CN105739211B - 一种用于双频液晶光学相控阵波束控制的电压控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于双频液晶光学相控阵波束控制的电压控制方法，采用双频液晶材料代替传统的液晶材料，制备液晶光学相控阵。在液晶光学相控阵公共电极加载高频驱动电压，在液晶光学相控阵驱动电极加载低频驱动电压，通过控制低频驱动电压和高频驱动电压差，实现液晶光学相控阵的高低频偏置控制，当低频电压低于高频电压时，高频电压对液晶的作用明显，双频液晶材料总体表现出负性；反之，当低频电压高于高频电压时，低频电压对液晶的作用明显，双频液晶材料总体表现出正性。通过控制双频液晶的正负性，即可实现液晶光学相控阵的波束单元快速切换。

Description

一种用于双频液晶光学相控阵波束控制的电压控制方法

技术领域

本发明涉及一种可编程光学相位控制器件的控制方法。

背景技术

液晶光学相控阵(LCOPA)是一种新型的可编程光学相位控制器件，它采用具有驱动电压低、相位调制深度大等特点的向列相液晶作为相位调制的电光材料，使器件具有体积小、重量轻、功耗低、易于和微电子控制电路结合等独特优点。液晶光学相控阵不仅解决了激光束的高精度、快速、灵活控制问题，而且使光电系统的集成度更高，柔性控制能力更强，制造成本更低，在卫星光通信、红外对抗和目标跟踪等领域具有重要的应用价值。研究基于液晶光学相控阵的新型激光通信系统，促进传统光通信系统的变革，大大提升我国卫星光通信能力，具有重要的军事意义和应用价值。

波束单元切换时间是液晶光学相控阵波束偏转控制的一个重要性能指标，直接影响卫星激光通信系统的捕跟时间。传统的液晶光学相控阵的公共电极电压设置为0，其离散电极电压设置为V_i，这种电压控制方法不适合于光学相控阵波束的快速切换控制，无法满足通信系统的时间要求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有液晶光学相控阵在波束单元切换时间慢的不足，采用双频液晶材料，提出了一种用于双频液晶光学相控阵波束控制的电压控制方法，可以实现液晶光学相控阵波束单元快速切换，将液晶光学相控阵波束切换时间提高到亚毫秒量级，有效降低捕获时间，在新型空间激光通信系统中具有很好的实用性。

本发明的技术解决方案是：一种用于双频液晶光学相控阵波束控制的电压控制方法，采用双频液晶材料作为液晶光学相控阵的液晶材料，并在液晶光学相控阵的公共电极上加载高频电压V_COM，在液晶光学相控阵的离散电极上加载低频电压V_i，所述高频电压V_COM的频率f_高使得双频液晶的介电各向异性Δε>0，所述低频电压V_i的频率f_低使得双频液晶的介电各向异性Δ_ε<0，高低频电压的最大电压差能够实现360的光相位变化，通过改变所述低频电压V_i与所述高频电压V_COM的电压差值实现液晶光学相控阵的波束单元切换。

所述的双频液晶材料包括正性液晶单体、负性液晶单体以及稀释剂。所述的公共电极电压V_COM工作频率f_高以及低频电压V_i工作频率f_低的选择根据双频液晶材料测量得到的双频液晶的介电常数和驱动频率的关系确定。通过改变所述低频电压V_i的大小改变液晶的等效折射率。

本发明的原理是：液晶相控阵是多个液晶移相器共同组成的阵列器件，在波束切换过程中，每个单元天线的相移量相比上个时刻可能是增加，也可能是减小。在波位切换过程中，有些单元天线中的液晶分子是顺时针方向旋转，而有些单元天线中的液晶分子是逆时针方向旋转。对于当前液晶光学相控阵所采用共COM设计方案，无法满足在同一时刻部分电极是高频驱动电压，而部分电极是低频驱动电压。为此，本发明方法在COM端持续加载一个高频电压，在玻璃基芯片绑定(Chip on Glass，COG)IC芯片输出端加载一个低频电压，同时两端的直流分量相等，使得液晶两端不存在直流偏置。由于液晶两端加载的有效电压被平移到了高频工作点，因此可以形成持续的高频偏置。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用高、低频电压控制液晶光学相控阵的液晶分子发生不同方向旋转，提高液晶材料的响应时间，从而提高了液晶光学相控阵的波束单元切换时间。充分利用双频液晶的频率和液晶分子旋转方向之间的关系，液晶光学相控阵两端分别加载低频电压和高频电压，低频电压和高频电压相等时，对于双频液晶来说，总的电势能为零，因此液晶分子不会发生旋转。当低频电压低于高频电压时候，高频电压对液晶的作用明显，双频液晶材料总体表现出负性，因此液晶分子发生顺时针方向旋转，等效折射率增大直到稳定；反之，当低频电压高于高频电压时候，低频电压对液晶的作用明显，双频液晶材料总体表现出正性，因此液晶分子发生逆时针方向旋转，等效折射率增减小直到稳定。通过合理设置高低频电压的频率f_高与f_低，使得液晶光学相控阵控制电压可以工作于两种频率驱动状态，实现液晶分子的快速偏转，从而有效提高液晶光学相控阵的波束单元切换时间；

(2)本发明采用高频偏置驱动方法实现液晶光学相控阵的高低频偏置控制，可以灵活实现液晶分子的正向和反向偏转控制。与传统液晶光学相控阵电压控制方法不同，液晶光学相控阵的公共电极加载电压不再为0，而是加载高频驱动电压。这样液晶光学相控阵的驱动电压同时包含低频部分和高频部分，高频部分针对所有电极相同(共COM设计)，低频分量各个电极不同(通过数据实现)。通过控制低频分量和高频分量的相对大小来决定单元天线的波束偏转控制工作状态。通过灵活改变离散电极的电压，使得液晶光学相控阵工作于高频驱动和低频驱动两种不同的工作状态，在两种频率作用下灵活实现液晶分子的正反向快速偏转，从而实现波束单元快速切换。

附图说明

图1为传统液晶相控阵的剖面结构图；

图2为本发明液晶光学相控阵的电压驱动示意图；

图3为本发明双频液晶的介电张量和驱动频率的关系图；

图4闪耀液晶光栅相位调制示意图。

具体实施方式

本发明采用双频液晶材料，在液晶光学相控阵公共电极加载高频驱动电压，在液晶光学相控阵驱动电极加载低频驱动电压，通过控制低频驱动电压和高频驱动电压的电压差，实现液晶光学相控阵的高、低频偏置控制。当低频电压低于高频电压的时候，高频电压对液晶的作用明显，双频液晶材料总体表现出负性；反之，当低频电压高于高频电压的时候，低频电压对液晶的作用明显，双频液晶材料总体表现出正性。通过控制双频液晶的正负性，实现液晶光学相控阵的波束单元快速切换。

液晶相控阵的剖面结构如图1所示。传统的液晶光学相控阵为七层结构，主要包括七层结构，即上下两玻璃基板层，上下两电极层，上下两取向膜层以及中间的液晶层。液晶光学相控阵的核心部件是一个液晶盒，其基本结构类似于三明治，在两块玻璃基板之间夹着一层数微米厚度的液晶材料。其中一个基板的内表面覆盖着一层导电薄膜，作为电路驱动的公共电极，称为COM端，电压通常设为0。另外一个基板的内表面刻蚀一层尺寸和间距周期排列的离散电极，用于加载液晶光学相控阵的可编程驱动电压V_i。

本发明采用双频液晶材料代替传统的液晶材料，制备液晶光学相控阵。在COM端公共电极加在一个高频电压V_com，在离散电极加载离散化低频电压V_i，如图2所示。为了实现液晶相控阵的波束单元快速切换，需要合理选择正性液晶单体、负性液晶单体以及稀释剂各种材料的质量比。

液晶光学相控阵的波控器根据控制中心输入的波控数据，经过数据转换、波控器时钟同步等处理过程，由波控器输出公共电极和离散电极的驱动电压，驱动电压代码到液晶移相器的COG IC芯片，COG IC将编程驱动电压V_i加载到液晶光学相控阵的离散电极，同时在液晶光学相控阵公共电极COM端持续加载一个独立的高频电压V_COM，实现高频偏置。在本发明中，对于COM端高频控制电压，采用FPGA倍频方案实现COM端高频电压的高频驱动频率，由电压选择芯片实现高频电压V_COM高低电压的转换。

对于供电电源，需要根据选用的双频液晶的材料，测量不同频率电压驱动时的介电张量变化特性，选择介电各向异性好的电压工作频率。对于电源输出电压，确保液晶相控阵在两种不同频率电压差|V_COM-V_i|的控制下实现360度的光相移。此外，为了保证波束偏转精度，严格控制电压的稳定度。这个根据具体的波束偏转精度而定。

本发明采用双频液晶代替传统液晶光学相控阵的液晶材料作为核心移相工作介质，设计液晶光学相控阵天线。双频液晶最显著的特点是介电各向异性可以随外加频率的改变而变化，在无外界频率时该液晶的介电各向异性Δε>0，当外部施加一个变换频率的电压时，液晶的介电各向异性随频率的变换而改变，当频率达到某一频率时，Δε＝0，若继续升高频率，则Δε<0，设定此频率为f_c。如图3所示，横坐标表示驱动电压的频率，纵坐标为介电常数，两条曲线分别为单轴液晶介电张量的两主轴分量随驱动电压频率的变化关系，f_c为两曲线的交汇点，表示单轴液晶介电张量的两主轴分量相同。

当低频电压V_i和高频电压V_COM的电压值相等，双频液晶光学相控阵总的电势能为0，液晶分子不会发生旋转。控制电压选择芯片，使得低频电压V_i低于高频电压V_COM，高频电压对液晶的作用明显，双频液晶材料总体表现出负性，因此液晶分子发生顺时针方向旋转，等效折射率增大直到稳定；控制电压选择芯片，当低频电压V_i高于高频电压V_COM的时候，低频电压对液晶的作用明显，双频液晶材料总体表现出正性，因此液晶分子发生逆时针方向旋转，等效折射率减小直到稳定。在交流电场驱动下，液晶折射率与驱动电压|V_i-V_COM|满足非线性单调函数关系，通过调节电压|V_i-V_COM|可以实现对液晶的等效折射率的控制。

液晶光学相阵列实际上是一种可编程相位光栅。如图4所示，通过在器件的驱动电极上施加一定的电压，使入射光波通过器件的相位调制后获得周期性锯齿状相位延迟分布，形成一个闪耀光栅，从而实现光束的偏转。光束偏转角度θ由光栅方程决定：

其中，θ_inc为入射角，λ为入射光波长，Λ为闪耀光栅周期。由于器件的电极电压可以独立编程控制，因此，光栅的周期Λ也可由驱动电压的编程控制而改变，从而实现光束扫描。

双频液晶的相位转换的时间，在有馈电的情况下，转换时间为

其中，η是黏度系数，k为弹性系数，d为液晶盒的盒厚，Δε为介电各向异性，π为圆周率，V为外加电压，V_th为阈值电压。阈值电压表示为

其中k为弹性系数，Δε为介电各向异性，是由驱动的频率来决定。V_th与驱动电压V的幅值的平方成反比，通过增加驱动电压能够大幅度降低响应时间。对于本发明，驱动电压V＝|V_i-V_com|。

然而在常规液晶中，液晶分子从大角度回到初始位置的转换时间为

从公式(4)中可以看出，转换时间仅仅只能从器件结构参数和材料参数来决定，也即无法通过外加电压V来实现液晶器件的快速回转。在双频液晶器件中，采用外加强制馈电的方式实现对液晶分子上拉或者下拉两个方向加速液晶的转动，即可实现波束的快速切换。

为了验证采用双频液晶材料和高频偏置驱动方法的液晶光学相控阵的波束切换时间，负性液晶单体采用二重侧链双氟，正性液晶单体采用侧链双氟，选择合适的质量比，制备了液晶双频液晶材料，研制了快速响应双频液晶光学相控阵天线，并采用传统的液晶相控阵波束单元切换时间测量方法，在实验室条件下测试了此液晶光学相控阵天线的波束单元切换时间。测试结果表明，基于双频液晶和频率控制的液晶光学相控阵天线的波束单元切换时间为0.98ms。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种用于双频液晶光学相控阵波束控制的电压控制方法，其特征在于：采用双频液晶材料作为液晶光学相控阵的液晶材料，并在液晶光学相控阵的公共电极上加载高频电压V_COM，在液晶光学相控阵的离散电极上加载低频电压V_i，所述高频电压V_COM的频率f_高使得双频液晶的介电各向异性Δε>0，所述低频电压V_i的频率f_低使得双频液晶的介电各向异性Δε<0，高低频电压的最大电压差能够实现360的光相位变化，通过改变所述低频电压V_i与所述高频电压V_COM的电压差值实现液晶光学相控阵的波束单元切换；在液晶光学相控阵的公共电极和离散电极端的直流分量相等，使得两端不存在直流偏置。

2.根据权利要求1所述的一种用于双频液晶光学相控阵波束控制的电压控制方法，其特征在于：通过改变所述低频电压V_i的大小改变液晶材料的等效折射率。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于双频液晶光学相控阵波束控制的电压控制方法，其特征在于：所述的双频液晶材料包括正性液晶单体、负性液晶单体以及稀释剂。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于双频液晶光学相控阵波束控制的电压控制方法，其特征在于：所述的高频电压V_COM工作频率f_高以及低频电压V_i工作频率f_低的选择根据双频液晶材料测量得到的双频液晶的介电常数和驱动频率的关系确定。