CN113131219B - 一种低副瓣的1-bit太赫兹液晶超表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种低副瓣的1‑bit太赫兹液晶超表面,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子单元和设置在子单元上的谐振结构。本发明降低传统1‑bit超表面的镜像波束,避免了传统液晶超表面难以实现单波束辐射的缺点;利用1‑bit控制电路简化了控制信号的设计难度以及对液晶材料相应灵敏度的要求;超表面实现最大22°的波束偏转,镜像波束的幅度相对于主波束降低了一半。

Description

一种低副瓣的1-bit太赫兹液晶超表面
技术领域
本发明涉及一种太赫兹液晶超表面,尤其涉及一种低副瓣的1-bit太赫兹液晶超表面。
背景技术
常见的1-bit液晶数字可编程超表面,可以简单的实现对入射波束的控制,实现各种不同的反射效果。然而1-bit超表面同样存在着一些局限性,一是存在着与主波束对称的镜像波束,这样一个镜像波束由于其幅度等同于主波束,在超表面的实际使用中镜像波束会对主波束的信号产生较为明显的影响,尤其是太赫兹频段传播损耗大,外界干扰更为严重,因此传统的1-bit超表面不适用于对信号精度要求较高的雷达探测以及成像系统;二是效率不高的问题,同样是由于镜像波束的存在,根据能量守恒定律,超表面产生的主波束能量将不会超过总能量的一半,因而存在着辐射效率低下的问题。
为了解决这一问题,通常的解决方案是采用2-bit甚至更高阶的超表面,但对于液晶这一性质特殊的材料,设计2-bit超表面存在两方面的局限性:一是液晶分子通常是用方波信号来进行控制的,因此液晶分子在激活时也是处于一个不停震动的状态,而 2-bit超表面需要液晶分子能够通过4种不同幅度的方波信号实现4种不同幅度的震动状态,由于震动状态本身就不稳定,寻找能够驱动液晶分子震动且幅度可以稳定介于水平与垂直之间的某种特定状态就更为困难,因此在实际操作中可行性不高。二是对于2-bit 液晶超表面的驱动,需要4种幅度不同的方波信号可编程输出,而可编程设备FPGA只支持0和1的数字信号输出,无法满足2-bit的需求,大大限制了2-bit以及更高阶液晶超表面的可行性,限制了液晶作为超表面设计材料的应用前景。
发明内容
发明目的:本发明旨在解决现有技术的上述不足,提供一种低副瓣的1-bit太赫兹液晶超表面,解决1-bit太赫兹超表面传播损耗大,效率低的问题。
技术方案:本发明所述的低副瓣的1-bit太赫兹液晶超表面,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子单元和设置在子单元上的谐振结构。
所述子单元为两个,两个子单元上的谐振结构谐振频率不同,由两组控制信号分别控制。
所述谐振结构包括一个矩形和一个矩形环,矩形环设置在矩形的周围,矩型和矩形环的几何中心与各自的子单元几何中心重合。
所述矩形环的宽度与矩形环跟矩形的间距相同。
所述顶层金属层包括馈线A,两组谐振结构通过馈线A联通,相邻的超表面单元通过馈线A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。
所述底层金属层为交指结构,所述交指结构分别连接馈线B和馈线C,馈线B控制阵列中每一行相同的一组谐振结构,馈线C控制阵列中每一行相同的另外一组谐振结构。
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降低传统1-bit超表面的镜像波束,避免了传统液晶超表面难以实现单波束辐射的缺点。利用1-bit控制电路大大简化了控制信号的设计难度以及对液晶材料相应灵敏度的要求。超表面实现最大22°的波束偏转,镜像波束的幅度相对于主波束降低了一半。
附图说明
图1本发明超表面单元的结构示意图;
图2本发明交指结构的示意图;
图3本发明超表面单元工作状态示意图;
图4本发明超表面单元在三种状态的性能的相频特性图;
图5本发明超表面单元在三种状态的性能的幅频特性图;
图6本发明超表面单元阵列后的结构示意图;
图7本发明超表面波束控制的三维方向图;
图8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,本发明所述的一种低副瓣的1-bit太赫兹液晶超表面,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子单元和设置在子单元上的谐振结构。所述子单元为两个,两个子单元上的谐振结构谐振频率不同,由两组控制信号分别控制。所述谐振结构包括一个矩形和一个矩形环,矩形环设置在矩形的周围,且矩型和矩形环的几何中心与各自的子单元几何中心重合。所述矩形环的宽度与矩形环跟矩形的间距相同。所述顶层金属层包括馈线A,两组谐振结构通过馈线A联通,相邻的超表面单元通过馈线A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。所述底层金属层为交指结构,所述交指结构分别连接馈线B和馈线C,馈线B控制阵列中每一行相同的一组谐振结构,馈线C控制阵列中每一行相同的另外一组谐振结构。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。
本实施例中每个超表面单元尺寸均为400um*400um。每个超表面单元包括两个相同的子单元,即每个子单元的尺寸为200um*400um。本实施列中矩形环的宽度与矩形环跟矩形的间距相同,宽度与间距均为20um。本实例中根据加工能力选取顶层金属层馈线的宽度A为14um。液晶盒厚度即垫片的厚度选择为25um。
本实施例中,设计一个包含52*52个单元的的工作在340GHz的太赫兹超表面,为实现一维波束扫描,超表面由26组可编程控制电路控制,每组电路输出两路信号分别控制两个谐振结构的工作状态。采用FPGA与放大器级联的方法输出控制信号。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,再将控制信号方波引至超表面馈线上,完成最终的可编程控制。
在超表面单元的顶层金属层,将所有谐振结构连接到一起,形成串联结构,接入到控制信号的地线上。超表面单元的底层金属层被剖分为若干个交指结构,本发明交指结构的示意图如图2所示。每组交指结构可以对应顶层金属层上的若干行超表面单元,本实施列中每组交指结构对应两行超表面单元。利用交指结构实现对两组不同子单元的独立控制。为了尽可能减小交指结构后对超表面整体性能的影响,每一节交指结构的面积要大于对应顶层金属层超表面子单元谐振结构的面积,才能保持完整的反射效果,避免底层金属部分缺失影响到超表面单元的性能。根据光刻机的实际加工精度尽可能地减小交指结构的间隙以及连接用馈线的宽度,本实施例选用的间隙和底层金属层的馈线宽度均为15um。
当电路中施加幅值10V,频率为1KHz的方波时,由于驱动电场的存在,液晶分子由于自身极性的存在,其长轴会沿着电场线方向发生偏转,这样一来,光线入射时会呈现非寻常光的e光状态;反之,当没有驱动电压时,液晶分子会回归到事先设置好的方向,此时,入射光线呈现寻常光o光的状态。由于液晶材料在o光和e光入射时会呈现出不同的折射率,从而会产生不同的反射效果,对应超表面“0”和“1”两种不同的反射状态。然而两个状态是不足以降低超表面的镜像波束的,为了在不改变控制电路的前提下达到改善这一问题的目的,本发明设计了一种新型的超表面子单元,将每一个超表面单元分别由两组“0”“1”状态独立控制。当子单元处于不同的“0”“1”状态时,超表面单元整体可以呈现出更多的反射状态,本实例中的00,01,10,11四种状态。
本发明中的超表面的顶层金属层由两组谐振结构组成,每组谐振结构包含一个矩形和一个矩形环,其中内层为矩形,它的尺寸决定了子单元的谐振频率,在矩形结构外围有一个矩形环结构,这一结构并不会对矩形结构的谐振频率产生影响,但可以帮助超表面单元驱动更多的液晶分子,起到一个改善超表面实测性能的效果。两个子单元由于尺寸的不同,其谐振频率也不相同,因此,当超表面单元工作在指定的340GHz时,两个子单元叠加,由排列组合可以呈现出最多4种不同的状态,从中选取需要的反射状态,实现在不增加超表面复杂度的前提下的一种降低镜像波束的可行方法。本实施例中,选取了00,10,11三个状态,利用三种反射相位的组合来取代原先的0,1两个状态,达到削减镜像波束的效果。图3为超表面工作于00,10,11三个状态时的液晶驱动情况。其中浅色代表未激活的液晶而深色部分代表需要激活的液晶,三种不同的状态均由 FPGA输出的信号控制。
图4为本发明超表面单元工作在三种状态的性能的相频特性图,图5为本发明超表面单元工作在三种状态的性能的幅频特性图,即其实际驱动情况下的反射性能。可以看到超表面单元在不同编码状态下展现出的不同性能,结果的具体数值见下表。
状态代号 00 10 11
反射幅度 0.33 0.64 0.306
反射相位 125° 317°
得到超表面单元后,将超表面单元进行组合阵列,形成一个可以实现波束调控的超表面。本实施列中包含52*52个单元的超表面。超表面的控制电路由26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。这样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。反射面阵列后的整体结构如图6所示。
反射波束的偏转最大角度与超表面单元的尺寸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:
其中M指同一控制信号控制行数,本实例中M=2。波束偏转角度θs也会随着M的增大而减小。通过理论计算可知,该超表面在理论上可以实现最大22°的扫描。
图7为本发明超平面波束控制的三维方向图,图8为本发明超平面不同编码下的波束偏转情况图。该超表面在实测中可以实现最大22°的波束扫描。根据结果可知,当编码周期M分别为1,2,3时,波束的偏转角度分别为:22°,9°,6°,与理论计算公式一致,即实现了很好的编码控制功能。
本发明所述的低副瓣的1-bit太赫兹液晶超表面,通过对液晶材料施加不同的电压编码,实现反射波束的波束扫描功能。最为重要的是,超表面单元的特殊结构可以在采用1-bit控制信号的前提下,给系统中引入额外的反射相位,从而实现降低镜像波束的效果。本发明克服了传统液晶超表面难以实现单波束辐射的缺点,具有很好的单波束扫描功能,作为一种结构简单可行性高的发明,能够更好的推广液晶超表面在太赫兹频段的应用范围。

Claims (6)

1.一种低副瓣的1-bit太赫兹液晶超表面,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子单元和设置在子单元上的谐振结构,所述子单元为两个,两个子单元上的谐振结构谐振频率不同,由两组控制信号分别控制,所述谐振结构包括一个矩形和一个矩形环,矩形环设置在矩形的周围,矩型和矩形环的几何中心与各自的子单元几何中心重合。
2.根据权利要求1所述的低副瓣的1-bit太赫兹液晶超表面,其特征在于:矩形环的宽度与矩形环跟矩形的间距相同。
3.根据权利要求1所述的低副瓣的1-bit太赫兹液晶超表面,其特征在于:所述顶层金属层包括馈线A,两组谐振结构通过馈线A联通,相邻的超表面单元通过馈线A联通。
4.根据权利要求3所述的低副瓣的1-bit太赫兹液晶超表面,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。
5.根据权利要求4所述的低副瓣的1-bit太赫兹液晶超表面,其特征在于:所述底层金属层为交指结构,所述交指结构分别连接馈线B和馈线C,馈线B控制阵列中每一行相同的一组谐振结构,馈线C控制阵列中每一行相同的另外一组谐振结构。
6.根据权利要求1所述的低副瓣的1-bit太赫兹液晶超表面,其特征在于: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。
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