CN111769359B - 一种基于数字编码液晶THz超表面天线及其波束重构方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于数字编码液晶THz超表面天线及其波束重构方法，天线由m×n个超表面天线单元阵列组成；超表面天线单元包括上层玻璃介质基板、下层玻璃介质基板、刻蚀在上层玻璃介质基板上表面的超表面天线单元贴片、刻蚀在上层玻璃介质基板下表面的金属地和刻蚀在下层玻璃介质基板上表面的移相器，金属地和移相器之间旋涂液晶材料，移相器的电磁信号通过金属地上的过孔耦合至超表面天线单元贴片；每个超表面天线单元由电磁波信号激励源为其提供激励。通过直流偏置电压控制液晶介电常数的相对变化，提供不同相位数字编码，对THz电磁波波束实现三种不同的功能，具有波束的可重构性，且成本低、质量轻、精度高、低剖面、设计简单。

Description

一种基于数字编码液晶THz超表面天线及其波束重构方法
技术领域
本发明涉及新型人工电磁材料技术，特别是涉及一种基于数字编码液晶THz超表面天线及其波束重构方法。
背景技术
超表面是由亚波长平面结构按照周期顺序规律排布的二维超材料。类试组成物质中的分子，通过特殊的排布方式，能够实现自然界的物质无法实现的电磁功能，例如，完美吸波、负折射、负介电常数等特性。相位数字编码是目前对超表面实现波束操控常用的方法，由2014年崔铁军教授提出。通过简单的将连续相位进行数字离散化，可以极大的减少原本所需要的移相器数量和TR组件，进而降低整个天线所需要的成本。使用数字bit位数就可以表征原来模拟的相位变化，同时也不需要更精细的变化。如一比特数字编码，0～2π中，每个离散的相位单位刻度为2π/2N，N为比特数，即表示数字单元“0”与“1”可以表示0与π，用该离散化相位对超表面进行数字编码，实现对电磁波散射，偏折，极化等状态的调控，不同的bit可以实现不同的波束状态，从而可实现可重构波束。
目前，数字编码超表面主要应用在微波低频段(8GHz左右)，再往更高的频段就会由于半导体器件产生寄生效应，会造成损耗急剧增大和仿真与实测严重偏差。特别针对于THz频段的可重构或者可调设备器件，由半导体寄生效应所带来的损耗是无法估量的。
发明内容
发明目的：本发明的一个目的是提供了一款成本低、低剖面基于数字编码THz超表面天线。
本发明的另一个目的是提供一种所述天线的波束重构方法。
技术方案：本发明的超表面天线，由m×n个超表面天线单元阵列组成，且每个超表面天线单元之间紧密贴合；超表面天线单元包括上层玻璃介质基板、下层玻璃介质基板、刻蚀在上层玻璃介质基板上表面的超表面天线单元贴片、刻蚀在上层玻璃介质基板下表面的金属地和刻蚀在下层玻璃介质基板上表面的移相器，且金属地和移相器之间旋涂液晶材料，移相器的电磁信号通过金属地上的过孔耦合至超表面天线单元贴片；每个超表面天线单元由电磁波信号激励源为其提供激励。选择由超表面天线单元组成天线阵，是因为其结构简单、剖面低、亚波长尺寸方便周期排布。
优选的，超表面天线单元贴片为尺寸大小为0.1λ0的方形贴片结构，λ0为工作中心频段的真空波长。
优选的，相邻超表面天线单元上的超表面天线单元贴片间距在0.5λ0～λ0之间，λ0为工作中心频段的真空波长。超表面天线单元贴片间距过小会造成增益过低，过宽会出现栅瓣，两者都会降低天线性能。
优选的，电磁波信号激励源为功分网络，该功分网络包括m×n个馈电端口激励，分别为m×n个超表面天线单元提供激励，且馈电端口激励采用一节四分之一波长微带枝节进行匹配。THz电磁波通过功分网络分配至每个移相器，再通过金属地上的过孔耦合至超表面天线单元贴片中。
优选的，液晶材料的介电常数变化范围为2.4～3.2，利用液晶对电磁敏感响应，使移相器产生相对的相位变化。
优选的，移相器采用螺旋线结构，可以减少占用的面积。
优选的，该超表面天线工作频段在110GHz，即0.11THz。
优选的，上层玻璃介质基板和下层玻璃介质基板型号为BF33，为其他层提供支撑附着点和对液晶材料进行封装。相对于PCB板材，选择玻璃作为介质基板的优点为：表面平整和熔点高，便于在灌晶和对准。
本发明所述超表面天线的波束重构方法，具体为：在工作设计THz频段内，改变每个移相器上附着的液晶材料的介电常数，使馈出移相器端口相位随着液晶材料介电常数变化产生相应的差值，通过控制液晶材料介电常数变化，实现360°的相位差值变化；假定相邻超表面天线单元相位相差180°，通过“0”和“1”两种数字进行1Bit数字编码，实现波束分裂为双波束；当最小相邻超表面天线单元相位差值为45°时，此时为3Bit数字编码，通过改变相邻相位差，实现不同数字编码的波束扫描；最后，通过随机相位编码，实现雷达散射截面RCS的缩减；从而达到THz频段电磁波束可重构功能。
该波束重构方法通过直流偏置电压控制液晶介电常数的相对变化，提供不同相位数字编码，对THz电磁波波束实现三种不同的功能，1bit数字编码波束扫描、3bit数字编码扫描、RCS缩减，具有波束的可重构性。本发明具有低成本、质量轻、高精度、低剖面、设计简单，波束具有可重构功能，在下一代无线通信和THz有着十分重要的应用前景。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明的超表面天线，与现有的数字编码天线，其优势在于有着实时波束可重构的功能，可以实现不同的需要通信的波束状态。并且可以应用在整个毫米波频段和THz频段，通过微纳加工工艺，机构具有低剖面，精度高，误差小。
(2)本发明的超表面天线，与传统波束控制天线阵相比，减少了半导体组成的移相器和TR组件的数量，大大降低了成本，这是目前相控阵与MEMS技术无法比拟的，离散的数字编码能够大大降低系统的复杂度。
(3)本发明的超表面天线，设计简单，通过简单已有的超表面天线单元与液晶移相和功分馈电网络，利用液晶对电压的敏感特性，改变加载液晶两端的偏置电压大小，使液晶的介电常数发生改变，进而使附着在上面的移相器产生相位差变化，即可导致合成波束状态变化，实现波束可重构，具有良好的通用性，可以应用在下一代无线通信与卫星通信中。
附图说明
图1(a)为本发明实施例中所述超表面天线正面示意图；
图1(b)为本发明实施例中所述超表面天线背面示意图；
图2(a)为本发明实施例中所述超表面天线单元结构示意图；
图2(b)为本发明实施例中所述超表面天线单元结构俯视图；
图3为4×4功分网络结构示意图；
图4为本发明实施例中超表面天线S11仿真参数图；
图5(a)为本发明实施例中超表面天线3bit数字编码波束扫描数值仿真图；
图5(b)是本发明实施例中超表面天线1bit波束扫描数值仿真图；
图5(c)是本发明实施例中超表面天线随机数值编码RCS缩减数值仿真图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明设计的超表面天线，利用液晶独特的高频电磁响应，通过改变液晶的介电常数，使其移相器产生相位变化，继而对整体波束合成产生变化，可以实现THz可重构波束编码。该基于数字编码液晶THz超表面天线由m×n个超表面天线单元阵列组成，每个超表面天线单元大小为半个波长至一个波长之间，之间无缝排列，其中m代表行，n代表列；超表面天线单元包括超表面天线单元贴片、上层玻璃介质基板、金属地、移相器和下层玻璃介质基板，通过微纳加工技术，将超表面天线单元贴片刻蚀在上层玻璃介质基板的上表面，金属地刻蚀在上层玻璃介质基板的下表面，移相器刻蚀在下层玻璃介质基板的上表面；金属地和移相器之间旋涂液晶定向材料，将液晶材料灌入其中，最后进行贴胶封装。金属地上开设有过孔，移相器的电磁信号通过金属地上的过孔耦合至超表面天线单元贴片，保证直流与射频信号之间的相互隔离；每个超表面天线单元由电磁波信号激励源为其提供激励，超表面天线单元贴片、移相器和电磁波信号激励源共用一个金属地。
电磁波信号激励源可以是m×n个独立的激励源，也可以是由m×n个馈电端口激励组成的功分网络。
如图1(a)和图1(b)所示，本实施例以4×4个超表面天线单元1阵列(即4行4列)组成的超表面天线为例进行说明，并包括4×4功分网络2、16个移相器3和16个超表面天线单元贴片5。如图2(a)和图2(b)所示，超表面天线单元贴片5刻蚀在上层玻璃介质基板6的上表面，且移相器3通过金属地4上的矩形金属过孔9与超表面天线单元贴片5进行耦合馈电，调节液晶材料8的介电常数，使附着在下层玻璃介质基板7上表面的移相器3提供一个相对相位差进行数字编码。功分网络2和移相器3同样位于下层玻璃介质基板7上表面，为每个移相器单元提供最初的THz电磁波信号。金属地4(功分网络、移相器和激励源共用)刻蚀在上层玻璃介质基板6的下表面。
如图3所示，本实施例中采用的功分网络包括4×4个馈电端口激励，分别为4×4个超表面天线单元提供激励，且馈电端口激励采用一节四分之一波长微带枝节进行匹配。
本实施例中，玻璃介质基板型号为BF33，为其他金属层(超表面天线单元贴片、金属地、移相器和功分网络)提供刻蚀位置，所有金属材质均为金属铜材料。超表面天线单元贴片采用大小为0.1λ0的亚波长方形贴片。相邻超表面天线单元贴片间距在0.5λ0～λ0之间，λ0为工作中心频段的真空波长。液晶的介电常数变化范围为2.4～3.2。移相器采用螺旋线结构。
本发明通过液晶材料对高频电磁波特殊的响应作用在超表面天线上，通过数字编码的方法，在THz实现了可重构波束。具体为：在工作设计THz频段内，按照液晶材料电压与介电常数的规律，改变每个移相器上附着的液晶材料的介电常数，使馈出移相器端口相位随着液晶介电常数变化产生相应的差值，通过控制介电常数变化，理论上可以实现360°的相位差值变化。假定相邻超表面单元相位相差180°，通过“0”和“1”两种数字进行1Bit数字编码。此时可以实现波束分裂为双波束；当最小相邻单元差值为45°时，此时为3Bit数字编码，通过改变相邻相位差，可以实现不同数字编码的波束扫描；最后，通过随机相位编码，可以实现雷达散射截面RCS(Radar Cross Section)的缩减。从而达到THz电磁波束可重构功能。
为了验证本发明所设计的基于数字编码液晶THz超表面天线及其波束重构方法可行性，通过数值仿真CST软件进行了仿真。如图4为仿真基于数字编码液晶THz超表面天线的S参数，可以看到在工作频段0.11THz内，S11均在-10dB以下，满足设计与使用要求。如图5(a)所示为基于数字编码液晶THz超表面天线3bit液晶超表面天线阵列单波束扫描仿真结果在110GHz的方向图结果；如图5(b)为1bit液晶超表面天线阵列双波束扫描仿真结果；如图5(c)为液晶超表面天线随机编码雷达散射截面RCS的仿真结果。仿真结果进一步验证了基于数字编码超表面天线技术在THz波束可重构的可行性和正确性。
该超表面天线由4×4超表面天线单元周期排布组成，该超表面天线单元具有超低剖面、亚波长结构、2π全相位可调的优点。通过改变外加到该液晶材料上的直流偏置电压大小，可以实现所需的数字编码状态。作为概念验证，通过采用数字编码方法，基于数值模拟软件模拟验证了单波束、双波束扫描和状态切换，并且能够降低雷达散射截面RCS，避免干扰相邻基站工作。该超表面天线在未来第六代移动无线通信具有广阔的应用前景。
本发明的超表面天线是一款用于移动无线通信的液晶材料超表面天线，该天线由液晶材料超表面天线单元贴片按照周期排列组阵而成，满足无线通信波束智能动态扫描、切换和增益要求。超表面天线单元结构将液晶材料进行六层封装而成，具有超低剖面(0.067λ0)、全相位覆盖可调(2π)、亚波长(0.1λ0)、易于大规模电路加工控制优点。采用一分十六等幅同相功分网络对每个超表面天线单元金属地过孔的结构进行耦合馈入电磁波信号，从而组成了4×4超表面天线单元阵列。通过仿真软件设计了工作在110GHz的液晶材料超表面单元和由该单元按照周期排布的超表面天线。根据数字编码的思想方法，在该天线验证实现了三个功能，即1bit编码双波束扫描、3bit单波束扫描和雷达散射截面RCS缩减。首先对天线进行1bit编码实现的波束分裂现象，可以在设备初期使用时对液晶介电常数与相位关系校准；同时1bit进行改进实现双波束扫描，能够实现大角度宽波束扫描，增加对通信盲区的覆盖和智能适应。其次，3bit编码时，可以实现动态的电调节单波束扫描，便于无线通信时，对信号需求区域进行自动覆盖适应。最后，对整个超表面天线雷达散射截面RCS的性能进行缩减，可以保证在不断电的情况下检修与调试避免干扰其他相邻基站。通过该基于液晶材料超表面低剖面天线阵列为第六代无线通信，提出了一种低成本，高实用性的动态波束扫描多功能无线通信终端。

Claims (8)

1.一种基于数字编码液晶THz超表面天线，其特征在于：该天线由m×n个超表面天线单元阵列组成，且每个超表面天线单元之间无缝排列；超表面天线单元包括上层玻璃介质基板、下层玻璃介质基板、刻蚀在上层玻璃介质基板上表面的超表面天线单元贴片、刻蚀在上层玻璃介质基板下表面的金属地和刻蚀在下层玻璃介质基板上表面的移相器，且金属地和移相器之间旋涂液晶材料，移相器的电磁信号通过金属地上的过孔耦合至超表面天线单元贴片；下层玻璃介质基板上表面还刻蚀有电磁波信号激励源，每个超表面天线单元由电磁波信号激励源为其提供激励，超表面天线单元贴片、移相器和电磁波信号激励源共用一个金属地；在工作设计THz频段内，改变每个移相器上附着的液晶材料的介电常数，使馈出移相器端口相位随着液晶材料介电常数变化产生相应的差值，通过控制液晶材料介电常数变化，实现360°的相位差值变化；假定相邻超表面天线单元相位相差180°，通过“0”和“1”两种数字进行1Bit数字编码，实现波束分裂为双波束；当最小相邻超表面天线单元相位差值为45°时，此时为3Bit数字编码，通过改变相邻相位差，实现不同数字编码的波束扫描；最后，通过随机相位编码，实现雷达散射截面RCS的缩减；从而达到THz频段电磁波束可重构功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字编码液晶THz超表面天线，其特征在于：超表面天线单元贴片为尺寸大小为0.1λ0的亚波长大小的方形贴片结构，λ0为工作中心频段的真空波长。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字编码液晶THz超表面天线，其特征在于：相邻超表面天线单元上的超表面天线单元贴片间距在0.5λ0～λ0之间，λ0为工作中心频段的真空波长。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字编码液晶THz超表面天线，其特征在于：电磁波信号激励源为功分网络，该功分网络包括m×n个馈电端口激励，分别为m×n个超表面天线单元提供激励，且馈电端口激励采用一节四分之一波长微带枝节进行匹配。
5.根据权利要求1所述的一种基于数字编码液晶THz超表面天线，其特征在于：液晶材料的介电常数变化范围为2.4～3.2。
6.根据权利要求1所述的一种基于数字编码液晶THz超表面天线，其特征在于：移相器采用螺旋线结构。
7.根据权利要求1所述的一种基于数字编码液晶THz超表面天线，其特征在于：该超表面天线工作频段在110GHz。
8.根据权利要求1所述的一种基于数字编码液晶THz超表面天线，其特征在于：上层玻璃介质基板和下层玻璃介质基板型号为BF33，为其他层提供附着支撑和对液晶材料进行封装。
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