使用电介质上电润湿技术制造的可变电容器和开关及相关的移相器、基站天线和其它设备专利检索-介质上电润湿电润湿纳米技术专利检索查询-专利查询网

使用 电介质上 电润湿技术制造的可变电容器和 开关及相关的 移相器、基站天线和其它设备

阅读：300发布：2020-05-13

专利汇可以提供使用电介质上电润湿技术制造的可变电容器和开关及相关的移相器、基站天线和其它设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且可调移相器包括RF 信号输入端、RF信号输出端、第一延迟线、第二延迟线和安置在RF信号输入端和RF信号输出端之间的第一电润湿激活开关。，下面是使用电介质上电润湿技术制造的可变电容器和开关及相关的移相器、基站天线和其它设备专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种可变电容器，包括：
第一电极；
第二电极，与第一电极相对，以在它们之间限定空间；
第一介电材料，被配置为经由静电移动被选择性地插入到所述空间中。
2.如权利要求1所述的可变电容器，还包括第二介电材料，所述第二介电材料具有与所述第一介电材料的介电常数不同的第二介电常数。
3.如权利要求2所述的可变电容器，其中当所述第一介电材料在所述空间中时，所述可变电容器具有第一电容，并且当所述第二介电材料在所述空间中时，所述可变电容器具有小于所述第一电容的第二电容。
4.如权利要求1-3中任一项所述的可变电容器，其中所述第一介电材料是可静电移动的液体介电材料。
5.如权利要求2-3中任一项所述的可变电容器，其中所述第二介电材料是可静电移动的液体介电材料。
6.如权利要求2-5中任一项所述的可变电容器，其中所述第一介电材料和所述第二介电材料被包含在容器内。
7.如权利要求6所述的可变电容器，其中所述容器具有第一腔室和第二腔室，其中所述第一腔室位于所述空间中，并且所述第二腔室的至少一部分位于所述空间之外。
8.如权利要求7所述的可变电容器，其中所述第一介电材料和所述第二介电材料经由所述第一介电材料和所述第二介电材料中的一个的静电移动在所述第一腔室和所述第二腔室之间移动，以便改变所述可变电容器的电容。
9.如权利要求1-8中任一项所述的可变电容器，其中所述第一介电材料被配置为使用电润湿微泵被移动。
10.如权利要求7-8中任一项所述的可变电容器，其中所述容器包括所述第一腔室和所述第二腔室之间的颈部。
11.如权利要求1-10中任一项所述的可变电容器，所述可变电容器与90度混合耦合器组合以提供可调移相器。
12.如权利要求7-11中任一项所述的可变电容器，还包括第一控制电极和第二控制电极，其中所述第二腔室位于所述第一控制电极和所述第二控制电极之间的第二空间中。
13.如权利要求7-11中任一项所述的可变电容器，其中所述第一电极和所述第二电极中的至少一个被配置为接收射频信号和直流电流或低频控制信号。
14.如权利要求6-13中任一项所述的可变电容器，其中所述容器的内部包括介电材料，并且其中所述第一介电材料和所述第二介电材料中的一个是可静电移动的液体介电材料。
15.一种可调移相器，包括：
90度混合耦合器，具有射频RF输入端口、RF输出端口以及第一控制端口和第二控制端口；以及
可变电容器，耦合到所述第一控制端口或所述第二控制端口中的一个，所述可变电容器包括第一电极、第一可静电移动液体介电材料和第二介电材料，所述第一可静电移动液体介电材料被配置为响应于控制信号而相对于所述第一电极被静电移动。
16.如权利要求15所述的可调移相器，其中所述第一可静电移动液体介电材料具有第一介电常数，并且所述第二介电材料具有与所述第一介电常数不同的第二介电常数。
17.如权利要求16所述的可调移相器，其中所述第一介电常数大于20并且所述第二介电常数小于10。
18.如权利要求15-17中任一项所述的可调移相器，还包括与所述第一电极通过空间分开的第二电极。
19.如权利要求15-18中任一项所述的可调移相器，其中所述第一可静电移动液体介电材料和所述第二介电材料被包含在容器内。
20.如权利要求19所述的可调移相器，其中所述容器具有第一腔室和第二腔室，其中所述第一腔室位于所述空间中，并且所述第二腔室的至少一部分位于所述空间之外。
21.如权利要求20所述的可调移相器，其中所述第一可静电移动液体介电材料和所述第二介电材料经由所述第一可静电移动液体介电材料的静电移动在所述第一腔室和所述第二腔室之间移动，以便改变所述可变电容器的电容。
22.如权利要求20-21中任一项所述的可调移相器，还包括第一控制电极和第二控制电极，其中所述第二腔室位于所述第一控制电极和所述第二控制电极之间的第二空间中。
23.一种可调移相器，包括：
射频RF信号输入端；
RF信号输出端；
第一延迟线；
第二延迟线；
第一电润湿激活开关，安置在所述RF信号输入端和所述RF信号输出端之间。
24.如权利要求23所述的可调移相器，还包括第二电润湿激活开关，其中所述第一电润湿激活开关耦合在所述RF信号输入端和所述第一延迟线的第一端之间，并且所述第二电润湿激活开关耦合在所述第一延迟线的第二端和所述RF信号输出端之间。
25.如权利要求24所述的可调移相器，还包括第三电润湿激活开关和第四电润湿激活开关，其中所述第三电润湿激活开关耦合在所述RF信号输入端和所述第二延迟线的第一端之间，并且所述第四电润湿激活开关耦合在所述第二延迟线的第二端和所述RF信号输出端之间。
26.如权利要求23-25中任一项所述的可调移相器，其中所述第一延迟线比所述第二延迟线长。
27.如权利要求23-26中任一项所述的可调移相器，其中所述第一电润湿激活开关包括第一开关焊盘、第二开关焊盘和第一液体金属微滴，所述第一液体金属微滴被配置为选择性地将所述第一开关焊盘电连接到所述第二开关焊盘。
28.如权利要求27所述的可调移相器，其中所述第一开关焊盘和所述第二开关焊盘之间的选择性电连接是直接欧姆电连接。
29.如权利要求27所述的可调移相器，其中第一开关焊盘和所述第二开关焊盘之间的选择性电连接是至少一个电容性电连接。
30.如权利要求27-29中任一项所述的可调移相器，其中所述第一液体金属微滴被配置用于在容纳结构内移动。
31.如权利要求23-30中任一项所述的可调移相器，其中所述RF信号输入端、所述RF信号输出端、所述第一延迟线、所述第二延迟线和所述第一电润湿激活开关形成所述可调移相器的第一单元电池，所述可调移相器至少包括与第一单元电池串联耦合的第二单元电池。
32.如权利要求31所述的可调移相器，其中所述第二单元电池的所述第一延迟线比所述第一单元电池的所述第一延迟线和所述第二延迟线两者都长。
33.如权利要求27-32中任一项所述的可调移相器，其中所述第一开关焊盘大于所述第二开关焊盘。
34.如权利要求23所述的可调移相器，还包括混合耦合器，其中所述RF输入端耦合到所述混合耦合器的第一端口，所述第一延迟线耦合到所述混合耦合器的第二端口，所述第二延迟线耦合到所述混合耦合器的第三端口，并且RF输出端耦合到所述混合耦合器的第四端口。
35.如权利要求33或34所述的可调移相器，其中所述第一电润湿激活开关选择性地将所述第一延迟线耦合到接地焊盘。
36.如权利要求35所述的可调移相器，还包括附加的多个电润湿激活开关和附加的多个接地焊盘，其中所述附加的多个电润湿激活开关选择性地将所述第一延迟线耦合到所述附加的多个接地焊盘中的相应接地焊盘。
37.一种可调移相器，包括：
射频RF信号输入端；
RF信号输出端；
第一延迟线；
第一电润湿激活开关，安置在所述RF信号输入端和所述第一延迟线的第一端之间；以及
第二电润湿激活开关，安置在所述RF信号输入端和所述第一延迟线的第二端之间。
38.如权利要求37所述的可调移相器，其中所述第一电润湿激活开关包括第一导电焊盘、第二导电焊盘和第一液体金属微滴，所述第一液体金属微滴被安置在第一容器内并且被配置为选择性地将所述第一导电焊盘电连接到所述第二导电焊盘。
39.如权利要求37或38所述的可调移相器，还包括：
第二延迟线；
第三电润湿激活开关，安置在所述RF信号输入端和所述第二延迟线的第一端之间；以及
第四电润湿激活开关，安置在所述RF信号输入端和所述第二延迟线的第二端之间。
40.如权利要求39所述的可调移相器，其中所述第四电润湿激活开关包括第三导电焊盘、第四导电焊盘和第二液体金属微滴，所述第二液体金属微滴被安置在第二容器内并且被配置为选择性地将所述第三导电焊盘电连接到所述第四导电焊盘。
41.一种可调移相器，包括：
混合耦合器，具有耦合到射频RF输入端的第一端口、耦合到第一可变延迟线的第二端口、耦合到第二可变延迟线的第三端口和耦合到RF输出端的第四端口，其中，所述第一可变延迟线的第一长度可通过使用电控制信号来调节，以控制液体材料的微滴沿着所述第一可变延迟线的位置。
42.如权利要求41所述的可调移相器，其中所述液体材料的微滴是液体金属的微滴。
43.如权利要求42所述的可调移相器，其中所述液体金属的微滴被配置用于移动以选择性地将所述第一可变延迟线耦合到多个接地连接中的相应一个接地连接。
44.一种调节基站天线中的射频RF信号的子分量的相位的方法，所述方法包括：
通过静电移动安置在容器内的液体材料来调节移相器上的至少一个设置。
45.如权利要求43所述的方法，其中所述至少一个设置包括延迟线的长度。
46.如权利要求43所述的方法，其中所述至少一个设置包括开关设置。
47.如权利要求43所述的方法，其中所述移相器至少包括第一延迟线和第二延迟线，并且所述至少一个设置包括在选择所述第一延迟线或所述第二延迟线中的一个的开关上的设置。

说明书全文

使用 电介质上 电润湿技术制造的可变电容器和 开关及相关的

移相器、基站天线和其它设备

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请根据35 U.S.C.§119要求于2016年4月7日提交的序列号为62/319,484的美国临时专利申请的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文，如同被整体阐述一样。

背景技术

[0003] 电容器是众所周知的可以用于存储电荷的无源电子电路元件。电容器可以包括由介电材料(例如，可以被极化的绝缘体)分开的被称为电极的一对电导体。最典型地，每个电极可以被实现为平板形结构，但是也可以使用其它形状的电极(例如，环形圆柱电极)。

[0004] 当在电容器的电极两端施加电位差(V)时，在介电材料两端产生电场，使得在一个电极上产生正电荷，并且在另一个电极上产生负电荷。电容器的特征在于其电容(C)，该电容被定义为每个电极上的电荷与它们之间的电位差V的比率。电容通常以法拉(farad)来衡量。

[0005] 本领域中已知的一种特殊类型的电容器是可变电容器(variable capacitor)。可变电容器具有可调节的电容值，该电容值可以被有意地和重复地改变。可以通过机械和电子装置来调节可变电容器。附图说明

[0006] 图1A和1B分别是传统电容器的示意性透视图和侧视图。

[0007] 图2A和2B是根据本发明实施例的可变电容器的示意性侧视图。

[0008] 图2C是图2A-2B的可变电容器的实施例的示意性侧视图，该图图示了可变电容器的液体介电材料如何可以被存储在具有一对腔室的容器中。

[0009] 图3A-3E是图示根据本发明的进一步实施例的可变电容器的不同电容状态的示意性平面图。

[0010] 图4是图示图2A-2C的多个可变电容器如何可以用于形成具有大量不同电容状态的复合可变电容器的示意性电路图。

[0011] 图5A是图2A-2C的可变电容器的示意性侧视图，该图进一步图示了可变电容器的控制电路系统。

[0012] 图5B是图2A-2C的可变电容器的示意性侧视图，该图图示了可变电容器的控制电路系统的替代实现。

[0013] 图6是图示可以如何改变图5的可变电容器的电容的示意图。

[0014] 图7是根据本发明实施例的使用可变电容器实现的移相器的电路图。

[0015] 图8A和8B是图示图7的移相器的两个实现的示意图。

[0016] 图9是根据本发明实施例的使用移相器实现的基站天线的示意性框图。

[0017] 图10A和10B是根据本发明实施例的用于基站天线的两个移相器布置的示意性框图。

[0018] 图11是根据本发明的进一步实施例的使用电介质上电润湿(electrowetting on dielectric)微泵的可变电容器的示意图。

[0019] 图12是根据本发明的进一步实施例的电子移相器的单元电池的高层电路图。

[0020] 图13A至13D是图12的单元电池的示例实施例的各种元件的示意图。

[0021] 图14A和14B是图示用于图13A-13D的单元电池的两种可能的开关状态的液体金属滴(drop)的放置的示意性平面图。

[0022] 图15是使用图13A-13D的多个单元电池实现的移相器的示意性平面图。

[0023] 图16是当液体金属微滴在腔室之间过渡时图13A-13D的单元电池的示意性平面图。

[0024] 图17A-17D是被包括在图13A-13D的单元电池的开关中的开关焊盘(pad)的替代实现的示意性平面图。

[0025] 图18是根据本发明又一些实施例的移相器的示意图。

具体实施方式

[0026] 根据本发明的实施例，提供了可以表现出优于传统可变电容器的许多优点的可变电容器。根据本发明实施例的可变电容器可以使用电介质上电润湿技术来操作。特别地，可变电容器可以包括一对电极和可静电移动的液体介电材料，该液体介电材料可以选择性地移入和移出可变电容器的电极之间的空间。在一些实施例中，可静电移动的液体介电材料可以是具有介于例如10和150之间的介电常数的高介电常数材料。当这种可静电移动的液体介电材料被移动到电极之间的空间中时，可变电容器可以表现出高电容水平。当可静电移动的液体介电材料从电极之间的空间被移出时，它可以用较低介电常数材料(诸如例如具有低介电常数的液体或气体)代替。在这种状态下，可变电容器可以表现出低电容水平。

[0027] 如果特定应用需要，根据本发明实施例的可变电容器可以被设计为具有大量不同的电容状态。在一些实施例中，这可以通过使用大量小的“单元电池”可变电容器形成可变电容器来实现。利用这种方法，通过将适当数量的单元电池可变电容器设置为其高电容状态，可以将电容设置为期望值。在其它实施例中，插入在电容器的电极之间的高介电常数液体的量可以在粒度的基础上变化，使得单个可变电容器可以表现出多于两个(并且潜在地大量)的电容状态。

[0028] 根据本发明实施例的可变电容器可以小而轻，同时提供宽范围的电容值。此外，在一些实施例中，这些可变电容器中的唯一移动部件是在密封腔室(chamber)内被移动小距离的液滴，因此可变电容器可以表现出高水平或可靠性并且基本上是固态电容器。可变电容器也不具有可能引起无源互调(“PIM”)失真的非线性电结或材料，这种无源互调失真是RF电路中可能出现的已知形式的电干扰。因此，根据本发明实施例的可变电容器可以非常适合用在RF传输系统中。

[0029] 根据本发明的进一步实施例，提供了使用电润湿技术来选择性地建立和断开开关的输入和输出之间的电连接的电润湿激活开关。这些开关可以使用电润湿技术来移动液体金属的微滴(droplet)以打开或关闭开关。开关可以被设计成在闭合时建立直接欧姆电连接或电容性连接。

[0030] 本文公开的可变电容器和电润湿激活开关可以用在各种各样的应用中，包括例如用在可调移相器中。对于无线电信内的许多应用，包括各种基站天线应用，需要能够通过高功率(例如，60瓦)调制载波同时表现出低水平的PIM失真(例如，优于-165dBc)和低插入损耗(例如，0.3dB或更低)的可调移相器。此外，这种移相器需要是电控制的并且具有无源锁存，使得每当移除电源或控制时相位状态保持不变。遗憾的是，现有的基于半导体开关的移相器通常不能满足至少严格的PIM失真要求。期望根据本发明实施例的移相器能够实现这样的性能水平。

[0031] 现在将参考附图更详细地描述本发明的方面，图中示出了本发明的实施例。

[0032] 图1A和1B分别是传统电容器10的示意性透视图和侧视图。如图1A-1B所示，电容器10包括下电极20、上电极30和插入在其之间的介电层40。电容器10的电容(C)可以表达如下：

[0033] C＝ε*A/d (1)

[0034] 其中：

[0035] ε＝介电层40的绝对电容率；

[0036] A＝电极20、30重叠的面积，以平方米为单位；以及

[0037] d＝电极20、30之间的距离，以米为单位。

[0038] 电容器10的电容C可以通过(1)改变介电层40的电容率，(2)改变电极20、30的重叠面积(例如，通过使用具有更大或更小表面面积的电极)和/或(3)改变电极20、30之间的距离来改变。根据本发明的实施例，提供了其中可以改变介电层的电容率以便改变电容的可变电容器，如将在下面详细讨论的。

[0039] 图2A和2B是根据本发明实施例的可变电容器100的示意性侧视图。图2C是图2A-2B的可变电容器100的实施例的示意性侧视图，该图图示了可变电容器的介电材料如何可以被存储在具有一对腔室的容器中。

[0040] 如图2A-2B所示，可变电容器100包括下电极120、上电极130和介电材料140。介电材料140可以包括具有例如相对高的介电常数的液体介电材料140。液体介电材料140可以被移动到位于两个位置中的至少一个位置中。如图2A所示，在第一位置，液体介电材料140位于两个电极120、130之间的空间中。该第一位置可以对应于高电容状态。如图2B所示，在第二位置，液体介电材料140被移出两个电极120、130之间的空间。该第二位置可以对应于低电容状态。

[0041] 在一些实施例中，当液体介电材料140被移动到第二位置时，空气(或另一种气体)可以占据其位置以填充电极120、130之间的空间。在其它实施例中，可以提供改变位置的第一介电材料140和第二介电材料142。例如，如图2C所示，在一些实施例中，电容器100还可以包括具有第一腔室152、第二腔室154和颈部区域156的沙漏形容器150。第一液体介电材料140可以被包含在例如第一腔室152中，并且第二介电材料142可以被包含在第二腔室154中。第二介电材料142可以包括例如气体(例如，空气)或液体介电材料，其介电常数与第一液体介电材料140的介电常数不同。

[0042] 可以使用电介质上电润湿技术来移动第一液体介电材料140。电润湿是指通过施加的电场修改表面(通常是疏水表面)的润湿性质的过程。例如，可以将静电液体(例如，乙醇或甲醇)的微滴放置在诸如例如绝缘层的表面上(因此称为“电介质上电润湿”)。在液滴上施加电场。响应于施加的电场，电荷积聚在液滴和绝缘层之间的界面处。导电微滴的角落处的边缘(fringing)电场倾向于将微滴向下拉到绝缘层上，从而将微滴和绝缘表面之间的接触角从更疏水改变为更亲水。通过适当地布置电极和施加电场，可以使微滴移动。因此，第一液体介电材料140在本文中可以被称为可静电移动的液体介电材料。

[0043] 在一些实施例中，上述电润湿技术可以用于在第一腔室152和第二腔室154之间移动第一液体介电材料140。当第一液体介电材料140从例如第一腔室152移动到第二腔室154中时，它可以迫使第二介电材料142中的一些或全部从第二腔室154到第一腔室152。由于第一液体介电材料140和第二液体介电材料142具有不同的介电常数，因此电容器100可以具有两个不同的电容，即，当第一(例如，高介电常数)液体介电材料140填充电极120、130之间的空间时的第一电容C1，以及当第二(例如，较低介电常数)介电材料142位于电极120、130之间的空间中时的第二(较低)电容C2。因此，电容器100可以包括具有可以使用电润湿原理改变插入电极120、130之间的介电材料来改变的电容的可变电容器。

[0044] 如上所述，在一些实施例中，介电材料142可以包括液体介电材料。在一些实施例中，液体介电材料142可以是光滑的材料。液体介电材料140、142可以包括具有低溶解度水平的液体，使得当液体140、142在容器150内交换位置时它们不会容易地混合。对于一些应用，液体介电材料140、142可以具有低熔点和高沸点，使得材料在冬季和夏季时在室外位置中将保持液体形式。在一些实施例中，可能期望低密度和低粘度水平，使得液体材料140、142可以更快地从一个腔室152、154切换到另一个腔室。

[0045] 在一些实施例中，第一液体介电材料140可以具有高介电常数。下面的表I列出了作为可静电移动材料的一些可能的高介电常数液体介电材料。如表I所示，可获得介电常数范围从小于20到几乎200的合适材料。表I还提供了关于示例可静电移动液体介电材料的各种流体力学和热力学特性的数据。

[0046] 表I

[0047]

[0048] 虽然在上面的描述中具有高介电常数的第一液体介电材料140是可静电移动的液体，但是应该认识到的是，在其它实施例中，第二低介电常数液体介电材料142可以是可静电移动的液体。在这样的实施例中，第二低介电常数液体介电材料142可以被静电移动，使得它将移开第一高介电常数液体介电材料，从而使它在第一容器152和第二容器154之间移动。此外，虽然本文为了便于描述，引用静电移动液体的“微滴”，但是应该认识到的是，在根据本发明实施例的可变电容器中，通过利用电润湿技术移动更大量的液体介电材料或者通过同时移动多个不同的微滴，可以静电移动液体的多于单个微滴。现在将参考图3A-3E描述这些方法中的第二方法的示例。

[0049] 特别地，图3A-3E是根据本发明的进一步实施例的可变电容器200的示意性平面图。取决于介电材料140、142中的哪个被插入在电极120、130之间的空间中，上述可变电容器100可以具有两种不同的电容状态。在其它实施例中，高介电常数液体介电材料的多于单个微滴可以用于提供具有两种以上状态的可变电容器。例如，电容器200可以包括四个沙漏形容器250-1至250-4(统称为250)，每个容器具有通过诸如颈部区域的通道(未明确示出)连接的第一腔室252和第二腔室254。容器250可以被布置成使得每个第一腔室252可以是位于电极220、230之间的空间中的中央腔室252(顶部电极230未在图3A-3E中示出，使得介电材料的位置可以被看到)并且每个第二腔室254可以是不在电极220、230之间的空间中的外围腔室254。每个容器250可以包括在两个腔室252、254之一中的第一可静电移动液体介电材料240的微滴以及例如在两个腔室252、254中的另一个中具有较低介电常数的液体介电材料242的第二微滴。

[0050] 如图3A-3E所示，通过在中央腔室252和外围腔室254之间移动包括在四个容器250-1至250(统称为容器250)中的每一个中的第一可静电移动液体介电材料240，可变电容器200的电容可以在五种不同状态之一之间改变，在图3A的示例中，第一可静电移动液体介电材料240被控制在每个中央腔室252中，这将提供最大量的电容。在图3B的示例中，第一可静电移动液体介电材料240被控制在第一容器250-1至第三容器250-3的中央腔室252中，而较低介电常数第二介电材料242位于第四容器250-4的中央腔室252中并且第一可静电移动液体介电材料240位于第四容器250-4的外围腔室254中。与当电容器200处于图3A所示的状态时相比，这将提供稍低的电容水平。图3C-3E示出了可变电容器的其余三种状态，每种状态提供越来越小的电容。

[0051] 应该认识到的是，可以对上述可变电容器100、200进行多个修改。例如，在其它实施例中，可以将可静电移动液体的一个或多个微滴逐渐移动到一对电极之间的区域中。例如，可以移动微滴使得微滴的0％、20％、40％、60％、80％或100％位于该对电极之间，而微滴的其余部分(如果有的话)不在该对电极之间。以这种方式，可以提供通过静电移动液体介电材料的单个微滴(或其它量的微滴)而具有六种不同的电容状态的可变电容器。可以控制在电极之间的微滴的不同量可以被改变来提供具有任何期望数量的电容状态的可变电容器，和/或可以以这种方式在电极之间移动多于单个量的液体介电材料。

[0052] 在其它实施例中，可变电容器200的四个中央腔室252可以例如用单个较大的中央腔室替换。在这样的实施例中，液体介电材料的四个微滴(或其它量的微滴)可以被选择性地在四个外围腔室254和该较大的中央腔室之间静电移动。此外，如上所述，在还有的其它实施例中，第二介电材料142、242可以包括具有低介电常数的可静电移动的液体。在这样的实施例中，第一液体介电材料140、240可以包括具有高介电常数的非可静电移动的液体。在又一个实施例中，每个微滴可以具有不同的介电常数。同样应该认识到的是，可以改变容器150的尺寸、形状和数量。在一些实施例中，可以完全省略容器150。因此，应该认识到的是，上述实施例本质上是示例性的并且不应该被解释为限制本发明的范围。

[0053] 还应该认识到的是，根据本发明的一些实施例的可变电容器可以具有单元电池结构，并且该单元电池结构可以用于增加不同电容状态的数量。例如，图4是图示如何使用图2A-2C的多个可变电容器100来形成具有大量不同电容状态的复合可变电容器300的示意电路图。如图4所示，可变电容器300包括并联布置的多个可变电容器100。在图4的示例中，提供总共十个电容器100，这十个电容器在图4中被分别标记为100-1至100-10。每个电容器
100可以被独立地控制为处于两种状态(即，高电容状态或低电容状态)之一。因此，取决于处于高电容状态的电容器100的数量，电容器100可以具有十一个不同的电容值。可以适当地修改包括在可变电容器300中的单元电池电容器的数量，以提供具有适当范围的电容值和在该范围内的上电容值和下电容值之间具有适当数量的不同状态的电容器。还应该认识到的是，一些电容器100可以具有不同的设计或特性。

[0054] 还应该认识到的是，可以使用各种技术来增加独特电容状态的数量，而不会过度增加被包括在复合可变电容器300中的单元电池可变电容器100的数量。例如，在进一步的实施例中，不同的第一可静电移动液体介电材料140可以用在不同的单元电池电容器100中。例如，如果单元电池电容器100-1和100-2包括具有例如介电常数4的第一可静电移动液体介电材料140-1，单元电池电容器100-3和100-4包括具有例如介电常数10的第一可静电移动液体介电材料140-2，单元电池电容器100-5和100-6包括具有例如介电常数22的第一可静电移动液体介电材料140-3，单元电池电容器100-7和100-8包括具有例如介电常数39的第一可静电移动液体介电材料140-4，并且单元电池电容器100-9和100-10包括具有例如介电常数74的第一可静电移动液体介电材料140-5，则电容器可以表现出非常宽范围的电容值并且可以在该范围内被设为大量不同的设置。可以例如通过以下步骤实现类似的效果：(1)对于不同的单元电池电容器100，改变电极120、130重叠的面积，(2)对于不同的单元电池电容器100，改变电极120、130之间的距离，(3)对于不同的单元电池电容器100，改变第一可静电移动液体介电材料140插入在高电容状态的电极之间的量等。

[0055] 图5A是图2A-2C的可变电容器100的另一个示意性侧视图，该图图示了可变电容器100的示例控制电路系统。如图5A所示，容器150被水平安置，其中第一可静电移动液体介电材料140被包含在第一腔室152中并且第二液体介电材料142被包含在第二腔室154中。电容器100的下电极120和上电极130被安置在第一腔室152的任一侧。第一导线122可以连接到下电极120，并且第二导线132可以连接到上电极130。导线122、124可以包括例如RF传输线。
下控制电极160-1和上控制电极160-2可以分别设置在第二腔室154的下方和上方。下控制电极160-1和上控制电极160-2中的至少一个可以耦合到控制电压源。在所绘出的实施例中，下控制电极160-1和上控制电极160-2连接到相应的第一DC控制电压源170-1和第二DC控制电压源170-2。第三控制电压源170-3和第四控制电压源170-4电连接到相应的下电极
120和上电极130。在一些实施例中也可以提供低通偏置滤波器180-1、180-2，其允许电极用于电容器的RF电极以及用于影响可静电移动液体介电材料140的微滴的移动的电极。滤波器180-1、180-2允许施加低频或DC 偏压而不干扰RF 信号并且RF信号在DC电路中不会丢失。

[0056] 图6是图示可以如何操作图5A的可变电容器100的示意图。图6的上部分示出了在图6中被标记为t1-t3的三个连续时刻的第一可静电移动液体介电材料140(在该示例中是高介电常数材料)的位置。图6的下部分是一系列曲线图，该图图示了随时间推移施加到下电极120和上电极130以及控制电极160-1、160-2的DC电压，并且这些曲线图包括时刻t1-t3。

[0057] 如图6的左手部分所示，最初第一可静电移动液体介电材料140位于容器150的第二腔室154中，容器150是不在电极120、130之间的空间中的容器。在这个示例中，第一可静电移动液体介电材料140是高介电常数材料，并且第二介电材料(在这种情况下可以是空气)位于容器150的第一腔室152中。由于空气具有低介电常数，因此当第一介电材料和第二介电材料处于图6左手侧所示的相应位置时，可变电容器100处于低电容状态。

[0058] 如图6的中央部分所示，在时间t1之后的某个时间点，从控制电压源170-1至170-4向相应的电极120、130、160-1、160-2供应一系列控制电压。这些控制电压可以以使得第一可静电移动液体介电材料140的微滴开始从第二腔室154移动通过颈部区域156(参见图2C)并进入到第一腔室152中的方式施加。当第一可静电移动液体介电材料140移动时，第二介电材料142从第一腔室152移开并通过颈部区域156移动到第二腔室154中。以这种方式，选择性地将控制电压施加到电极120、130、160-1、160-2可以使第一可静电移动液体介电材料140从第二腔室154(参见图6中的时间t1)移动到第一腔室152(参见图6中的时间t3)。以例如与图6中所示的相反的顺序施加控制电压可以使第一可静电移动液体介电材料140从第一腔室152移动到第二腔室154。因此，应该认识到的是，通过将一个或多个控制电压简单地施加到可变电容器100的各个电极，电容器100可以在低电容状态和高电容状态之间切换，反之亦然。此外，虽然可以通过施加控制电压使第一可静电移动液体介电材料140容易地在第一容器152和第二容器154之间移动，但是一旦控制电压被移除，第一可静电移动液体介电材料140可能保持静止并且因此在施加附加的控制电压之前不会在腔室152、154之间移动。换句话说，根据本发明实施例的可变电容器可以在不施加连续电压的情况下保持给定的电容状态。大多数其它可变电容器需要DC偏置电压来保持特定的电容状态。

[0059] 虽然在上述实施例中将控制电压施加到所有四个电极120、130、160-1、160-2，但是应该认识到的是，在其它实施例中，可以将控制电压施加到更少的电极。例如，在一些实施例中，可以省略电极160-1、160-2，并且可以仅在电极120、130两端施加控制电位。具有第一极性(例如，正电压)的控制电压可以用于例如当第一静电液体介电材料140位于第一腔室152中时，排斥第一可静电移动液体介电材料140，从而迫使第一可静电移动液体介电材料140进入到第二腔室154中。具有第二极性(例如，负电压)的控制电压可以用于例如当第一可静电移动液体介电材料140位于第二腔室154中时，吸引第一可静电移动液体介电材料140，以将材料140拉回到第一腔室152中。类似地，在其它实施例中，控制电压可以仅在电极
160-1、160-2的两端提供以将第一可静电移动液体介电材料吸引到第二腔室154或从第二腔室154排斥第一液体介电材料140。

[0060] 应该认识到的是，在其它实施例中可以使用更少的控制电压源170。例如，在一些实施例中，可以使用单个控制电压源170。例如，图5B图示了可变电容器100的另一个示例控制电路实现，而不是图5A中所示的实现。如图5B所示，控制电压源170将控制电压输出到其多个输出端口172中的每个端口。控制电压源170可以包括例如输出恒定DC电压(例如，40伏)的直流(DC)电压调节器电路。每个输出端口172通过控制线连接到电极120、130、160-1、160-2中的相应一个电极。开关174可以插入在每个输出端口172和输出端口172连接到的电极120、130、160-1、160-2中的相应一个电极之间。开关174可以包括例如功率MOSFET晶体管。可以提供具有多个输出端口(为了简化附图未示出)的控制器176，该多个输出端口被电连接到相应开关174的控制端子(例如，当开关174被实现为MOSFET晶体管时，被电连接到栅极电极)。控制器176可以控制开关174以上面参考图6所讨论的方式选择性地将控制电压施加到电极120、130、160-1、160-2，以便在其高电容状态和低电容状态之间来回切换可变电容器100。

[0061] 虽然在以上描述中，控制电压源170输出DC控制电压，但是本发明的实施例不限于此。例如，在其它实施例中，可以使用低频交流(AC)信号作为控制电压。

[0062] 电介质上电润湿原理也已用于商业上实现微泵，诸如可从Microtechnik获得的Bartels微泵(参见http://www.bartels-mikrotechnik.de/content/view/9/15/lang,english/)。根据本发明的进一步实施例，这种商用微泵可以用于将高介电常数液体材料从两个电极之间移入和移出以提供可变电容器。图11示意性地图示了根据本发明实施例的可变电容器500，该可变电容器500通过使用电润湿微泵190以这种方式进行操作以在容器150的第一腔室152和第二腔室154之间移动高介电常数材料140。应该认识到的是，在该实施例中，第一液体介电材料140(其可以是高介电常数材料)和第二介电材料142都不需要是可静电移动的材料。

[0063] 在一些实施例中，单个可变电容器100(或者，替代地，单个可变电容器200或本文讨论的任何电容器变型中的单个电容器)可以用作电子电路中的可变电容器。如上所述，在一些实施例中，可以使用多个可变电容器，诸如在其中多个可变电容器100被用作较大复合可变电容器300的单元电池的上述应用中(参见图4及其描述)。这些单独和/或复合可变电容器可以用在各种各样不同的电子电路中。下面仅通过示例的方式讨论两个这样的应用，即，可调移相器和可调谐滤波器，两者都可以用在例如蜂窝通信系统的基站天线中。但是，应该认识到的是，本文公开的可变电容器可以用在各种各样的其它类型的电子电路中，并且本申请涵盖了在所有这样的电路中使用本文所公开的可变电容器。

[0064] 如上所述，根据本发明的进一步实施例，可以提供使用根据本发明实施例的上述可变电容器实现的移相器。这些移相器可适用于例如基站天线。

[0065] 作为背景知识，用于蜂窝通信系统的基站天线通常包括辐射元件的一个或多个阵列，诸如安装在例如平板上的偶极子。辐射元件的每个阵列可以产生具有期望特性(诸如例如期望的波束仰角、波束方位角和/或半功率波束宽度)的天线波束，以便为指定的覆盖天空提供蜂窝服务。由这样的基站天线发送的信号被分成多个子分量，并且每个子分量可以通过天线馈送网络被馈送到相应的一个辐射元件。

[0066] 基于网络覆盖要求，蜂窝运营商可能发现调节垂直仰角(即，天线相对于地平线的垂直角度)或基站天线的主波束的“倾斜”以便改变天线的覆盖区域是有利的。这样的调节通常被称为“下倾”，因为基站天线通常被倾斜到指向相对于地平线0°或更小的仰角，诸如，例如，0°至-10°的仰角。但是，应该认识到的是，在一些情况下，“下倾”将涉及增加仰角，从第一负角度增加到更小的负角度或者甚至增加到正仰角，正仰角可能在例如在基站天线有时可能具有正仰角以便为附近的建筑物提供增强的覆盖和服务的城域蜂窝(metrocell)系统中发生。通过以改变主天线波束的仰角的方式控制通过阵列的每个辐射元件发送的信号的子分量的相位，可以电子地下倾基站天线。这种电子下倾通常通过从远程位置向基站天线发送控制信号来执行。响应于该控制信号，基站天线调节被包括在天线馈电网络中的可调移相器的设置以实现相移。

[0067] 传统上，机电移相器已被用于电子地下倾基站相控阵天线的辐射图。适用于在基站天线中实现远程电子下倾的传统机电移相器的示例是在美国专利7,463,190中公开的擦拭器电弧移相器(wiper arc phase shifter)。'190专利的移相器具有固定的“主”印刷电路板和安装在其上的可机械旋转的“擦拭器”印刷电路板。主印刷电路板具有输入端、相对大数量的(例如，五个、七个或九个)输出端、以及连接到相应输出端的多个弧形传输路径。弧形传输路径具有不同的半径，并且因此每个弧形路径具有不同的长度。在输入端口处输入的RF信号被分离，并且该RF信号的至少一些子分量被传送到擦拭器印刷电路板，在那里它们电容性地耦合到主印刷电路板上的相应弧形传输路径上。以这种方式，移相器的每个输出端可以耦合到具有不同长度的RF传输路径。路径长度的这种变化调节相位，并且因此移相器可以向输入RF信号的子分量施加线性相位锥减。此外，相位锥减的量可以通过机械地调节其中擦拭器印刷电路板沿着主印刷电路板上的弧形传输路径电容性地耦合的位置来改变。例如，五输出移相器可以被设计成将其第一输出端和第二输出端处的相位(相对)增加X°和2X°，将其第四输出端和第五输出端处的相位(相对)减小X°和2X°并且不调节其第三输出端处的相位。然后，该示例移相器的五个输出端中的每一个将被连接到相应的一个辐射元件或被连接到相应的辐射元件的子组。如上所述，可以通过机械地移动擦拭器印刷电路板来调节施加到输入RF信号的每个子分量的相移量(即“X”)，以便调节不同传输路径的长度。

[0068] 遗憾的是，传统的机电擦拭器电弧移相器具有许多潜在的缺点。这些移相器的尺寸往往大，因为在蜂窝通信系统中使用的频率处必须增加的RF传输路径的长度并非不大。因此，移相器的尺寸和重量可以以有意义的方式有助于天线的总尺寸和重量，并且这些移相器的制造可能是昂贵的。此外，移相器需要单独的电动机、机械连杆和用于物理移动擦拭器印刷电路板的电动机控制器。这些附加组件进一步增加了基站天线的尺寸和重量。而且，波束倾斜时间变化可能慢，诸如大约几十秒量级。而且，这些机械移动部件是潜在的故障点，特别是当基站天线位于室外相对恶劣的环境中时。此外，必须对每个移相器的输入端和输出端进行RF连接。这些连接通常通过将同轴线缆焊接到每个移相器的每个输入和输出端口来实现。这可能需要大量的焊接连接，这增加了制造时间和成本并且还增加了天线的测试时间，因为每个焊接连接通常被测试以确保已制造出良好的机械和电连接。

[0069] 此外，每个焊接连接是PIM失真的潜在来源。如上所述，PIM失真是当两个或更多个RF信号遇到沿着RF传输路径的非线性电结或材料时可能发生的电干扰的形式。沿着RF传输路径的不一致的金属与金属接触是PIM失真的一个潜在来源，特别是当这种不一致的接触在RF传输路径的高电流密度区域中时。产生的非线性可以起到混频器的作用，从而使得以原始RF信号的数学组合生成新的RF信号。如果新生成的RF信号落在接收器的带宽内，则有效地增加了由接收器所经受的噪声水平。当噪声水平增加时，可能需要降低数据速率和/或服务质量。PIM失真可能是RF通信系统的重要互连质量特性，因为由单个低质量互连生成的PIM失真可能降低整个RF通信系统的电性能。此外，PIM失真可能不会立即出现(这时它可以被相对容易地校正)，而是可能在基站天线已被安装在塔顶上之后响应于(例如，来自振动的)机械应力和/或腐蚀而出现。这种PIM失真可能降低天线的RF性能，并且可能需要昂贵的天线替换。

[0070] 在许多应用中，诸如例如4G(LTE)无线系统，避免生成这种PIM失真可能是重要的。通常，PIM失真减少对于所有频分双工(FDD)通信系统是重要的。遗憾的是，传统的可变电容器通常使用PIN 二极管、变容二极管和/或微机电系统(MEMS)来实现，所有这些都是固有的非线性实现并且因此可能产生PIM。此外，关于RF MEMS可变电容器的开发工作不针对能够支持与基站天线应用的可调移相器相关联的低三阶PIM(例如，在2x20W音调下<-150dBc)所需的功率电平和/或线性要求的电容器，并且RF MEMS可变电容器以与根据本发明实施例的可变电容器基本不同的方式进行操作。因此，在许多RF通信应用中不可能使用这种传统的可变电容器。

[0071] 根据本发明实施例的可调移相器可以克服用于基站天线的传统可调移相器的各种缺点。

[0072] 特别地，图7是使用根据本发明实施例的可变电容器实现的适用于基站天线中的可变移相器400的电路图。如图7所示，可变移相器400包括具有输入端口420、输出端口422以及第一控制端口424和第二控制端口426的四端口90度3dB混合耦合器410。90度混合耦合器410可以包括例如可商业获得的表面安装4端口90度混合耦合器。合适的90度混合耦合器的示例是可从获得的品牌90度混合耦合器。第一可变电容器430和第一电感器440耦合到第一控制端口424。第二可变电容器432和第二电感器442耦合到第二控制端口426。电感器440、442可以用于增加可调移相器400的带宽。在一些实施例中，可以省略电感器440、442。可以使用一个或多个控制信号来控制第一可变电容器430和第二可变电容器432。可以使用根据本发明实施例的可变电容器来实现第一可变电容器430和第二可变电容器432。

[0073] RF输入信号可以被输入到输入端口420。可调移相器400将在RF输入信号上赋予(impart)相移，其中相移量将基于可变电容器430、432的值。使用90度混合耦合器和可变电容器的可调移相器在本领域中是已知的，因此本文将省略对图7中所示的基本电路的设计和操作的进一步描述。

[0074] 应当注意的是，当根据本发明实施例的可变电容器用于实现可调移相器400时，在一些实施例中，DC控制电压和RF信号都可以被施加到可变电容器的电极。RF信号的频率和/或可静电移动的液体介电材料的惯性可以足够高，使得RF信号不充当往往移动可静电移动的液体介电材料的控制电压。在一些实施例中，RF信号的电压电平可能替代地或附加地对于移动可静电移动的液体介电材料不足够高。因此，可调移相器400可以被设计成使得其可变电容器430、432的电容可以变化，以便对输入RF信号施加可调节的相移，而RF信号不会影响可变电容器430、432的操作。

[0075] 图8A和8B是图示使用根据本发明实施例的可变电容器的图7的移相器中包括的可变电容器430、432的两个潜在实现的示意图。

[0076] 首先参考图8A，可以看到，可变电容器430、432各自使用图2A-2C的多个可变电容器100来实现，这些可变电容器100被并联安置以形成图4的复合可变电容器300。每个单独的电容器100可以包括多个开关，这些开关可以用于以上面参考图5A-5B和图6所讨论的方式选择性地将电容器100的电极120、130、160连接到DC控制电压。可以提供控制器176，该控制器176用于选择性地将电极120、130、160连接到DC控制电压源170，以便将每个电容器100设置为电容器的高电容状态或电容器的低电容状态，如上面参考图5B所讨论的。控制器176可以是独立控制器、可以是用于控制移相器400中包括的可变电容器430、432两者的控制器、或者可以是其中安装移相器400的基站天线的控制器。如上所述，可变电容器100的子集可以被设置为其高电容状态(该子集可以是所有电容器100、零个电容器100或其之间某个数量的电容器100)，而电容器100的其余部分被设置为其低电容状态，以便将可变电容器430、432设置为对RF输入信号赋予期望的相移量的电容电平。

[0077] 接下来参考图8B，该图示出了移相器400的替代实现。在该实施例中，可变电容器430、432中的每一个被实现为电容性耦合的传输线600。如图8B所示，每条传输线600可以包括通过电容器620-1至620-6连接的多个传输线段610-1至610-7。电容器620中的每一个可以使用根据本发明实施例的电介质上电润湿可变电容器(诸如例如上面描述的可变电容器
100)来实现。在图8B中示意性地图示了传输线600的三个示例状态。在状态1中，可变电容器
620中的每一个处于其高电容状态，并且因此每个电容器620可能看起来几乎短路，从而导致长的传输线长度。在这种状态下，移相器400将赋予相对大量的相移。在状态2中，前三个可变电容器620(即，位于传输线600的90度混合耦合器410端部上的可变电容器620)处于其高电容状态，而其余三个可变电容器620处于其低电容状态。在这种状态下，前三个电容器
620-1至620-3每个可能看起来几乎短路，而其余三个可变电容器620-4至620-6可能看起来几乎开路。该组合导致中等长度的传输线长度，该长度将导致移相器400赋予中等量的相移。在状态3中，可变电容器620中的每一个处于其低电容状态，并且因此每个电容器620可能看起来几乎开路，从而导致非常短的传输线长度。在这种状态下，移相器400将仅赋予少量的相移。应当注意的是，通过仅控制第一电容器620-1处于其低电容状态，可以实现与状态3中所示相同的效果。还将理解的是，可以通过控制电容器620产生其它传输线长度(即，在0个和7个传输线段610之间的任何长度)来实现各种其它相移。当然，还可以通过添加(或减去)附加传输线段610和可变电容器620来进一步改变传输线600的长度以及因此所赋予的相移(或宽频带应用的真实时间延迟)。使用90度3dB混合耦合器实现的移相器具有宽频带操作(超过倍频程(octave))的优点，但是这些移相器不是可以使用根据本发明实施例的可变电容器的唯一类别的RF移相器。本领域中已知的其它类型的RF移相器(例如，开关线和负载线移相器)也可以使用根据本发明实施例的可变电容器。

[0078] 图9是根据本发明实施例的使用移相器实现的基站天线700的示意性框图。

[0079] 如图9所示，相控阵天线700包括总共九个辐射元件710-1至710-9，这些辐射元件在垂直列中以数字顺序布置。在本文中，当设备包括多个相同组件时，这些组件可以通过它们的完整附图标记(例如，辐射元件710-1)被单独引用，并且可以通过它们的附图标记的第一部分(例如，辐射元件710)被共同引用。每个辐射元件710可以包括例如一对45°/-45°交叉极化的偶极子天线，但是本发明的实施例不限于此。例如，在其它实施例中，可以使用单偶极子或贴片辐射元件。

[0080] 如图9中进一步所示，基站天线包括多个移相器720。可以为每个辐射元件710提供移相器720，或者移相器720可以耦合到辐射元件710的子组。在所绘出的实施例中，提供了五个移相器720，其中四个移相器720各自耦合到两个辐射元件710的四个相应子组，并且第五移相器720-3耦合到单个辐射元件710-5。每个移相器720可以用于改变通过其相关联的辐射元件710发送和接收的信号的相位。

[0081] 图10A和10B图示了根据本发明实施例的移相器可以用在基站天线中的两种示例方式。

[0082] 如图10A所示，在一些实施例中，为每个辐射元件或辐射元件组810提供单个移相器800。在该实施例中，就在每个辐射元件或辐射元件组810处单独调节相位的能力而言，提供了最大量的灵活性。但是，在该实施例中可能需要具有相对大相移范围的移相器800，从而需要被包括在移相器800中的可变电容器的电容和/或可变传输线的长度的更多可变性(参见图8B)。如图10B所示，在其它实施例中，移相器800可以被级联使得被供应给至少一些辐射元件或辐射元件组810的信号通过两个或更多个可调移相器800。这种方法可能需要每个移相器800更少的相移，并且因此可以允许更简单的移相器设计。

[0083] 虽然上述移相器和基站天线图示了其中可以使用根据本发明实施例的电介质上电润湿可变电容器的示例电子电路，但是应该认识到的是，这些电容器可以用在各种各样不同的电路中。作为另一个示例，本领域中使用可变电容器以便调节滤波器的频率响应的可调谐滤波器是已知的。根据本发明实施例的可变电容器可以类似地用于实现这种可调谐滤波器。

[0084] 根据本发明的进一步实施例，提供了可以由多个单元电池形成的电子移相器，其中每个单元电池可以包括例如不同长度的两个延迟线和多个开关。可以电子地控制开关以选择两个延迟线中的一个。然后可以通过单元电池发送RF信号，并且RF信号将经历与和所选择的延迟线相关联的相移对应的相移(该相移将是延迟线的长度和RF信号的中心频率的函数)。现在将参考图12-16E来讨论这种电子移相器和用于实现它的开关的示例实施例。

[0085] 图12是根据本发明的进一步实施例的电子移相器900的单元电池910的电路图。如下面将更详细解释的，图12的单元电池910可以用作创建移相器900的构建块。移相器900可以是高性能、低PIM失真移相器。

[0086] 如图12所示，单元电池910包括输入端912、输出端914、四个开关920、922、924、926和一对延迟线930、932。开关920、922、924、926可以被设置为允许作为输入端912处的输入的RF信号在输出端914处离开单元电池910之前穿过两个延迟线930、932中的一个。特别地，通过闭合开关920和924并打开开关922和926，在单元电池910的输入端912处入射的RF信号将穿过第一延迟线930并被阻止穿过第二延迟线932。替代地，通过闭合开关922和926并打开开关920和924，在单元电池910的输入端912处入射的RF信号将穿过第二延迟线932并被阻止穿过第一延迟线930。延迟线930、932具有不同的长度，并且因此作为对单元电池的输入的RF信号将取决于RF信号穿过哪个延迟线930、932而经历不同的相移。因此，单元电池910可以用于选择性地将两个不同相移中的一个施加到作为其输入的RF信号。

[0087] 图13A至13D是图12的单元电池910的示例实施例的各种元件的示意图。单元电池910在印刷电路板940上实现。图13A是示出印刷电路板940的顶表面上的导电迹线的平面图。图13B是在形成每个开关920、922、924、926的底部电极的印刷电路板上的金属化焊盘的顶部上已形成介电涂层之后的印刷电路板940的平面图。图13C是印刷电路板的一部分的横截面图，该图还图示了开关920之一的构造，并且示出了液体金属的微滴如何可以充当形成开关的一对电容器的顶部电极。最后，图13D是单元电池910的示意性平面图，该图图示了液体金属的每个微滴如何可以被包含在相应的哑铃形容器内以便于在相应对开关之间移动微滴，以便闭合该对开关中的一个开关同时打开该对开关中的另一个开关。

[0088] 参考图13A和13C，单元电池910在印刷电路板940上实现。印刷电路板940可以包括介电基板944，并且金属接地平面946可以在其下表面上形成。导电迹线942可以在介电基板944的上侧形成。这些导电迹线942与下面的接地平面946一起用作RF传输线。如图13A所示，在印刷电路板940的顶表面上提供了各种不同类型的导电迹线942。导电迹线942包括用作到单元电池910的输入端912的输入迹线950。导电迹线942还包括开关焊盘952、954。每对开关焊盘952、954充当用于形成开关920、922、924、926中的每一个的一对电容器的相应底部电极。因此，印刷电路板940包括四个开关焊盘952和四个开关焊盘954。导电迹线942还包括仅作为传输线段的延迟线930、932。延迟线930和932具有不同的长度，以便生成不同的相移。最后，导电迹线942还包括用作单元电池910的输出端914的输出迹线958。

[0089] 同样如图13A中所示，输入迹线950连接到开关920和922的开关焊盘952，并且输出迹线958连接到开关924和926的开关焊盘952。开关920的开关焊盘954连接到第一延迟线930的第一端并且开关922的开关焊盘954连接到第二延迟线932的第一端。第一延迟线930的第二端连接到开关924的开关焊盘954，并且第二延迟线932的第二端连接到开关926的开关焊盘954。第一延迟线930和第二延迟线932具有不同的长度，使得穿过第一延迟线930的RF信号将经历与穿过第二延迟线932的RF信号不同的相移。

[0090] 单元电池910通过在相应的第一位置和第二位置之间移动液体金属960的两个微滴来操作，以便打开和闭合开关920、922、924、926，使得输入到单元电池910的RF信号可以穿过延迟线930或延迟线932。开关920和922作为一对进行操作，使得在正常操作期间开关920、922中的一个将闭合而另一个将打开。同样，开关924和926作为一对进行操作，使得在正常操作期间开关924、926中的一个将闭合而另一个将打开。

[0091] 参考图13A-13C，可以看到，每个开关920、922、924、926包括第一开关焊盘952、第二开关焊盘954、介电涂层962和液体金属960的微滴。开关焊盘952和954通过间隙964彼此分开，使得开关焊盘952和954彼此不直接欧姆接触。间隙964可以足够大，使得在开关焊盘952和954之间不发生显著的电容性耦合。因此，被包括在开关920和922中的间隙964有效地阻挡入射在输入迹线950上的RF信号传递到开关920或922的开关焊盘954。同样地，被包括在开关924和926中的间隙964有效地阻挡入射在开关924或926的开关焊盘954上的RF信号传递到开关924、926的开关焊盘952以及从那里到输出轨迹958。

[0092] 如图13B-13D所示，可以在每对开关焊盘952、954的顶部上形成介电材料962，诸如例如，焊接掩模、聚酰亚胺、聚对二甲苯或其它绝缘材料的涂层。包括液体金属960滴的第一容器970(参见图13D)在开关焊盘952、954和开关920和922的介电涂层962上方延伸。包括第二液体金属960滴的第二容器970(参见图13D)在开关焊盘952、954和开关924和926的介电涂层962上方延伸。开关焊盘952、954、介电涂层962和与每个开关相关联的液体金属960的微滴形成一对电容器，该对电容器可以用于选择性地允许在开关中的一个开关的一侧输入的RF信号传递到该开关的相对侧。

[0093] 特别地，每个开关焊盘952充当第一电容器的下电极。每个开关焊盘954充当第二电容器的下电极。介电涂层962充当第一电容器和第二电容器的电介质。如果液体金属960的微滴存在，则该微滴充当第一电容器和第二电容器的上电极。如在图13C中可以看到的，如果液体金属960的微滴存在于开关920、922、924、926中的给定一个的开关焊盘952、954上方，则入射在开关焊盘952上的RF信号将通过介电涂层962电容性地耦合到液体金属960的微滴的一部分(图13C右侧的部分)。RF信号将通过液体金属960的微滴，并且然后从液体金属960的微滴的另一部分(图13C左侧的部分)电容性地耦合到开关焊盘954。因此，当液体金属960滴被安置在给定开关的开关焊盘952、954上方时，开关有效地闭合并且RF信号可以从开关通过。作为对照，如果液体金属960滴不存在于开关焊盘952、954上方，则相关联的开关被有效地打开并且RF信号可以不从开关通过。

[0094] 图13D示意性地图示了保持液体金属960的微滴的两个容器970。容器970可以由例如对液体金属960具有低粘附特性的固体介电材料(诸如聚酰亚胺)形成。可以提供两个单独的容器970或具有两个腔体(cavity)的单个容器(如图所示)。如图13D中所示，每个容器970可以具有杠铃形腔体，该腔体包括第一腔室972和第二腔室974以及在它们之间延伸的通道976。液体金属960的微滴和电解质(诸如，盐水溶液、盐酸等)可以被安置在每个容器
970内。每个腔室972、974直接位于开关焊盘952、954对中的相应一个上方。通道976允许液体金属960在腔室972、974之间移动。如以上关于本文公开的各种可变电容器所述，电润湿技术可以用于响应于电控制信号而使每个液体金属960滴从腔室972、974中的一个移动到腔室972、974中的另一个。因此，电控制信号可以用于移动第一液体金属960滴以使其安置在开关922或开关924的开关焊盘952、954上方，并且还可以用于移动第二液体金属960滴以使其安置在开关924或开关926的开关焊盘952、954上方。如果液体金属960滴被控制为安置在开关920和924的开关焊盘952、954上方，则这些开关闭合并且被输入到单元电池910的RF信号可以穿过第一延迟线930但不能穿过第二延迟线932。相反，如果液体金属960滴被控制为安置在开关922和926的开关焊盘952、954上方，则这些开关闭合并且被输入到单元电池
910的RF信号可以穿过第二延迟线932但是不能穿过第一延迟线930。通过使延迟线930、932的线长度的差等于期望的相移，单元电池910提供切换的相位状态。如下面将详细讨论的，通过级联该单元电池910的多个部分，可以构造具有完整360度相移的二进制移相器。

[0095] 各种液体金属可以用于液体金属960滴。在示例实施例中，液体金属可以是共晶镓铟、镓铟锡或汞。也可以使用其它液体金属。

[0096] 如以上所讨论的，开关920、922、924、926使用电润湿技术进行操作以选择性地打开和闭合电路径。在本文中，以这种方式操作的开关可以被称为“电润湿激活”开关。本文还提到液体金属的“微滴”。应该认识到的是，术语“微滴”用于指代少量的液体金属，可以是单个微滴或多个微滴。

[0097] 图14A和图14B是图示用于图13A-13D的单元电池中包括的开关920、922、924、926的两种可能状态的液体金属滴的放置的示意性平面图。如图14A所示，当液体金属微滴960被定位在容器970的两个左侧腔室972中时，入射在输入端912处的RF信号通过第一延迟线930并且遭遇与该路径相关联的延迟。当液体金属微滴960被定位在两个右侧腔室974中时，入射在输入端912处的RF信号通过第二延迟线932并且遭遇与该路径相关联的延迟。

[0098] 上述单元电池910使用液体金属和开关焊盘952、954之间的电容性连接；在其它实施例中，可以替代地使用直接电流连接。在这样的实施例中，可以省略介电涂层962，使得液体金属960滴提供从输入迹线950(或输出迹线958)到开关焊盘952和954的直接电连接。

[0099] 如上所述，多个单元电池910可以用于形成移相器。图15是使用图13A-13D的若干单元电池910实现的移相器900的示意性平面图。可以使用多个单元电池910来实现移相器900。每个单元电池910可以被设计为赋予相同量的相移，或者单元电池910可以被设计为赋予不同量的相移。图15图示了使用赋予不同量的相移的单元电池910的移相器900。

[0100] 如图15中所示，移相器900可以包括例如五个单元电池910。图15中描绘的特定移相器可以赋予0至348.75度的范围内(其中具有11.25度的最小步长尺寸)的任何相移。如图15所示，在一些实施例中，由每个单元电池中的第一延迟线和第二延迟线赋予的相移的差可以是重要参数。在单元电池910-1中，由延迟线930和932赋予的相移的差是11.25度。对于单元电池910-2，该差被加倍为22.5度。第三、第四和第五单元电池910-3至910-5各自再次使相移差加倍以提供45度、90度和180度的相移差。在每个单元电池910被独立控制的情况下，可以在RF信号上引起的相移从参考0度相移(这在每个单元电池910中选择延迟线932时将发生)直到348.75度移位的相移(这在每个单元电池910中选择延迟线930时将发生)。通过在不同单元电池910中选择延迟线930和932的不同组合，可以选择任何中间相移(步长为
11.25度)。当移相器900如图15所示进行配置时，移相器900将赋予45°的差分相移。

[0101] 如图13A所示，在示例实施例中，每个开关焊盘952、954可以包括半圆形金属焊盘，其中直边彼此面对。在许多情况下，施加到RF信号的相移可以在RF信号正在通过移相器900时改变。RF信号可以是从功率放大器发送的高功率信号，并且这样的信号不应该在主动传输期间被呈现有开路。在控制单元电池910以对其开关设置进行重新配置时发生的瞬态条件期间，液体金属960从一个腔室972、974移动到另一个腔室，因此液体金属960可以分布在通道976中(并且也可以部分地在每个腔室972、974中，这取决于腔室972、974和通道976的相对容积)。虽然将为液体金属微滴960提供最大电容的半圆形开关焊盘几何形状如图13A所示，但是这种几何形状将具有在液体金属微滴960的过渡期间允许通过单元电池910的开路条件的风险。

[0102] 图17A-17D是被包括在图13A-13D的单元电池910的开关920、922、924、926中的在阶段过渡期间可能不易于受完全开路条件影响的开关焊盘952、954的替代实现的示意性平面图。图17A-17D中所示的每个开关焊盘对952、954允许在过渡状态期间在移相器的两个开关上同时闭合以形成先合后断(make-before-break)开关功能。在使用直接欧姆接触(与电容性连接相反)的实施例中，第二开关将在该对的第一开关上的完全接触丢失之前进行完全接触。在使用电容性开关的实施例中，在第一开关完全打开之前，通过第二开关的电抗将逐渐减小以形成通过移相器的两个分支的部分接触。应该认识到的是，其它几何形状可以提供相同的效果。

[0103] 图18是根据本发明的又一些实施例的移相器1000的示意图。

[0104] 如图18所示，移相器1000包括混合耦合器1010和一对可变延迟线1020-1、1020-2。混合耦合器1010包括输入端口1012、输出端口1018和一对耦合端口1014、1016。每个延迟线
1020可以包括例如在印刷电路板1032上形成的微带传输线1030。接地平面(未示出)可以在印刷电路板1032的下侧形成，并且传输线的信号承载迹线在印刷电路板1032的顶侧形成。
多个接地焊盘1034在印刷电路板1032上与传输线1030相邻形成。在传输线1030上方提供容纳结构1040，容纳结构1040包括通过通道1044连接的多个腔室1042。液体金属的微滴1060与电解液(未示出)一起被安置在容纳结构1040内。还提供了可以接收直流(“DC”)电信号的多条控制线1050。

[0105] 在该实施例中，可以将DC信号施加到控制线1050中所选择的控制线，以将每个容纳结构1040中的液体金属微滴1060移动到腔室1042中所选择的一个腔室中。每个液体金属微滴1060在其相关联的传输线1030和在腔室1042内暴露的接地焊盘1034之间产生短路。每个接地焊盘1034可以连接到其上形成传输线1030的印刷电路板1032的下侧的接地平面。短路充当将注射到传输线1030上的RF信号朝混合耦合器1010反射回的阻抗失配。RF信号因此被向下发送实际上是具有长度为大约两倍于混合耦合器1010和短路之间的传输线1030的部分的长度的延迟线。由于短路的位置是可调节的，因此该设备可以充当对施加到该设备的RF信号进行相移的可调移相器。微带传输线1030的长度可以基于所需的最大延迟设置。

[0106] 由于混合耦合器1010是四端口设备，因此提供了两条传输线1030。液体金属微滴1060被移动到容纳结构1040中的相同腔室1042(即，移动到与混合耦合器1010相同距离的腔室1042)，使得沿着每条传输线1030的延迟相等。这可以确保RF信号的一部分不被反射回输入端口1012，而是在端口1012处输入的基本上所有RF信号将传递到输出端口1018。液体金属微滴1060通过将DC电压施加到对应的DC控制线1050被致动到所选择的腔室1042中。可以沿着每条传输线1030向控制线1050施加单独的致动电压，以确保两个液体金属微滴1060都被定位在提供相同延迟量的位置中。两条传输线1030中的每一条上的对应DC控制线1050被同时启用以将两个液体金属微滴1060都定位到这样的对应位置中。

[0107] 可以在线性设置之间对线性移相器1000进行排序。因此，如果期望以10度的最小增量进行完整的360度相移，则可以沿着每条传输线形成具有36条独立DC控制线1050的36个分离的腔室1042，即，每个腔室1042一条DC控制线1050。这将确保将两个液体金属微滴1060致动和定位在适当的位置中。

[0108] 使用根据本发明实施例的可变电容器和电润湿激活开关实现的移相器可以表现出许多优点。例如，移相器可以小而轻。与传统机电移相器的相变时间相比，相变时间可以短得多(相差100倍或更多)。此外，移相器不像在基站天线中传统上使用的传统机电擦拭器臂(wiper-arm)移相器那样需要电动机和/或机械连杆。这再次可以降低天线的成本和重量，同时提高天线的可靠性并且具有低PIM性能。

[0109] 此外，根据本发明的一些实施例的移相器可以例如在用于辐射元件的馈电板上实现。因此，根据本发明实施例的移相器不需要在使用机电擦拭器臂移相器时所需的附加焊接同轴线缆连接。消除这些焊接连接简化了制造和测试，并增强了可靠性，因为焊点是已知的潜在故障点。此外，如上所述，焊接连接是PIM失真的潜在来源，因此消除焊点可以使得天线的RF性能改善。PIM减少对于当代LTE系统是非常重要的。因此，根据本发明实施例的基站天线可以具有降低的成本、改进的性能和/或增加的可靠性。

[0110] 根据本发明实施例的上述移相器可以用于电子地下倾基站天线的波束。这种下倾通常仅偶尔执行，以便实现覆盖区域的期望变化(例如，以适应将接管覆盖区域的一部分的附近新基站的添加)。但是，还将理解的是，本文公开的移相器还可以用于各种各样的其它应用中。例如，随着5G蜂窝服务的引入，预期可以包括大量辐射元件(例如，64个、100个、256个等)的更大的二维天线阵列可以用于自适应地形成具有高增益的直接指向各个用户的天线波束。这种波束指向通过利用天线的多个辐射元件发送(或接收)信号来完成，其中每个辐射元件处的信号被相移。在其它应用中，波束操纵可以在中等规模上进行，诸如在白天期间使波束指向建筑物，并且在高峰时段使波束指向街道，或者向人群提供服务(例如，在体育赛事期间使波束指向体育场)。在每种情况下，根据本发明实施例的可调移相器可以用于执行相移，以便操纵天线波束/使天线波束成形。

[0111] 以上已经参考附图描述了本发明的实施例，在附图中示出了本发明的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应该被解释为限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开透彻和完整，并将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。相同的数字全文指代相同的元件。

[0112] 应该理解的是，虽然术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件和另一个元件。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任何和全部组合。

[0113] 应该理解的是，当元件被称为“在”另一元件“上”时，该元件可以直接在另一个元件上，或者也可以存在中间元件。作为对照，当元件被称为“直接”在另一个元件“上”时，不存在中间元件。还将理解的是，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以直接连接或耦合到另一个元件，或者可以存在中间元件。作为对照，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，不存在中间元件。用于描述元件之间的关系的其它词语应该以类似的方式进行解释(即，“在...之间”与“直接在...之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。

[0114] 诸如“在...下方”或“在...上方”或“上”或“下”或“水平”或“垂直”的相对术语可以在本文中用于描述一个元件、层或区域与另一个元件、层或区域的关系，如图所示。应该理解的是，除了图中描绘的朝向之外，这些术语旨在包含设备的不同朝向。

[0115] 本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不旨在限制本发明。如本文所使用的，除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式。还将理解的是，当在本文使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。

[0116] 所有实施例可以以任何方式和/或组合进行组合。

标题	发布/更新时间	阅读量
在同一微流体装置中提供DEP操控设备和可控电润湿设备	2020-05-14	237
基于润湿梯度表面的液滴自驱动能量转换装置及制备方法	2020-05-15	860
电润湿设备	2020-05-13	947
一种通过压印制备电润湿显示单元的方法	2020-05-15	385
电润湿显示装置	2020-05-14	827
基于介质上电润湿的微型液体变焦透镜内的填充液体	2020-05-13	226
具有图案化电场的电润湿显示像素	2020-05-13	775
介质上电润湿微电极阵列结构上的液滴处理方法	2020-05-12	635
一种基于介质层上电润湿原理的电解器件及其制备方法	2020-05-12	914
基于Parylene的柔性电润湿显示装置及制备方法	2020-05-16	57

使用电介质上电润湿技术制造的可变电容器和开关及相关的移相器、基站天线和其它设备

使用电介质上电润湿技术制造的可变电容器和开关及相关的

背景技术

具体实施方式

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：