一种窄过渡带宽的液晶可调谐超表面的制作方法

1.本发明属于微波器件工程技术领域，具体涉及一种窄过渡带宽的液晶可调谐超表面。


背景技术：

2.超表面是一种新型的二维人工电磁材料，电磁可控性极强，通过改变其结构单元的形状和尺寸，就能对电磁波相位、极化方式、传播模式等特性进行调控，其被广泛应用于天线、雷达和无线通信等领域。通过加入电控元件或电控介质，超表面的工作频带、带宽、极化、反射、传输以及吸收特性均可具有可调谐性。加载变容二极管、铁电体、石墨烯或者液晶是实现超表面可调谐功能的几个主要方法。变容二极管的优点是调谐范围大，但受封装引线电感的影响，只能工作在微波低频段(x波段以下)。铁电体和石墨烯虽然可工作在ku以上波段，但受限于制备工艺，无论是铁电体薄膜还是石墨烯薄膜的电磁一致性都无法保证。
3.液晶是一种各向异性材料，在外加电场或磁场的作用下，其分子长轴发生偏转，在宏观上表现为液晶的介电常数发生变化。这样的特性使加载液晶的超表面具备电调谐能力。与其他加电控材料相比，液晶材料的应用频率范围从微波频带直至光频带，且均具有较低的插损，并且电磁特性也非常稳定，而且由于其独特的液体物，使其可灵活用于各种应用场景，为器件的结构设计提供了更广阔的空间。然而现有的液晶可调谐超表面存在调谐率低、结构单元尺寸大(导致角度稳定性差)、过渡带宽大等问题，应用场景被极大限制。


技术实现要素：

4.本发明是为了解决目前液晶可调谐超表面调谐率小，结构单元尺寸大、且过渡带宽大的技术问题，而提供一种窄过渡带宽的液晶可调谐超表面。
5.本发明的一种窄过渡带宽的液晶可调谐超表面由结构单元周期性排布而成，所述结构单元由从上到下依次堆叠设置的顶层介质板、上金属结构层、液晶层、下金属结构层和底层介质板组成，所述下金属结构层由第一矩形金属贴片、第二矩形金属贴片、直角u型条状金属贴片和直线型条状金属贴片组成，所述第一矩形金属贴片和第二矩形金属贴片经直角u型条状金属贴片连接形成直角u型金属贴片，所述直线型条状金属贴片设置在所述直角u型金属贴片的u型开口一侧，所述直线型条状金属贴片上背离直角u型金属贴片的一侧中部设有突起，所述上金属结构层由下金属结构层垂直翻转后沿水平方向错位而成，所述沿水平方向错位是指沿水平方向错开直线型条状金属贴片长度的一半的距离。
6.进一步限定，所述顶层介质板和底层介质板的形状、尺寸、材质均相同。
7.进一步限定，所述顶层介质板的形状为矩形，所述矩形边长为0.06～0.15个介质波长。
8.进一步限定，所述顶层介质板的厚度为100μm～1500μm。
9.进一步限定，所述顶层介质板的形状为临边相等的矩形。
10.进一步限定，所述第一矩形金属贴片和第二矩形金属贴片的尺寸相同，矩形相邻
边的边长分别为0.02～0.06个介质波长、0.02～0.08个介质波长。
11.进一步限定，所述直线型条状金属贴片的长度大于两个矩形金属贴片构成的u型侧壁的两个矩形边之间的距离。
12.进一步限定，所述直线型条状金属贴片的长度为0.06～0.15个介质波长，宽度为0.1mm～0.5mm。
13.进一步限定，所述直角u型条状金属贴片的u型壁长为0.01～0.03个介质波长，u型底长为0.02～0.07个介质波长，所述直角u型条状金属贴片宽度为0.1mm～0.5mm。
14.进一步限定，所述直角u型金属贴片的u型口与所述直线型条状金属贴片的距离为0.1mm～0.5mm。
15.进一步限定，所述液晶层的形状与顶层介质板的形状相同，其矩形边长为0.06～0.15个介质波长。
16.进一步限定，所述液晶层的厚度＜500μm。
17.本发明中所述介质波长是根据吸波体的工作频率确定的。
18.本发明相比现有技术的优点如下：
19.本发明设计了一种液晶可调谐超表面，与现有的液晶可调谐超表面相比，同时具有小型化、大调谐率和窄过渡带宽的优势。相比于目前已经有的液晶可调谐超表面，本液晶可调谐超表面的突出优势主要体现在以下三点：
20.1)本发明的液晶可调谐超表面中的上、下金属结构层都是由一种带有两个矩形大贴片的直角u型金属贴片结构和带突起的直线型条状金属贴片结构组成，直线型条状金属贴片通过它上面的突起与另一结构单元中的弯折线结构(即直角u型条状金属贴片)连接，上金属结构层和下金属结构层呈180
°
旋转对称，并沿水平方向错开直线型条状金属贴片长度的一半的距离，从而形成了一个类三维弯折线结构，使得该液晶可调谐超表面结构单元可以在很小的电路面积内获得足够大的电感量。
21.2)类三维弯折线结构还能引导电流通过上、下金属结构层中相互平行的矩形金属贴片部分，从而为该液晶可调谐超表面结构单元提供一个容值较大的等效电容，使得该液晶可调谐超表面结构单元进一步小型化，并且使液晶对该超表面的调控能力得以增强。
22.3)类三维弯折线结构引入了一个传输零点，直线型条状金属贴片能够引入一个并联电感，从而与类三维弯折线结构形成一个传输极点，在提高液晶可调谐超表面的调谐率和降低液晶可调谐超表面的结构单元尺寸、减小过渡带宽上有明显的效果。
附图说明
23.图1为实施例1的窄过渡带宽的液晶可调谐超表面的结构示意图；其中1
‑
顶层介质板、2
‑
上金属结构层、3
‑
液晶层、4
‑
下金属结构层、5
‑
底层介质板；
24.图2为实施例1的窄过渡带宽的液晶可调谐超表面的结构示意图；图2a
‑
整体三维结构示意图、图2b
‑
结构单元结构示意图、图2c
‑
下金属结构层结构示意图；其中1
‑
顶层介质板、2
‑
上金属结构层、2
‑1‑
上金属结构层的第一矩形金属贴片、3
‑
液晶层、4
‑
下金属结构层、4
‑1‑
第一矩形金属贴片、4
‑2‑
第二矩形金属贴片、4
‑3‑
直角u型条状金属贴片、4
‑4‑
直线型条状金属贴片、4
‑5‑
突起、5
‑
底层介质板；
25.图3为在不同液晶分子偏转角度下实施例1的窄过渡带宽的液晶可调谐超表面的
传输特性曲线图；
26.图4为实施例1的窄过渡带宽的液晶可调谐超表面在液晶分子角度为90
°
时的传输特性曲线图；
27.图5为实施例1的窄过渡带宽的液晶可调谐超表面在液晶分子角度为0
°
时的传输特性曲线图。
具体实施方式
28.实施例1(结合图1
‑
2)：本实施例的一种窄过渡带宽的液晶可调谐超表面由结构单元周期性排布而成，所述结构单元由从上到下依次堆叠设置的顶层介质板1、上金属结构层2、液晶层3、下金属结构层4和底层介质板5组成，所述下金属结构层4由第一矩形金属贴片4
‑
1、第二矩形金属贴片4
‑
2、直角u型条状金属贴片4
‑
3和直线型条状金属贴片4
‑
4组成，所述第一矩形金属贴片4
‑
1和第二矩形金属贴片4
‑
2经直角u型条状金属贴片4
‑
3连接形成直角u型金属贴片，所述直线型条状金属贴片4
‑
4设置在所述直角u型金属贴片的u型开口一侧，所述直线型条状金属贴片4
‑
4上背离直角u型金属贴片的一侧中部设有突起4
‑
5，所述中部是指所述直线型条状金属贴片4
‑
4落在第一矩形金属贴片4
‑
1和第二矩形金属贴片4
‑
2形成的间隙延长线内的一段，所述上金属结构层2由下金属结构层4垂直翻转后沿水平方向错位而成，所述沿水平方向错位是指沿水平方向错开直线型条状金属贴片4
‑
4长度的一半(p1/2)的距离，即上金属结构层2的第一矩形金属贴片2
‑
1与下金属结构层4的第二矩形金属贴片4
‑
2相对；
29.所述顶层介质板1的形状为矩形，所述矩形边长p1＝p2＝3mm，厚度h＝1500μm，材质为罗杰斯4530b；
30.所述下金属结构层4的材质为铜，所述第一矩形金属贴片4
‑
1和第二矩形金属贴片4
‑
2的尺寸相同，矩形相邻边的边长分别为a＝b＝1.2mm，所述直角u型条状金属贴片4
‑
3的u型壁l2＝0.9mm，u型底l1＝1.7mm，所述直角u型条状金属贴片4
‑
3宽度w1＝0.2mm，所述直角u型金属贴片的u型口与所述直线型条状金属贴片4
‑
4的距离g＝0.5mm，所述直线型条状金属贴片4
‑
4的长度p1＝3mm，宽度w2＝0.2mm，所述直线型条状金属贴片4
‑
4上的突起4
‑
5的尺寸为0.2mm
×
0.2mm；
31.所述液晶层3的形状与顶层介质板1的形状相同，其矩形边长＝3mm，所述液晶层3的厚度＝250μm；
32.所述底层介质板5的形状、尺寸、材质与顶层介质板1相同。
33.实施例1的窄过渡带宽的液晶可调谐超表面，具有小型化、大调谐率和过渡带宽小的特性，如图1
‑
2所示；对于图2a)所示的液晶可调谐超表面，它由图2b)所示的结构单元周期排布而成。图2b)所示的结构单元中上、下金属结构层都是由一种带有两个矩形大贴片的直角u型金属贴片结构和带突起的直线型条状金属贴片4
‑
4结构组成，直线型条状金属贴片4
‑
4通过它上面的突起4
‑
5与另一结构单元中的弯折线结构(即直角u型条状金属贴片4
‑
3)连接，如图2c)所示，上金属结构层2和下金属结构层4呈180
°
旋转对称，并偏移半个单元长度，从而形成了一个类三维弯折线结构，使得该液晶可调谐超表面结构单元可以在很小的电路面积内获得足够大的电感量。与此同时，这种结构还能引导电流通过上、下金属结构层中相互平行的矩形金属贴片部分，从而为该液晶可调谐超表面结构单元提供一个容值较大
的等效电容，使得该液晶可调谐超表面结构单元进一步小型化，并且使液晶对该超表面的调控能力得以增强。类三维弯折线结构引入了一个传输零点，直线型条状金属贴片4
‑
4能够引入一个并联电感，从而与类三维弯折线结构形成一个传输极点，在提高液晶可调谐超表面的调谐率和降低液晶可调谐超表面的结构单元尺寸、减小过渡带宽上有明显的效果。
34.第一矩形金属贴片4
‑
1、第二矩形金属贴片4
‑
2的结构尺寸参数a和参数b的大小主要影响等效电容值大小；液晶层的厚度对液晶可调谐超表面结构单元的等效电容值影响显著，液晶层厚度越小，等效电容值越大，液晶可调谐超表面结构单元的小型化效果越好，液晶对该超表面的调控能力越强。因此在工艺允许的范围内，液晶层厚度越小越好。
35.实施例1的窄过渡带宽的液晶可调谐超表面在不同的液晶分子偏转角下的传输特性仿真结果如图3
‑
5所示，从图3中可以看出，当液晶分子偏转角度从0
°
变化到90
°
时，该液晶可调谐超表面的通带频率从7.92ghz降低至7.14ghz，调谐率达到了10.4％。同时，在任意状态下，该液晶可调谐超表面的通带右边的过渡带宽都小于0.42ghz。此外，参照最低工作频率7.14ghz对应的自由空间波长λ0，该超表面的单元尺寸仅为0.07λ0×
0.07λ0。从图4和图5可看出，该液晶可调谐超表面在任意液晶状态下，角度稳定性达到了70
°
。