于430MHz。該類電路結(jié)構(gòu)具有寬帶、尺寸小、傳輸響應良好、通帶可調(diào)范圍較寬以及高頻選擇性良好的特點。⑶為了同時實現(xiàn)信號的低損耗

6、傳輸及較強抑制，提出了加載液晶材料及開環(huán)諧振型(SRR)異向結(jié)構(gòu)的可調(diào)濾波功分器設(shè)計。該設(shè)計中采用圓形/多邊形 SRR替代Wilkinson功分器的四分之一波長變換段，將濾波功能集成在功分器中。利用倒置微帶電路結(jié)構(gòu)以及在濾波功分器內(nèi)部填充液晶材料，通過改變偏置電壓值進而有效控制液晶有效介電分布，實現(xiàn)該元件的動態(tài)選頻及功率分配。仿真并實驗驗證了該寬帶可調(diào)濾波功分器可實現(xiàn)大于510MHz的中心頻率調(diào)諧范圍，有效避免多個諧振器耦合、調(diào)諧過程中

7、級間阻抗失配等問題。該設(shè)計實現(xiàn)用一個器件有效完成兩個器件的功能，并有效降低電路中的能量損耗，滿足電子系統(tǒng)對微波元件體積小、重量輕、易于集成、損耗低、Q值高等要求。⑷針對新型波導濾波器研究，提出了一種基于液晶材料互補開環(huán)諧振(CSRR)可調(diào)微波CSIW濾波器設(shè)計。利用CSIW的四分之一微帶線枝節(jié)取代SIW的金屬通孔，解決了SIW在加偏置電壓時，由于金屬化通孔使波導上下兩個平面短路的問題。針對 CSIW傳輸線結(jié)構(gòu)的工作原理和傳輸特性，利用互

8、補開環(huán)諧振型異向介質(zhì)結(jié)構(gòu)的電磁散射特性-加強散射特性可放大截止模，并結(jié)合液晶的電調(diào)介電各向異性和倒置微帶線的高調(diào)制效率，設(shè)計基于電控液晶材料的加載CSRR的CSIW濾波器，該波導濾波器具備高調(diào)制效率、高 Q值、低傳輸損耗等優(yōu)勢。為了進一步減小元件尺寸，提出了一種加載CSRR結(jié)構(gòu)的HMCSIW可調(diào)諧濾波器，通過傳輸線理論、等效電路原理對所設(shè)計的新型微波CSIW/HMCSIW可調(diào)濾波器進行建模分析。實驗驗證：該新型濾波器中心頻率可調(diào)范圍為1