基于液晶的CPW枝节可调谐技术研究

发布时间：2020-08-09 19:23

【摘要】：随着现代电子技术的不断发展,无线电子设备以其灵活方便、不受空间限制的优点得到了越来越多的应用,对无线频段的需求也日益增加。为适应这一趋势,宽频带、多频点的天线、滤波器等电路得到快速发展,可调频率微波元件也是其中的一个重要组成部分。本文围绕基于液晶的共面波导(Coplanar Waveguide,简称CPW)枝节可调谐技术展开研究,旨在将液晶应用于CPW枝节结构来实现谐振频点的连续可调。本文的主要内容是在CPW枝节谐振结构的基础上,增加液晶材料和外置偏压,设计出基于液晶材料的CPW枝节可调谐结构,利用液晶在不同外加电场作用下具有不同等效介电常数的特性,实现对CPW枝节谐振频点的调谐。本文的主要工作和成果如下:1.CPW枝节结构设计。采用电磁仿真软件HFSS,设计了三种不同结构的CPW枝节的谐振结构,即CPW串并联短路枝节、串联开路短路枝节和串联开路枝节,对其特性进行了仿真研究分析。2.基于液晶的可调谐CPW枝节结构设计。CPW枝节结构、液晶层及液晶层上下电极呈“三明治”状构成所需的可调谐谐振结构,运用HFSS对可调谐的液晶CPW枝节结构进行仿真,研究不同液晶等效介电常数对谐振频点的调制作用,从而表明所设计的结构能够实现谐振频率的连续可调。3.实验制备了基于液晶的可调谐CPW枝节,并对其性能参数进行了测试。基于设计的三种不同的液晶可调谐CPW枝节结构,采用三种不同的液晶材料,实验验证了基于液晶材料的CPW枝节的可调谐特性,并对测试结果进行了分析。由测试结果可知,液晶可调谐CPW串并联短路枝节结构具有较好的谐振频点调谐特性。采用不同的液晶材料,显著影响CPW可调谐结构的特性。当采用液晶材料5CB时,改变外加偏置电压从0V增加至42 V,能够使谐振频点f1从3.48 GHz移到3.4 GHz,谐振频点f2从7.2 GHz偏移到了6.95 GHz,对应的偏移量分别为Δf1=80 MHz,Δf2=250 MHz。并且,基于测试结果,拟合出对于三种不同结构,不同液晶材料在不同偏置电压作用下的等效介电常数变化情况,为后续基于液晶的可调谐微波元件的设计提供理论和实验支持。
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O753.2;TN252
【图文】：

微波元件,技术,可调谐,调谐技术

图 2.1 常用的实现微波元件可调谐技术（a） PIN 或变容二极管调谐技术[9]，（b）钛酸锶钡铁电薄膜调谐技术[10]，（c）铁氧体磁电调谐技术[12]，（d）射频微机电系统 RF MEMS 调谐技术[14]液晶可调谐技术由于液晶具有流动性和各向异性的性质，因此广泛应用于显示、相位调制器件、光开关光通信等领域，同时，在推动集成光学的发展中也发挥着重要作用。另一方面，液晶作为种特殊材料，可以通过电场或磁场对介电常数进行有效的调制，从而实现微波元件频率可技术。基于液晶材料的频率可调谐微波元件与传统方法相比，具有以下优点[16]：1）作为一种无源材料，连续改变外加偏置电压能够实现液晶材料的有效介电常数连续可，从而实现无源器件的连续可调谐技术。避免二极管、晶体管和铁氧体的非线性效应。在定的调谐范围内，不会出现互调失真的现象，具有良好的调谐线性；

特性图,向列相液晶,同轴传输线,微波

南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论在国内，液晶材料在微波频段的应用研究是一个较新的领域。2002 年，清华大学杨傅子教授提出，热致液晶在微波频段内存在液晶指向矢的电控特性和较大的双折射特性[27]。2009年，河南省光伏材料重点实验室的马恒教授课题组，采用矩形波导管和向量分析仪，在室温条件下对 3 种向列相液晶材料的介电常数在 26.5 GHz~40 GHz 频率范围内进行测定[28]。2014年，哈尔滨工业大学的王石龙等学者设计了对在小信号条件下的液晶材料的介电常数进行了测量的谐振系统，并利用分块法代法，模拟实现了小信号条件下液晶材料的准确数值[29]。2015年，电子科技大学的杜静等学者对基于向列相液晶的微带线模型及其在 l GHz~l00 GHz 内的传输特性进行了研究[30]。

原理图,有限厚度,衬底,介质

究生学位论文第二章液晶可调谐 CPW带导体和两侧半无限的地面组成，如图 2.1 所示。这种结PW 比传统的微带线有几个优点：第一，简化了制作；第二并联连接[32]；第三，无需绕线与过孔；第四，减少了辐射值决定的，因此可以不受限制地减小尺寸。此外，在任意串扰效应非常微弱。因此，CPW 电路结构可以比传统的微得 CPW 非常适合 MIC 和 MMIC 的应用。

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