CN108598631B - 一种基于图案化石墨烯电极的反射式双层液晶移相单元 - Google Patents

一种基于图案化石墨烯电极的反射式双层液晶移相单元 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于图案化石墨烯电极的反射式双层液晶移相单元，包括有上、中、下三层介质基板，上、中两层介质基板的间隙中注入有液晶层一，上层介质基板下表面设有若干通过连接线依次串联的金属贴片，形成一层金属微带结构；在所述下层介质基板上表面全覆盖一层金属层，形成金属接地电极；中间层介质基板、金属接地层的间隙中注入有液晶层二，并在中层介质基板上表面设有与金属微带结构相同但厚度不同的石墨烯贴片层，作为石墨烯电极。本发明的移相单元可以分别实现两层液晶材料介电常数的电调节，从而增大了移相单元的工作带宽；同时，通过改变石墨烯电极的偏压，可以改变石墨烯的化学势能从而进一步增加了移相单元的工作带宽。

Description

一种基于图案化石墨烯电极的反射式双层液晶移相单元
技术领域
本发明涉及技术领域，尤其涉及一种基于图案化石墨烯电极的反射式双层液晶移相单元。
背景技术
平面反射阵列天线具有构造简单，成本较低，具有较低的损耗和较高的辐射效率等优点。反射阵列天线的原理是利用反射单元的移相功能来实现波束的聚焦。反射阵列天线研究的关键是通过设计反射单元的结构和尺寸，使之获得优异的移相性能。传统的微带反射单元需要添加移相器，这些移相器受到高频段的寄生效应，加工难度大等因素的制约，只能工作在W波段以下。而现有的液晶移相单元均采用单层液晶基底，工作带宽有限。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种基于图案化石墨烯电极的反射式双层液晶移相单元。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于图案化石墨烯电极的反射式双层液晶移相单元，包括有上、中、下三层介质基板，上、中两层介质基板的间隙中注入有液晶层一，上层介质基板下表面设有若干通过连接线依次串联的金属贴片，形成一层金属微带结构；在所述下层介质基板上表面全覆盖一层金属层，形成金属接地电极；中间层介质基板、金属接地层的间隙中注入有液晶层二，并在中层介质基板上表面设有与金属微带结构相同但厚度不同的石墨烯贴片层，作为石墨烯电极。
所述的液晶层一和液晶层二均采用向列型液晶材料。
通过连接线在金属贴片以及石墨烯电极上施加电压，分别在所述的各液晶层中形成偏置电场，偏置电场使得液晶分子的排列方向产生偏转，从而改变液晶介电常数，使得反射波相位改变；同时，通过改变石墨烯电极的偏压，可以改变石墨烯的化学势能，从而改变移相单元的工作频率。
本发明采用三片偶极子贴片结构，使得液晶移相单元可以获得所需的移相性能，同时偶极子贴片具有结构简单的特点，易于加工。在中层基板的上表面设置一层石墨烯贴片层作为电极，有效的拓展了单元的工作带宽。
本发明的优点是：本发明的移相单元可以分别实现两层液晶材料介电常数的电调节，从而增大了移相单元的工作带宽；同时，通过改变石墨烯电极的偏压，可以改变石墨烯的化学势能从而进一步增加了移相单元的工作带宽；本发明同时具有小型化，加工难度低，成本低等特点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中液晶移相单元的结构的侧视图。
图3为本发明中上介质基板下表面金属贴贴片结构示意图。
图4是石墨烯化学势能为0.1eV、下层液晶介电常数为2.4时，改变上层液晶介电常数时移相单元的移相曲线。
图5是石墨烯化学势能为0.1eV、下层液晶介电常数为3.2时，改变上层液晶介电常数时移相单元的移相曲线。
图6是石墨烯化学势能为0.5eV、下层液晶介电常数为2.4时，改变上层液晶介电常数时移相单元的移相曲线。
具体实施方式
如图1、2、3所示，一种基于图案化石墨烯电极的反射式双层液晶移相单元，包括有上、中、下三层介质基板1、3、2，上、中层介质基板1、3的间隙注入有液晶层一4；下层介质基板2上表面全覆盖一层金属层6，形成金属接地电极；中层介质基板3、金属层6的间隙注入有液晶层二5；上层介质基板1下表面设有若干通过连接线8依次串联的金属贴片9，形成一层金属微带结构；中层介质基板3上有一层与连线8和金属贴片9组成的相同形状的石墨烯贴片层7，形成石墨烯电极。
液晶层4、5采用向列型液晶材料。金属贴片9为三个偶极子贴片。
通过连接线8在金属贴片9以及在石墨烯电极7上施加电压，在所述的液晶层4、5中形成偏置电场，偏置电场使得各层液晶分子的排列方向产生偏转，从而改变各液晶层的介电常数，使得反射波相位改变；同时，通过改变石墨烯电极的偏压，可以改变石墨烯的化学势能，从而改变移相单元的工作频率。
具体实施过程中，相应的结构设置包括：
上层介质基板1的边长为L、厚度为Hq1，中层介质基板3的边长为L、厚度为Hq3，下层介质基板2的边长为L、厚度为Hq2。
上层介质基板1上的三偶极子贴片关于x轴对称排列，其长度分别为Ly1，Ly2，Ly3，宽度为Lx1=Lx2=Lx3。三偶极子贴片距离单元边缘的距离分别为D1，D2，D3。并与所述的三偶极子贴片呈“十”字交叉刻蚀一条宽度为w,长度为L的连接线。金属微带结构的厚度均为t。
与金属微带结构的形状相同的石墨烯层7，作为石墨烯电极；下层介质基板2上表面表面全覆盖一厚度为t的金属层6，作为金属接地电极；
具体实施中两层液晶层的厚度均为Hc，将液晶材料灌入介质基板之间的缝隙后，采用环氧树脂进行密封，并在各液晶层的上下表面用聚酰亚胺膜定向。
在具体的应用中设置：
单元的尺寸L=405μm，贴片的尺寸：Lx1=Lx2=Lx3=36μm，Ly1=187μm，Ly2=200μm，Ly3=215μm，D1=49μm，D2=D3=100μm。液晶层的厚度均为Hc=22.5μm，上、下层介质基板厚度Hq1=Hq2=100μm，中层介质基板厚度Hq3=10μm，金属微带结构和金属接地电极的厚度均t=2μm，连接线的宽度w=5μm。液晶材料选用GT3-23000，金属接地电极、金属贴片和连接线均以金属铜为材质。介质基板均采用石英材料，介电常数为3.78，损耗正切为0.002。
通过软件仿真得到的液晶移相单元的移相曲线如图4、5、6所示，随着上层液晶介电常数的变化，移相单元的反射相位也随之改变。通过改变下层液晶的介电常数，可以展宽移相单元的工作频带。同时，通过改变石墨烯电极的化学势能，移相单元的工作频带得到了进一步的展宽。

Claims (3)

1.一种基于图案化石墨烯电极的反射式双层液晶移相单元，其特征在于：包括有上、中、下三层介质基板，在所述的上、中两层介质基板的间隙中注入有液晶层一，在上层介质基板的下表面设有若干通过连接线依次串联的金属贴片，形成一层金属微带结构；在下层介质基板的上表面全覆盖一层金属层，形成金属接地电极层，在中间层介质基板和金属接地电极层的间隙中注入有液晶层二，在中层介质基板上表面设有与金属微带结构相同厚度不同的石墨烯贴片层，作为石墨烯电极；所述双层液晶移相单元能够分别实现两层液晶材料介电常数的电调节。
2.根据权利要求1所述的一种基于图案化石墨烯电极的反射式双层液晶移相单元，其特征在于：所述的液晶层一和液晶层二均采用向列型液晶材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于图案化石墨烯电极的反射式双层液晶移相单元，其特征在于：所述的金属贴片为三个偶极子贴片。
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