CN113036446B - 一种高效驱动液晶分子的太赫兹超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高效驱动液晶分子的太赫兹超表面，从上而下依次包括顶层石英衬底层、顶层金属层、液晶层、底层金属层和底层石英衬底层；所述顶层金属层镀膜在顶层石英衬底层的下表面上，底层金属层镀膜在底层石英层的上表面上；所述顶层金属层包括按阵列排布的超表面单元，所述超表面单元包括谐振环组。本发明利用相邻金属结构之间的边缘场叠加原理驱动部分无金属覆盖区域的液晶分子，有效驱动更多的液晶分子大大提升液晶超表面的性能上限；通过对超表面单元的合理编码，该超表面实现最大66°的波束偏转。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹超表面，尤其涉及一种高效驱动液晶分子的太赫兹超表面。
背景技术
超表面技术可以有效的控制电磁波的幅度、相位、极化以及轨道角动量等信息，越来越受到研究者们的重视。它的低剖面、小体积、低成本特点使其替代了传统的立体器件，成为目前波束控制的研究热点。通过在超表面上分布二进制编码单元和动态切换每个单元的编码状态，可以极大地方便太赫兹波束的相位操纵。
利用液晶材料实现的太赫兹超表面可以通过改变外部电场实现对超表面的编码，达到一种可电调反射面的效果。但液晶材料分子的旋转需要一定的电场来驱动，在通常情况下是通过超表面上下表面金属结构之间施加电压来实现的。这样一种方法只能够驱动超表面上下金属结构重叠的部分，其余部分由于无法形成垂直于超表面的电场，液晶分子很难发生偏转，从而无法实现可电调的功能，这样一个缺陷常常会导致超表面在实测时的效果远不及预期，大大限制了液晶材料在超表面的应用。
发明内容
发明目的：本发明旨在解决现有技术的上述不足，提供一种高效驱动液晶分子的太赫兹超表面，解决只能够驱动超表面上下金属结构重叠的部分，其余部分无法形成垂直于超表面的电场的问题。
技术方案：本发明所述的高效驱动液晶分子的太赫兹超表面，从上而下依次包括顶层石英衬底层、顶层金属层、液晶层、底层金属层和底层石英衬底层；所述顶层金属层镀膜在顶层石英衬底层的下表面上，底层金属层镀膜在底层石英层的上表面上；所述顶层金属层包括按阵列排布的超表面单元，所述超表面单元包括谐振环组。
所述谐振环组包括一个开口谐振环和两个闭口谐振环；所述两个闭口谐振环由内向外依次排布在开口谐振环的周围，每个谐振环的中心均与超表面单元的中心重合。
所述开口谐振环的外长度可调节，开口长度可调节。
所述谐振环的金属条宽度相同，谐振环之间的间距相同，金属条宽度和谐振环之间间距相同。
所述顶层金属层包括馈线，谐振环组通过馈线联通，相邻的超表面单元通过馈线联通。
所述底层金属层包括金属条，金属条方向与顶层金属层馈线方向相同，金属条长度与超表面单元的边长相同，金属条宽度为超表面单元边长的整数倍，相邻金属条之间蚀刻间隙。。
所述顶层石英层与底层石英层之间放置垫片，所述垫片与顶层石英层、底层石英层组成液晶盒，在液晶盒中灌注液晶后形成液晶层。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为利用相邻金属结构之间的边缘场叠加原理驱动部分无金属覆盖区域的液晶分子，有效驱动更多的液晶分子大大提升液晶超表面的性能上限。通过对超表面单元的合理编码，该超表面实现最大66°的波束偏转。
附图说明
图1为本发明超表面单元的结构图；
图2为只有金属覆盖区域驱动时液晶分子驱动示意图；
图3为本发明液晶内分子全部驱动液晶分子驱动示意图；
图4为本发明液晶内分子全部驱动液晶分子驱动仿真结果；
图5为只有金属覆盖区域驱动液晶分子驱动仿真结果；
图6为本发明超表面单元的反射性能图；
图7为本发明反射面的整体结构图；
图8本发明超表面波束控制的三维方向图；
图9本发明超表面不同编码下的波束偏转情况。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
由图1可知，本发明所述的高效驱动液晶分子的太赫兹超表面，从上而下依次包括顶层石英衬底层、顶层金属层、液晶层、底层金属层和底层石英衬底层；所述顶层金属层镀膜在顶层石英衬底层的下表面上，底层金属层镀膜在底层石英层的上表面上；所述顶层金属层包括按阵列排布的超表面单元，所述超表面单元包括谐振环组。谐振环组包括一个开口谐振环和两个闭口谐振环；所述两个闭口谐振环由内向外依次排布在开口谐振环的周围，每个谐振环的中心均与超表面单元的中心重合。谐振环的金属条宽度相同，谐振环之间的间距相同，金属条宽度和谐振环之间间距相同。顶层金属层包括馈线，谐振环组通过馈线联通，相邻的超表面单元通过馈线联通。底层金属层包括金属条，金属条方向与顶层金属层馈线方向相同，金属条长度与超表面单元的边长相同，金属条宽度为超表面单元边长的整数倍，相邻金属条之间蚀刻间隙。。
本实施例中超表面单元为400um*400um的正方形。三个谐振环自内而外的外长度分别为142um，222um和302um，最内层开口谐振环的开口长度为20um。三个谐振环的金属条宽度相同，谐振环间间距相同，金属条宽度与环间的间距相同，均为20um。馈线理论上越细越好，综合微加工精度等因素考虑，本实例取馈线宽度为10um。
在实际设计中，底层金属层被分割为若干条金属条，相邻金属条之间需要蚀刻一个细微的间隙，避免相邻条带短路，影响控制信号的互扰。本实例中，间隙的间距设置为20um。
顶层石英层与底层石英层之间垫有垫片，垫片可以选用特定厚度的麦拉膜或空间粉等方式实现，本实例中选用的是25um厚的麦拉膜，垫片与顶层石英层、底层石英层共同组成液晶盒，在灌注液晶后形成液晶材料层，本实例中选用的是E7液晶。
得到超表面单元后，将超表面单元进行组合排列，形成一个可以实现波束调控的超表面。本实施例设计的超表面包含30*30个超表面单元，其工作于340GHz。
为实现一维波束扫描，超表面由30组可编程控制电路控制，每组电路控制一行太赫兹超表面的状态。每组可编程控制电路采用FPGA和级联的方式实现，由FPGA生成可编程控制的特定频率的方波，再由放大器放大至需要的电压幅度，最后将方波信号引至超表面的馈线上，完成最终的可编程控制。
当电路中施加特定频率方波时，在电场的驱动下，太赫兹超表面内部的液晶分子会随电场方向发生偏转，使得液晶分子的长轴沿电场线方向旋转至垂直于超表面的方向，从而超表面单元呈现“1”的状态；当电路中不施加任何信号时，超表面内部的液晶分子会随着事先设置好的取向层方向排布，使得液晶分子的长轴平行于超表面平面，从而呈现“0”的状态。在“0”“和1”两个状态，由于液晶分子长轴方向的不同，液晶材料对于入射光展现出不同的折射率，从而实现两个反射相位相差180°的状态，实现对反射波束的控制。
本实施例中超表面单元的最内层为开口谐振环，通过调节最内层开口谐振环的总长度，可以使最内层谐振环工作在需要的频率。同时，开口谐振环的结构可以减小最内层谐振环的面积，有利于在外层添加更多谐振环，使超表面整体结构更为紧凑。得到最内层的开口谐振环后，根据顶层金属条带宽度与间距相等的原则，获得两个外层谐振环的尺寸。
外层谐振环在尺寸上远大于最内层谐振环，因此其谐振频率远低于超表面的工作频率，在这种情况下，外层谐振环在超表面工作频率340GHz处不工作，处于一个相对于入射波“隐身”的状态。这样一种“隐身”的状态对超表面在工作频率的反射状态没有任何影响，但对于液晶分子的驱动却有着重要的作用，多重谐振环可以增强谐振环之间的边缘场，从而驱动更多谐振环之间的液晶分子，实现液晶分子的高效率控制。图2为传统的液晶驱动方式，液晶盒内的液晶分子的旋转由上下层共同的金属覆盖区域决定，在没有金属覆盖的区域无法产生足够的偏压，液晶分子常常无法产生足够的偏转，从而使得实际应用结果大打折扣，无法充分的利用液晶材料的性能。图3为本专利结构在施加外部偏压时液晶盒内部的电场分布情况，可知在相邻谐振环之间由于边缘场效应的存在，尽管没有金属的覆盖，同样产生了足够的电场强度，使得液晶分子发生了偏转。
因此，本发明通过这一技术扩大了液晶分子的可驱动范围，弥补了传统液晶材料超表面无法驱动足够液晶分子的缺点。由于外层谐振环“包围”着内层开口谐振环，这样对于内层开口谐振环而言，液晶盒内部驱动区域远大于没有外层闭口谐振环的情形，因而可以等效为液晶盒完全驱动的情况，完全驱动的液晶可以提高超表面的整体性能，在同等液晶材料的前提下提高超表面的性能上限，扩大液晶材料的适用范围。
通过对液晶材料的可驱动范围变化的模拟仿真验证本发明的思路。图4为液晶内分子全部驱动液晶分子驱动仿真结果，图5为只有金属覆盖区域驱动液晶分子驱动仿真结果，可以明显看出二者在驱动区域上的差别，当没有驱动足够的液晶分子时，超表面单元的性能会大打折扣。
图6为本专利结构在施加外部偏压时液晶盒内部的电场分布情况下超表面单元的反射性能，即其实际驱动情况下的反射性能，可以看出超表面单元在这种情况下的反射性能与液晶盒内完全驱动的情况几乎一致，均好于传统的单谐振驱动方式。
本实例中超表面的控制电路由30组方波信号控制，每组方波信号均可以实现幅值10V，频率为1KHz的信号输出，其开关电路通过FPGA控制。一个控制信号可以实现超表面的反射波束在一维平面内的偏转。反射面的整体结构如图7所示。
反射波束的偏转最大角度与超表面最小单元的尺寸d以及超表面的工作波长λ这两个参量有关，具体的波束偏转角度可以通过如下公式计算得到：
随着超表面“0”“1”编码分布的不同，可以等效为单元尺寸d在增大，因此波束偏转角度θ也会随着d的增大而减小。通过理论计算可知，超表面在理论上可以实现最大66°的扫描。
图8为本发明波束控制的三维方向图，图9为本发明不同编码下的波束偏转情况。超表面实际实现最大66°的扫描。由图9可得，当编码周期分别为3，4，6，8时，波束的偏转角度分别为：21°，16°，11°，8°，与理论计算公式一致，即实现了很好的编码控制功能。
Claims (6)
1.一种高效驱动液晶分子的太赫兹超表面，其特征在于：从上而下依次包括顶层石英衬底层、顶层金属层、液晶层、底层金属层和底层石英衬底层；所述顶层金属层镀膜在顶层石英衬底层的下表面上，底层金属层镀膜在底层石英层的上表面上；所述顶层金属层包括按阵列排布的超表面单元，所述超表面单元包括谐振环组；所述谐振环组包括一个开口谐振环和两个闭口谐振环；两个闭口谐振环由内向外依次排布在开口谐振环的周围，每个谐振环的中心均与超表面单元的中心重合。
2.根据权利要求1所述的高效驱动液晶分子的太赫兹超表面，其特征在于：所述谐振环的金属条宽度相同，谐振环之间的间距相同，金属条宽度和谐振环之间间距相同。
3.根据权利要求1所述的高效驱动液晶分子的太赫兹超表面，其特征在于：所述开口谐振环的外长度可调节，开口长度可调节。
4.根据权利要求1所述的高效驱动液晶分子的太赫兹超表面，其特征在于：所述顶层金属层包括馈线，谐振环组通过馈线联通，相邻的超表面单元通过馈线联通。
5.根据权利要求4所述的高效驱动液晶分子的太赫兹超表面，其特征在于：所述底层金属层包括金属条，金属条方向与顶层金属层馈线的方向相同，金属条长度与超表面单元的边长相同，金属条宽度为超表面单元边长的整数倍，相邻金属条之间蚀刻间隙。
6.根据权利要求1所述的高效驱动液晶分子的太赫兹超表面，其特征在于：所述顶层石英衬底层与底层石英衬底层之间放置垫片，所述垫片与顶层石英衬底层、底层石英衬底层组成液晶盒，在液晶盒中灌注液晶后形成液晶层。
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