基于液晶调控介质超表面的低损耗太赫兹反射阵列天线

1.本发明属于电磁波超构材料技术领域，特别是一种基于液晶调控介质超表面的低损耗太赫兹反射阵列天线。


背景技术：

2.波束扫描天线在通信、探测和成像等领域有着广泛的应用，抛物面天线技术和相控阵天线技术都是实现波束扫描的有效方法。抛物面反射天线结构简单，采用机械转动的方式实现电磁波的动态扫描，但是扫描速度较慢，体积较大。相控阵天线可以分为两种，有源相控阵和无源相控阵。有源相控阵天线的每一路发射单元上都加载了tr组件(包含移相器、放大器等)，通过控制信号的幅度和相位实现快速的波束扫描，但是存在馈电网络复杂、造价昂贵的缺点，不利于天线在太赫兹波段的应用。无源相控阵是多路发射单元共用一个功放器件的相控阵，根据馈电方式可以分为传输线馈电和空间馈电两类。采用传输线馈电的无源相控阵天线在每一路发射单元单独加载移相器，开发成本低，但功分网络损耗较大，灵敏度较低。采用空间馈电的反射式无源相控阵天线，又称为平面反射阵列天线，兼具抛物面天线和有源相控阵天线重量轻、损耗低、成本低的优势，主要由馈源和周期性排列的亚波长反射单元构成，可以通过调控每个单元的反射幅度和相位，实现波束扫描。
3.可调控平面反射阵列天线中阵元通常采用三种调控方式，包括热调控、机械调控和电调控。热调控是指利用电加热或激光加热的方法改变gst、vo2等相变材料的介电常数，对天线单元的反射相位幅度进行调控。这种调控方式的优点是可以实现连续的相位幅度调控，但材料的相变过程需要时间，导致器件的调控速率变慢。机械调控是指采用微机电等机械系统调控天线单元的几何结构，实现对反射波幅度相位的调制，调控速度快，可靠性较高。但是随着频率的升高，波长减小，在单元中加载微机电系统对加工精度的要求升高，成本也随之升高。电调控可以分为两种方式：一种是pin二极管、变容二极管等电调元件，使用电调元件，可以使天线单元的电磁特性改变，从而实现波束扫描。然而，这些电调器件也存在随着频率升高，损耗会增大的问题，限制了其在高频段的应用。另一种是利用电调材料，比较常见的是利用电压改变液晶在电磁波偏振方向上的等效介电常数以及石墨烯的电导率来调控天线单元的反射系数。其中，液晶材料在微波到可见光波段上都有很好的透过率，损耗角正切在10-3
量级，应用范围广，工艺成熟，跟其它相位调控方式相比，成本较低，已经被用在反射阵列天线的设计中。
4.国内外学者已经设计出基于液晶调控的金属超表面反射阵列天线，但天线单元的反射系数大多小于0.5。2013年，国外贝尔法斯特皇后大学的robert cahill课题组设计了在105ghz波段的采用三偶极子谐振单元的反射阵列天线。2017年，华为加拿大实验室设计了在40ghz波段的采用双层金属谐振单元的反射阵列天线，这两种阵列天线的反射系数最小值都在0.1左右，相位调控范围在330
°
左右。2018年，合肥工业大学的尹治平课题组利用单偶极子开槽单元实现了在124.5ghz波段306
°
的相移，2019年，哈尔滨工业大学的孟繁义课题组利用三偶极子谐振单元实现了在105ghz波段大于360
°
的相移，这两种设计都是基于
robert cahill课题组工作的改进，但是反射系数还是在0.1左右。2019年和2020年，东南大学崔铁军课题组和南京大学陆延青课题组分别采用方形贴片单元和耶路撒冷十字单元设计出了2-bit和1-bit调控的反射阵列天线，将反射系数提升到0.5左右。综上可知，现有的基于液晶调控金属超表面的反射阵列天线在thz波段存在损耗大的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于液晶调控介质超表面的低损耗太赫兹反射阵列天线，将天线单元的反射系数最小值提升到0.78。
6.实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于液晶调控介质超表面的低损耗太赫兹反射阵列天线，所述反射阵列天线由多个阵列单元构成液晶调控介质超表面，所述阵列单元的谐振结构为双层高介电常数介质柱，每个阵列单元从上到下依次为上介质基底、上金属栅极、上介质柱、液晶、下介质柱、下金属栅极、下介质基底以及金属反射层；
7.当电磁波入射时，在上介质柱、下介质柱中激发出电偶极子谐振模式与磁偶极子谐振模式，造成反射相位突变；通过施加在上金属栅极、下金属栅极上的电压调整液晶的分子偏转方向，液晶在介质柱之间的相对介电常数发生变化，阵列单元的谐振频率发生偏移、反射相位发生变化，从而实现对反射电磁波幅度相位调控。
8.进一步地，所述上介质柱、下介质柱采用圆柱、方柱、椭圆柱、三棱柱、或圆环柱。
9.进一步地，每个阵列单元实现对反射电磁波相位0-320
°
的任意调控。
10.进一步地，所述反射阵列天线采用1-bit、2-bit或3-bit的布阵方式实现反射电磁波束的角度偏转。
11.进一步地，所述上介质柱、下介质柱采用介质硅。
12.进一步地，所述上介质基底、下介质基底采用熔融石英。
13.进一步地，所述上金属栅极、下金属栅极、金属反射层采用金属铜。
14.进一步地，所述液晶的相对介电常数为：垂直于液晶分子长轴方向的介电常数ε
⊥
＝2.5，垂直于液晶分子长轴方向的损耗角正切tanδ
⊥
＝0.0128；平行于液晶分子长轴方向的介电常数ε
∥
＝3.3，平行于液晶分子长轴方向的损耗角正切tanδ
∥
＝0.0035。
15.进一步地，所述阵列单元周期p＝1.9mm；上介质基底、下介质基底厚度均为h
t
＝1mm；液晶厚度h
lc
＝1.9mm；上金属栅极、下金属栅极的厚度均为0.5um、宽度均为0.5mm；上介质柱直径d1＝1.6mm，下介质柱直径d2＝1.4mm，上介质柱、下介质柱的高度均为h
si
＝0.7mm。
16.进一步地，所述阵列单元通过以下制备方式得到：
17.首先分别制作液晶调控介质超表面的上、下层：采用光刻工艺在上介质基底上刻出上金属栅极需要的沟槽，再用磁控溅射镀膜在上介质基底的下侧镀金属膜，再采用光刻工艺将多余的金属去除，只留下上金属栅极部分；采用光刻工艺在下介质基底上刻出下金属栅极需要的沟槽，再用磁控溅射镀膜在下介质基底的上下侧镀金属膜，再采用光刻工艺将多余的金属去除，只留下下金属栅极部分；利用高温键合的方法将高介电常数介质材料键合在上介质基底、下介质基底上，采用光刻工艺刻出上介质柱、下介质柱；
18.采用旋涂法将取向剂涂在液晶调控介质超表面上，光照取向，再将液晶调控介质超表面的上、下层对准，中间用胶水混合聚苯乙烯微球固定并隔开上下基底，留出液晶腔，在两侧留下供液晶出入的两个小孔，从一边灌入液晶，空气从另一边排出，液晶灌满后用胶
水密封。
19.本发明与现有技术相比，其现在优点为：(1)采用双层介质超表面结合液晶层实现反射相位的实时调控，可以实现太赫兹反射波束的低损耗动态扫描；(2)通过施加在上下金属栅极上的电压调整液晶分子的偏转方向，改变液晶在介质柱附近的等效介电常数，从而改变介质超表面谐振模式的频率，实现对反射电磁波相位的实时调控，使相应阵列天线具有波束扫描的功能；(3)用高介电常数介质柱替代金属贴片构成超表面，减少了器件在太赫兹波段的吸收损耗，适用于太赫兹通信、太赫兹成像等领域。
附图说明
20.图1是本发明反射阵列天线结构示意图，其中(a)为反射阵列天线单元结构三维示意图，(b)为反射阵列天线单元结构侧视图，(c)为反射阵列天线布阵结构三维示意图。
21.图2是本发明基于液晶调控介质超表面的低损耗太赫兹反射阵列单元仿真得到的液晶偏转角度为0
°
、45
°
、90
°
的反射系数和反射波相对于入射波相位延迟随频率的变化关系图，其中(a)为反射系数相对于入射波相位延迟随频率的变化关系图，(b)为反射波相对于入射波相位延迟随频率的变化关系图。
22.图3是本发明基于液晶调控介质超表面的低损耗太赫兹反射阵列单元仿真得到的液晶偏转角度从0
°
到90
°
反射系数和反射波相对于入射波相位延迟随频率的变化关系图，其中(a)为反射系数相对于入射波相位延迟随频率的变化关系图，(b)为反射波相对于入射波相位延迟随频率的变化关系图。
23.图4是本发明在72.3ghz时单元反射相位随着液晶偏转角度的变化曲线图。
24.图5是本发明采用2-bit布阵方式的反射阵列天线方向图，其中(a)为000111222333布阵方向图，(b)图为00112233布阵方向图。
25.图6是本发明采用3-bit布阵方式的反射阵列天线方向图，其中(a)为000111222
…
666777布阵方向图，(b)为0011223344556677布阵方向图，(c)为01234567布阵方向图。
具体实施方式
26.本发明一种基于液晶调控介质超表面的低损耗太赫兹反射阵列天线，所述反射阵列天线由多个阵列单元构成液晶调控介质超表面，所述阵列单元的谐振结构为双层高介电常数介质柱，每个阵列单元从上到下依次为上介质基底1、上金属栅极2、上介质柱3、液晶4、下介质柱5、下金属栅极6、下介质基底7以及金属反射层8；
27.当电磁波入射时，在上介质柱3、下介质柱5中激发出电偶极子谐振模式与磁偶极子谐振模式，造成反射相位突变；通过施加在上金属栅极2、下金属栅极6上的电压调整液晶4的分子偏转方向，液晶4在介质柱之间的相对介电常数发生变化，阵列单元的谐振频率发生偏移、反射相位发生变化，从而实现对反射电磁波幅度相位调控。
28.作为一种具体实施例，所述上介质柱3、下介质柱5采用圆柱、方柱、椭圆柱、三棱柱、或圆环柱。
29.作为一种具体实施例，每个阵列单元实现对反射电磁波相位0-320
°
的任意调控。
30.作为一种具体实施例，所述反射阵列天线采用1-bit、2-bit或3-bit的布阵方式实现反射电磁波束的角度偏转。
31.作为一种具体实施例，所述上介质柱3、下介质柱5采用介质硅。
32.作为一种具体实施例，所述上介质基底1、下介质基底7采用熔融石英。
33.作为一种具体实施例，所述上金属栅极2、下金属栅极6、金属反射层8采用金属铜。
34.作为一种具体实施例，所述液晶4的相对介电常数为：垂直于液晶分子长轴方向的介电常数ε
⊥
＝2.5，垂直于液晶分子长轴方向的损耗角正切tanδ
⊥
＝0.0128；平行于液晶分子长轴方向的介电常数ε
∥
＝3.3，平行于液晶分子长轴方向的损耗角正切tanδ
∥
＝0.0035。
35.作为一种具体实施例，所述阵列单元周期p＝1.9mm；上介质基底1、下介质基底7厚度均为h
t
＝1mm；液晶4厚度h
lc
＝1.9mm；上金属栅极2、下金属栅极6的厚度均为0.5um、宽度均为0.5mm；上介质柱3直径d1＝1.6mm，下介质柱5直径d2＝1.4mm，上介质柱3、下介质柱5的高度均为h
si
＝0.7mm。
36.作为一种具体实施例，所述阵列单元通过以下制备方式得到：
37.首先分别制作液晶调控介质超表面的上、下层：采用光刻工艺在上介质基底1上刻出上金属栅极2需要的沟槽，再用磁控溅射镀膜在上介质基底1的下侧镀金属膜，再采用光刻工艺将多余的金属去除，只留下上金属栅极2部分；采用光刻工艺在下介质基底7上刻出下金属栅极6需要的沟槽，再用磁控溅射镀膜在下介质基底7的上下侧镀金属膜，再采用光刻工艺将多余的金属去除，只留下下金属栅极6部分；利用高温键合的方法将高介电常数介质材料键合在上介质基底1、下介质基底7上，采用光刻工艺刻出上介质柱3、下介质柱5；
38.采用旋涂法将取向剂涂在液晶调控介质超表面上，光照取向，再将液晶调控介质超表面的上、下层对准，中间用胶水混合聚苯乙烯微球固定并隔开上下基底，留出液晶腔，在两侧留下供液晶4出入的两个小孔，从一边灌入液晶4，空气从另一边排出，液晶4灌满后用胶水密封。
39.本发明所述液晶可调控介质超表面可以实现对反射电磁波相位0-320
°
的任意调控。本发明实例中所涉及的工作频率为72.3ghz，但利用相似原理可以将单元尺寸任意缩放，工作波长可涵盖微波、毫米波、太赫兹、红外以及可见光波段。
40.此外，反射阵列天线是液晶调控介质超表面，它的每个单元可以实现对反射电磁波相位0-320
°
的任意调控，同时可以实现低损耗反射，通过对反射波相位的调控，实现波束的一维扫描。这种反射阵列天线可以采用1-bit、2-bit或3-bit的布阵方式实现反射电磁波束的某些角度偏转，如表1所示：
41.表1不同布阵类型与对应的波束偏转效果
[0042][0043]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
[0044]
实施例1
[0045]
本实施例提供一种基于液晶调控介质超表面的低损耗太赫兹反射阵列天线设计，其结构如图1中(a)～(c)所示：所述器件的阵列单元从上到下依次为上介质基底1、上金属栅极2、上介质柱3、液晶4、下介质柱5、下金属栅极6、下介质基底7以及金属反射层8。圆柱采用介质硅(ε＝11.67，tanδ＝1.54
×
10-5
)，基底层采用熔融石英，金属电极和金属反射层采用铜，液晶相对介电常数为：ε
⊥
＝2.5，tanδ
⊥
＝0.0128；ε
∥
＝3.3，tanδ
∥
＝0.0035。
[0046]
本实施例首先设计介质单元，介质单元为双层圆柱结构，如图1所示。当电磁波入射时，会在硅圆柱中激发出电偶极子谐振模式与磁偶极子谐振模式，造成反射相位突变。通过施加在上下金属栅极上的电压调整液晶分子的偏转方向，液晶在介质柱附近的相对介电常数发生变化，单元的谐振频率发生偏移，单元的反射相位发生变化，最大可以实现将近320
°
的相位调控。
[0047]
在hfss中，利用主从边界条件结合floquet端口模拟平面波入射时的无限大二维周期平面，计算单元的反射系数，对介质单元进行仿真和优化。在周期p＝1.9mm，基底厚度h
t
＝1mm，液晶厚度h
lc
＝1.9mm，金属栅状电极的厚度为0.5um，宽度为0.5mm，上层硅圆柱直径d1＝1.6mm，下层硅圆柱直径d2＝1.4mm，两层硅圆柱高度h
si
＝0.7mm时，得到液晶偏转角度为0
°
，45
°
和90
°
时的单元反射系数和反射波相对于入射波的相位延迟，如图2中(a)～(b)所示。细致扫描液晶偏转角度从0
°
到90
°
变化单元反射系数和反射波相对于入射波的相位延迟，如图3中(a)～(b)所示。其中，在72.3ghz频点处，在液晶偏转角度从0
°
到90
°
变化范围内，反射率最小值为0.78，反射相位变化范围为320
°
，如图4所示。
[0048]
按照相位仿真结果进行布阵。首先采用2-bit布阵方式，将液晶偏转角度为5
°
，42
°
，51
°
和62
°
的四种单元分别命名为“0”，“1”，“2”和“3”，他们分别对应的反射相位为-474.89
°
，-562.06
°
，-657.17
°
和-745.82
°
，相差大约90
°
。一维布阵时，如图1所示，将沿x轴的单元作为一列，每一列单元可单独设置为“0”，“1”，“2”或“3”中的一种状态。将阵列按照“000111222333”和“00112233”的方式布阵，最终得到反射角为10
°
和15
°
的方向图，如图5中(a)～(b)所示。
[0049]
3-bit布阵时，将液晶偏转角度为5
°
，35
°
，42
°
，47
°
，51
°
，55
°
，62
°
和80
°
的四种单元分别命名为“0”，“1”，“2”，“3”，“4”，“5”，“6”，“7”，他们分别对应的反射相位为-474.89
°
，-521.17
°
，-562.06
°
，-610.21
°
，-657.17
°
，-700.01
°
，-745.82
°
和-789.56
°
，相差大约45
°
。将阵列按照“000111222
…
666777”，“0011223344556677”和“01234567”的方式布阵，最终得到反射角为10
°
，8
°
和16
°
的方向图，如图6中(a)～(c)所示。
[0050]
综上所述，本发明采用双层介质超表面结合液晶层实现反射相位的实时调控，可以实现太赫兹反射波束的低损耗动态扫描；通过施加在上下金属栅极上的电压调整液晶分子的偏转方向，改变液晶在介质柱附近的等效介电常数，从而改变介质超表面谐振模式的频率，实现对反射电磁波相位的实时调控，使相应阵列天线具有波束扫描的功能；用高介电常数介质柱替代金属贴片构成超表面，减少了器件在太赫兹波段的吸收损耗，适用于太赫兹通信、太赫兹成像等领域。