CN109066021A - 一种反射式液晶移相单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反射式液晶移相单元，包括有上、下两层介质基板，上、下两层介质基板之间的间隙中注入一层向列型液晶材料构成液晶层，其特征在于：所述上层介质基板下表面设有一层掺杂硅衬底作为上电极，掺杂硅衬底的下表面设有金属贴片；所述下层介质基板上表面镀有金属接地电极。通过掺杂硅衬底以及接地电极在液晶层中共同施加偏置电场，使得液晶分子的排列方向产生偏转,进而使得液晶材料的介电常数发生改变，因此可以改反射波的相位，达到移相的功能。本发明采用电控的方式在宽频带内取得连续的相移特性，具有结构简单，易于加工等特点。

Description

一种反射式液晶移相单元
技术领域
本发明属于太赫兹雷达成像领域，特别涉及一种反射式液晶移相单元。
背景技术
平面反射阵列天线构造简单，成本较低，具有较低的损耗和较高的辐射效率。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可以通过改变单元贴片的尺寸或者加载相位延迟线来获得补偿相位。这样天线的结构确定后，反射单元的相位也就不可改变，无法实现相控阵天线的波束扫描。若要实现电控等方式控制单元的相移变化，则需要给每个单元添加一个移相器，但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，很难工作在更高的频段。反射式液晶移相单元无需加入额外的移相器，因此在W波段以上的高频段具有很好的应用前景。但现有的反射式液晶移相单元一般利用石英作为基底材料，需要加入金属连接线将金属贴片结构连接起来构成偏压电极。该类结构存在两个主要问题：第一，金属连接线对移相性能具有较大的影响，因此需要尽量减小连接线的宽度，而细的连接线不利于加工且环境适应性差；第二，金属连接线和金属贴片构成的偏压电极的面积有限，使得液晶层中的偏置电场不均匀，影响了移相带宽。
发明内容
本发明提供了一种可以工作在太赫兹波段的反射式液晶移相单元，利用掺杂硅衬底作为上电极，不仅使液晶层中的偏置电场更均匀，还避免了金属连接线的影响。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
一种反射式液晶移相单元，包括有上、下两层介质基板，上、下两层介质基板之间的间隙中注入一层向列型液晶材料构成液晶层，其特征在于：所述上层介质基板下表面设有一层掺杂硅衬底作为上电极，掺杂硅衬底的下表面设有金属贴片；所述下层介质基板上表面镀有金属接地电极。
所述的一种反射式液晶移相单元，其特征在于：所述金属贴片采用三偶极子金属贴片结构，三偶极子金属贴片关于x轴对称排列。
所述的一种反射式液晶移相单元，其特征在于：所述金属接地电极、三偶极子金属贴片均以金属铜为材质。
所述的一种反射式液晶移相单元，其特征在于：所述液晶层注入两层介质基板之间的缝隙后，采用环氧树脂进行密封，并在液晶层的上下表面用聚酰亚胺膜定向。
所述的一种反射式液晶移相单元，其特征在于：所述液晶层中的向列型液晶材料选用GT3-2300。
所述的一种反射式液晶移相单元，其特征在于：所述上、下层介质基板采用石英材料，介电常数为3.78，损耗正切为0.002。
当在本发明的掺杂硅衬底以及金属接地电极上施加偏置电压时，会在液晶层中会形成偏置电场，偏置电场使得液晶分子的排列方向产生偏转，从而改变液晶材料的介电常数，使得反射波的相位改变。
与已有技术相比，本发明具有以下的优点：
本发明的移相单元利用液晶材料介电常数可电调节的特性，实现电控的方法实现单元连续的移相特性；同时，利用掺杂硅衬底作为上电极，不仅使液晶层中的偏置电场更均匀，还避免了金属连接线的影响；本发明同时具有结构简单，加电方便、易于加工、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主视图；
图3为本发明中三偶极子金属贴片结构示意图；
图4为本发明中液晶移相单元的移相曲线。
图中标号：1上层介质基板，2掺杂硅衬底，3金属贴片，4液晶层，5金属接地电极，6下层介质基板。
具体实施方式
如图1、2、3中所示，一种反射式液晶移相单元，包括有上、下两层介质基板1、6，上、下两层介质基板1、6之间的间隙中注入一层向列型液晶材料构成液晶层4，上层介质基板1下表面设有一层掺杂硅衬底2作为上电极，掺杂硅衬底2的下表面设有金属贴片3；下层介质基板6上表面镀有金属接地电极5。
上层介质基板1为边长为L、厚度为Hq1的立方体结构，下层介质基板6为边长为L,厚度为Hq2的立方体结构。
上层介质基板1下表面全覆盖厚度为Hs的掺杂硅衬底2层作为上电极，掺杂硅衬底2下表面附有三偶极子金属贴片结构。所述的三偶极子金属贴片关于x轴对称排列，其长度分别为，Ly1，Ly2，Ly3，宽度为Lx1=Lx2=Lx3。所述的三偶极子贴片距离单元边缘的距离分别为D1，D2，D3。在下层介质基板6上表面全覆盖一厚度为t的金属层作为金属接地电极5。
通过在上层介质基板1下表面的掺杂硅衬底2以及下层介质基板6上表面的金属接地电极5上施加电压，在所述的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，使得反射波的相位改变，达到移相的功能。通过改变掺杂硅衬底与接地电极两端的偏压，可改变移相单元的工作频率。
具体实施中液晶层4的厚度为为Hlc，将液晶材料灌入上、下层介质基板1、6之间的缝隙后，采用环氧树脂进行密封，并在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：
液晶移项单元的尺寸L=405μm，三偶极子金属贴片的尺寸：Lx1=Lx2=Lx3=36μm，Ly1=187μm，Ly2=200μm，Ly3=215μm，D1=49μm，D2=D3=100μm。掺杂硅衬底厚度为Hs=5μm。液晶层的厚度为Hlc=45μm，上层介质基板厚度为Hq1=200μm，下层介质基板厚度为Hq2=200μm，三偶极子金属贴片结构的厚度为Lch=2μm，金属接地电极的厚度为t=2μm。液晶层中的液晶材料选用GT3-2300，金属接地电极、三偶极子金属贴片均以金属铜为材质。上、下层介质基板采用石英材料，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所示，随着入射波频率的变化，移相单元的反射相位也随之改变。可以看出，本发明液晶移相单元具有优秀的移相性能。

Claims (6)

1.一种反射式液晶移相单元，包括有上、下两层介质基板，上、下两层介质基板之间的间隙中注入一层向列型液晶材料构成液晶层，其特征在于：所述上层介质基板下表面设有一层掺杂硅衬底作为上电极，掺杂硅衬底的下表面设有金属贴片；所述下层介质基板上表面镀有金属接地电极。
2.根据权利要求1所述的一种反射式液晶移相单元，其特征在于：所述金属贴片采用三偶极子金属贴片结构，三偶极子金属贴片关于x轴对称排列。
3.根据权利要求2所述的一种反射式液晶移相单元，其特征在于：所述金属接地电极、三偶极子金属贴片均以金属铜为材质。
4.根据权利要求1所述的一种反射式液晶移相单元，其特征在于：所述液晶层注入两层介质基板之间的缝隙后，采用环氧树脂进行密封，并在液晶层的上下表面用聚酰亚胺膜定向。
5.根据权利要求1所述的一种反射式液晶移相单元，其特征在于：所述液晶层中的向列型液晶材料选用GT3-2300。
6.根据权利要求1所述的一种反射式液晶移相单元，其特征在于：所述上、下层介质基板采用石英材料，介电常数为3.78，损耗正切为0.002。
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