CN109193162A - 一种太赫兹反射式移相单元及其内部液晶的快速调控方法 - Google Patents

一种太赫兹反射式移相单元及其内部液晶的快速调控方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109193162A
CN109193162A CN201811099293.8A CN201811099293A CN109193162A CN 109193162 A CN109193162 A CN 109193162A CN 201811099293 A CN201811099293 A CN 201811099293A CN 109193162 A CN109193162 A CN 109193162A
Authority
CN
China
Prior art keywords
liquid crystal
layer
electric field
groups
wiregratings
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201811099293.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109193162B (zh
Inventor
杨军
高盛
郑安东
尹治平
邓光晟
陆红波
赖伟恩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hefei University of Technology
Original Assignee
Hefei University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hefei University of Technology filed Critical Hefei University of Technology
Priority to CN201811099293.8A priority Critical patent/CN109193162B/zh
Publication of CN109193162A publication Critical patent/CN109193162A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109193162B publication Critical patent/CN109193162B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H01Q3/36—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with variable phase-shifters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems

Landscapes

  • Liquid Crystal (AREA)

Abstract

本发明公开了一种太赫兹反射式移相单元及其内部液晶的快速调控方法，将金属栅分为两组，两组线栅以插指形式分布，对相邻线栅采用不同馈电电压来对液晶层中的电场调控，当两组线栅施加同向电压时，液晶层中产生的电场，电场方向平行于上、下层介质基板，液晶分子水平分布；当两组线栅施加反向电压时，液晶层中产生的电场，电场方向垂直于上、下层介质基板，液晶分子垂直分布，通过逐渐变换施加同向电压和反向电压在两组线栅上，实现对液晶层中液晶分子的纯外加电场调控。本发明通过单纯对液晶中电场的控制使得变化过程更易掌控，液晶偏转更加迅速，提高了使得液晶恢复时的相应时间提高，在无取向层作用下，结构的稳定性得到了提高。

Description

一种太赫兹反射式移相单元及其内部液晶的快速调控方法
技术领域
本发明涉及太赫兹领域的成像、雷达、卫星通信技术领域，尤其涉及一种太赫兹反射式移相单元及其内部液晶的快速调控方法。
背景技术
液晶既具有晶体的各向异性有具有液体的流动性，作为一种电控材料，广泛应用于显示、相位调制、信息存储等各种领域。在显示产业的推动下，液晶在非显示领域的应用也飞速发展。本质上讲，基于液晶的器件都是利用液晶的介电和光学各向异性，通过外加电场来调制透过液晶的电磁波相位，对透过电磁波的强度、相位、偏振等性质进行调制。在微波频率下，可以通过改变其介电常数来实现的可调谐无源器件如调制器，滤波器，延迟线，移相单元等等都有报道。
液晶作为可调各向异性的材料，从紫外到微波频段都可以通过电场或者磁场进行调制。这使得基于液晶的THz器件受到人们的广泛关注。同传统的基于半导体材料的调制器件相比，液晶调制器件具有体积小、质量轻、价格低、工艺简单等又是。因此液晶在太赫兹频段的应用有很大的研究意义。
向列相液晶被广泛应用于THz调谐器件，其通过取向技术实现整个介质基板表面液晶分子相对于介质基板的整齐排列，使得液晶分子定向水平分布。后外加电场，使得液晶分子在电场作用下垂直分布。由于液晶分子两种状态下的介电常数不同，向列相液晶取向层的表面锚定对液晶的物理性质以及在液晶器件中的应用起着重要的作用。液晶取向的优劣直接影响器件的性能好坏。常见的取向技术通过对介质基板表面涂布有机或者无机膜后，采用摩擦取向技术或者一些非摩擦取向技术，使得基板表面产生较大锚泊能。实现对液晶分子的初始取向。而这种调制方式使得液晶调制器件响应时间较长，通常在毫秒量级，甚至长达秒量级，这限制了基于液晶器件的进一步发展。
随着太赫兹领域的发展，反射阵列天线作为功能强大的波束形成平台，得到了广泛的研究。太赫兹频率下，可调电磁材料如铁电膜，液晶，甚至石墨烯等新材料都可以用作构建反射阵列元件的一部分，以达到相同的移相效果。可调电磁材料设计的反射阵列，采用了相对应的简单结构而实现了高增益，同时提供相控阵列的快速自适应波束成形能力。由于不需要像传统阵列天线的复杂传输线馈电网络，调控更加方便的。收发器数量的大大减少，得到比传统相控阵列更低的成本。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种太赫兹反射式移相单元及其内部液晶的快速调控方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种太赫兹反射式移相单元，包括有上层介质基板和下层介质基板，在上层介质基板的下表面设置有周期排列的金属谐振结构，在下层介质基板的上表面设置有周期性的金属栅层，所述的金属栅层的金属栅分为两组，两组线栅以插指形式分布，在上层、下层介质基板之间注入液晶层，在下层介质基板的下表面设有金属接地层。
所述的金属谐振结构为矩形或者圆形或者十字形。
所述的液晶层的周围采用环氧树脂密封。
一种太赫兹反射式移相单元内部液晶的快速调控方法，将金属栅分为两组，两组线栅以插指形式分布，对相邻线栅采用不同馈电电压来对液晶层中的电场调控，当两组线栅施加同向电压时，液晶层中产生的电场，电场方向平行于上、下层介质基板，液晶分子水平分布；当两组线栅施加反向电压时，液晶层中产生的电场，电场方向垂直于上、下层介质基板，液晶分子垂直分布，通过逐渐变换施加同向电压和反向电压在两组线栅上，实现对液晶层中液晶分子的纯外加电场调控。
本发明的工作原理是：液晶分子在电场作用下，会随着电场方向发生偏转。通过在金属栅上施加不同情况幅度的电压，使得液晶层中产生水平与垂直两种偏置电场，向列相液晶分子发生不同方向的偏转。当相邻金属栅采用反向电压时，在液晶中将产生水平于介质基板的电场；当所有金属栅施加同样的电场时，液晶层中将产生垂直于介质基板的电场。
由于液晶分子水平与垂直时的介电常数不同，在液晶分子偏转后，其介电常数发生改变。由于介质层的介电常数发生改变，开口处的谐振频点发生改变，从而实现不同频点处的相位发生变化。通过对移相单元的相位进行补偿分析，在每行单元上施加不同的电压，来合成所需要的方向图。从而实现反射式相控阵天线。
本发明中下层介质基板的下表面的金属接地平面结构优化了移相单元的移相特性，增加了单元的移相范围。
本发明的优点是：本发明具有变化速度快，可控性高的优点。采用液晶快速调控方式的移相单元主结构为两层介质基板，第一层介质基板下表面是设计的金属谐振移相结构，第二层介质基板上表面是金属栅结构。在两块介质基板间隙中注入向列相液晶，液晶完全覆盖上表面和下表面，通过调整金属栅中施加电压方式，改变电场分布，实现对液晶调控。这种单元组成阵列可以构成可重构反射式阵列平面天线。
本发明通过单纯对液晶中电场的控制使得在变化过程更易掌控，液晶偏转更加迅速，提高了使得液晶恢复时的相应时间提高，在无取向层作用下，结构的稳定性得到了提高；可以采用电控的方式改变移相特性，具有小型化、制造成本低、相位连续可调等特点，可以在100G以上频率范围内工作。
附图说明
图1是本发明提供的移相单元结构示意图。
图2是本发明提供的由液晶移相单元组成的反射阵列示意图。
图3是图1的正视图。
图4是本发明提供的下层介质基板下表面的金属谐振层结构图。
图5是本发明提供的液晶快速移相方法的同向电压时液晶中电场分布图。
图6 是本发明提供的液晶快速移相方法的反向电压时液晶中电场分布图。
图7是本发明提供的液晶移相单元谐振频点随介电常数变化图。
图8是本发明提供的液晶移相单元介电常数变化产生的移相曲线。
图9是本发明提供的液晶移相单元的最大移相范围。
具体实施方式
如图1、2、3、4所示，一种太赫兹反射式移相单元，包括有上层介质基板1和下层介质基板6，在上层介质基板1的下表面设置有周期排列的金属谐振结构2，在下层介质基板6的上表面设置有周期性的金属栅层8，所述的金属栅层8的金属栅分为两组，两组线栅以插指形式分布，在上层、下层介质基板1、6之间注入液晶层3，在下层介质基板6的下表面设有金属接地层。
所述的金属谐振结构2为矩形或者圆形或者十字形。
所述的液晶层3的周围采样环氧树脂密封。
一种太赫兹反射式移相单元内部液晶的快速调控方法，将金属栅分为两组，两组线栅以插指形式分布，对相邻线栅采用不同馈电电压来对液晶层中的电场调控，当两组线栅施加同向电压时，液晶层中产生的电场，电场方向平行于上、下层介质基板，液晶分子水平分布；当两组线栅施加反向电压时，液晶层中产生的电场，电场方向垂直于上、下层介质基板，液晶分子垂直分布，通过逐渐变换施加同向电压和反向电压在两组线栅上，实现对液晶层中液晶分子的纯外加电场调控。
两层介质基板1，6均采用石英制成，介质基板的边长均为960um，厚度均为500um。介质层之间注入向列型液晶，液晶材料设置为SLC103014-200（的向列相液晶，厚度45um。并采用环氧树脂密封。第一层介质层下表面形成金属开槽结构，开槽的长和宽分别设为620um和106um。
所构成的周期阵列如图2所示，第二层介质基板下表面放置金属接地层7，以提高反射性能。
工作时，在线栅一4、二5施加的电压均为+10V时，液晶层中只有垂直分布电场如图5，液晶分子垂直分布，相对介电常数为2.4。当线栅二5中施加的电压从+10V逐渐下降，液晶层中液晶分子由垂直缓慢变为水平，液晶层的相对介电常数从2.4逐渐上升，谐振频点发生偏移，相位发生改变。当在线栅一4施加+10V直流电，线栅5施加-10V直流电。此时液晶层中存在水平分布电场如图6，大部分液晶分子水平分布，相对介电常数为3.7。当线栅中施加的电压在两种之间变化时，随着液晶层相对介电常数的变化，谐振频点发生变化，相位发生线性改变。
在上述技术方案中，开槽的尺寸关系到液晶移相单元的工作频率和相移范围。调节贴片的尺寸可以改变工作频率。在上述技术方案中，移相单元的中心工作频率在12G0HZ。
在CST中对液晶移相单元的液晶进行分区域仿真，得到其工作频率下反射幅值如图7，以及此频率下的相移曲线图8所示。可见在116.4-119GHz频率范围内相移角度大于250度。理论最大相移角度为257度。如图9所示。

Claims (4)

1.一种太赫兹反射式移相单元，其特征在于：包括有上层介质基板和下层介质基板，在上层介质基板的下表面设置有周期排列的金属谐振结构，在下层介质基板的上表面设置有周期性的金属栅层，所述的金属栅层的金属栅分为两组，两组线栅以插指形式分布，在上层、下层介质基板之间注入液晶层，在下层介质基板的下表面设有金属接地层。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹反射式移相单元，其特征在于：所述的金属谐振结构为矩形或者圆形或者十字形。
3.根据权利要求1所述的一种太赫兹反射式移相单元，其特征在于：所述的液晶层的周围采样环氧树脂密封。
4.一种太赫兹反射式移相单元内部液晶的快速调控方法，其特征在于：将金属栅分为两组，两组线栅以插指形式分布，对相邻线栅采用不同馈电电压来对液晶层中的电场调控，当两组线栅施加同向电压时，液晶层中产生的电场，电场方向平行于上、下层介质基板，液晶分子水平分布；当两组线栅施加反向电压时，液晶层中产生的电场，电场方向垂直于上、下层介质基板，液晶分子垂直分布，通过逐渐变换施加同向电压和反向电压在两组线栅上，实现对液晶层中液晶分子的纯外加电场调控。
CN201811099293.8A 2018-09-20 2018-09-20 一种太赫兹反射式移相单元及其内部液晶的快速调控方法 Active CN109193162B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811099293.8A CN109193162B (zh) 2018-09-20 2018-09-20 一种太赫兹反射式移相单元及其内部液晶的快速调控方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811099293.8A CN109193162B (zh) 2018-09-20 2018-09-20 一种太赫兹反射式移相单元及其内部液晶的快速调控方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109193162A true CN109193162A (zh) 2019-01-11
CN109193162B CN109193162B (zh) 2020-11-20

Family

ID=64908710

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811099293.8A Active CN109193162B (zh) 2018-09-20 2018-09-20 一种太赫兹反射式移相单元及其内部液晶的快速调控方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109193162B (zh)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109856825A (zh) * 2019-02-14 2019-06-07 合肥工业大学 一种基于双层金属微结构及液晶的太赫兹透射式调制器
CN110957585A (zh) * 2019-12-24 2020-04-03 清华大学 一种基于液晶材料的平面反射阵天线
CN111043989A (zh) * 2019-12-16 2020-04-21 电子科技大学 一种基于液晶底片的正弦条纹场投射模块
CN112436246A (zh) * 2020-10-20 2021-03-02 电子科技大学 一种基于双稳态液晶的可编码天线移相单元
CN111273467B (zh) * 2020-02-10 2021-07-16 清华大学 基于液晶和线栅形超构表面的太赫兹波前相位控制装置
CN113540809A (zh) * 2021-06-11 2021-10-22 中国船舶重工集团公司第七二三研究所 一种太赫兹阵列及天线前端
CN114122647A (zh) * 2021-11-24 2022-03-01 合肥工业大学 一种液晶移相单元、反射式全电控移相器及天线
CN114976534A (zh) * 2022-05-31 2022-08-30 合肥工业大学 一种太赫兹反射式移相器
WO2022222638A1 (zh) * 2021-04-22 2022-10-27 华为技术有限公司 一种用于控制电磁波的装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1128459A2 (en) * 2000-02-21 2001-08-29 Stanley Electric Co., Ltd. Variable phase shifter
JP2004104382A (ja) * 2002-09-09 2004-04-02 Toshiba Corp マイクロ波移相器
EP2768072A1 (en) * 2013-02-15 2014-08-20 Technische Universität Darmstadt Phase shifting device
CN106532200A (zh) * 2016-12-16 2017-03-22 合肥工业大学 一种基于石墨烯电极的反射式液晶移相单元
CN108539331A (zh) * 2018-04-13 2018-09-14 合肥工业大学 基于液晶的太赫兹开槽移相单元及其构成的相控阵天线

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1128459A2 (en) * 2000-02-21 2001-08-29 Stanley Electric Co., Ltd. Variable phase shifter
JP2004104382A (ja) * 2002-09-09 2004-04-02 Toshiba Corp マイクロ波移相器
EP2768072A1 (en) * 2013-02-15 2014-08-20 Technische Universität Darmstadt Phase shifting device
CN106532200A (zh) * 2016-12-16 2017-03-22 合肥工业大学 一种基于石墨烯电极的反射式液晶移相单元
CN108539331A (zh) * 2018-04-13 2018-09-14 合肥工业大学 基于液晶的太赫兹开槽移相单元及其构成的相控阵天线

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DAMING XU, GUANJUN TAN, AND SHIN-TSON WU: "Large-angle and high-efficiency tunable phase", 《OPTICS EXPRESS》 *
JIN YAN，YAN LI: "Hig-efficiency and fast-response tunable phase grating using a blue phase liquid crystal", 《OPTICS LETTERS》 *
万应禄: "基于液晶材料宽带平面反射阵波束扫描技术研究", 《中国优秀硕士论文电子期刊网》 *
严静: "新型快速响应液晶特性及应用研究", 《中国博士学位论文全文数据库》 *

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109856825A (zh) * 2019-02-14 2019-06-07 合肥工业大学 一种基于双层金属微结构及液晶的太赫兹透射式调制器
CN111043989A (zh) * 2019-12-16 2020-04-21 电子科技大学 一种基于液晶底片的正弦条纹场投射模块
CN111043989B (zh) * 2019-12-16 2021-12-03 电子科技大学 一种基于液晶底片的正弦条纹场投射模块
CN110957585A (zh) * 2019-12-24 2020-04-03 清华大学 一种基于液晶材料的平面反射阵天线
CN110957585B (zh) * 2019-12-24 2021-04-13 清华大学 一种基于液晶材料的平面反射阵天线
CN111273467B (zh) * 2020-02-10 2021-07-16 清华大学 基于液晶和线栅形超构表面的太赫兹波前相位控制装置
CN112436246A (zh) * 2020-10-20 2021-03-02 电子科技大学 一种基于双稳态液晶的可编码天线移相单元
CN112436246B (zh) * 2020-10-20 2021-12-21 电子科技大学 一种基于双稳态液晶的可编码天线移相单元
WO2022222638A1 (zh) * 2021-04-22 2022-10-27 华为技术有限公司 一种用于控制电磁波的装置
CN113540809A (zh) * 2021-06-11 2021-10-22 中国船舶重工集团公司第七二三研究所 一种太赫兹阵列及天线前端
CN114122647A (zh) * 2021-11-24 2022-03-01 合肥工业大学 一种液晶移相单元、反射式全电控移相器及天线
CN114976534A (zh) * 2022-05-31 2022-08-30 合肥工业大学 一种太赫兹反射式移相器
CN114976534B (zh) * 2022-05-31 2024-05-17 合肥工业大学 一种太赫兹反射式移相器

Also Published As

Publication number Publication date
CN109193162B (zh) 2020-11-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109193162A (zh) 一种太赫兹反射式移相单元及其内部液晶的快速调控方法
Wu et al. Liquid crystal programmable metasurface for terahertz beam steering
CN107275805B (zh) 一种基于超材料电磁特性的相控阵天线
CN206349494U (zh) 一种液晶天线及通信设备
Bildik et al. Reconfigurable folded reflectarray antenna based upon liquid crystal technology
CN106299627B (zh) 一种液晶天线及通信设备
US6456419B1 (en) Frequency modulated liquid crystal beamsteering device
CN106532200B (zh) 一种基于石墨烯电极的反射式液晶移相单元
RU2590937C2 (ru) Антенны поверхностного рассеяния
CN108539331B (zh) 基于液晶的太赫兹开槽移相单元及其构成的相控阵天线
CN107994302B (zh) 液晶移相器及其工作方法
CN107591625B (zh) 一种用于可重构平面反射阵的宽带平面反射阵单元
Chen et al. Dual-manipulation on wave-front based on reconfigurable water-based metasurface integrated with PIN diodes
CN111273467A (zh) 基于液晶和线栅形超构表面的太赫兹波前相位控制装置
Yang et al. Fully electronically phase modulation of millimeter-wave via comb electrodes and liquid crystal
CN112952392A (zh) 一种液晶调控太赫兹数字可编程超表面
Li Millimetre-wave beam steering with analog-resolution and minimised distortion based on liquid crystals tunable delay lines with enhanced signal-to-noise ratios
Sun et al. Electronically tunable liquid-crystal-based F-band phase shifter
CN114911084B (zh) 一种太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件
Yang et al. A novel electronically controlled two-dimensional terahertz beam-scanning reflectarray antenna based on liquid crystals
Guirado et al. Mm-wave metasurface unit cells achieving millisecond response through polymer network liquid crystals
Ismail et al. Phase agile reflectarray cells based on liquid crystals
CN109066021B (zh) 一种反射式液晶移相单元
Sazegar et al. Reconfigurable unit cell for reflectarray antenna based on barium-strontium-titanate thick-film ceramic
Fu et al. Two-dimensional terahertz beam manipulations based on liquid-crystal-assisted programmable metasurface

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant