CN113656929A - 基于可调谐液晶材料的太赫兹反射式移相器的仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于可调谐液晶材料的的太赫兹反射式移相器的仿真方法，在全波电磁仿真软件中，建立太赫兹反射式液晶移相器的物理模型，获取饱和电压状态下的液晶移相器衬底表面电场强度分布；根据电场强度分布，将液晶材料分三个区域，重新赋值介电常数；对重新赋值后的移相器模型进行仿真，获取饱和电压下的相位曲线和无偏置电压下的相位曲线；根据饱和电压下的相位曲线和无偏置电压下的相位曲线，确定移相器的移相能力。本发明能很好的仿真出液晶移相器的移相效果，减小常规仿真模型的计算误差，提高液晶移相器的仿真评估效果，为液晶相控阵的设计提供指导。

Description

基于可调谐液晶材料的太赫兹反射式移相器的仿真方法
技术领域
本发明属于太赫兹器件仿真技术领域，具体为一种基于可调谐液晶材料的太赫兹反射式移相器的仿真方法。
背景技术
基于可调谐液晶材料的天线已成为解决太赫兹频段波束扫描的主要技术手段之一。液晶材料受电压控制，液晶分子的方向会发生偏转，导致其其介电常数发生变化，进而对入射到其表面的电磁波进行调制。基于超表面的反射式液晶移相器是实现反射式太赫兹波束扫描天线的核心器件。
超表面移相器单元中的电场可以分为两个部分，一部分直接受到移相器超表面单元贴片上施加的电压的影响，另一部分位于贴片之间的空隙中。由于液晶反射单元的金属贴片不能覆盖单元的整个表面，这就导致了液晶层中不同位置的液晶分子具有不同的偏转方向，即介电常数不同，导致了不均匀性，不均匀性增加了液晶分子各向异性的影响。
目前普遍使用的液晶移相器的仿真模型，所使用的液晶材料模型多数都采用均匀的且各向同性材料来模拟，这种仿真方法下得到的移相器模型的移相曲线及损耗曲线与实际测试得到的曲线存在较大的偏差。采用这种方法能够简化液晶移相器的建模过程，提高计算效率，但不能体现实际工程对移相精度的要求，在一定程度上影响了太赫兹天线的波束指向精度，另外也无法模拟太赫兹天线真实的方向图特性。。
发明内容
本发明提出了一种基于可调谐液晶材料的的太赫兹反射式移相器的仿真方法。
实现本发明的技术解决方案为：一种基于可调谐液晶材料的太赫兹反射式移相器的仿真方法，包括：
建立赫兹反射式液晶移相器的物理模型，获取饱和电压状态下的液晶移相器衬底表面电场强度分布；
根据电场强度分布，将液晶材料分三个区域，重新赋值介电常数；
对重新赋值后的移相器模型进行仿真，获取饱和电压下的相位曲线和无偏置电压下的相位曲线；
根据饱和电压下的相位曲线和无偏置电压下的相位曲线，确定移相器的移相能力。
优选地，所述太赫兹反射式液晶移相器的基本结构为超表面形式。
优选地，所述太赫兹反射式液晶移相器的液晶材料为向列型液晶，介电常数可调谐范围为[n,m]，其中，n为无偏置电压下液晶材料的介电常数，m为饱和电压下液晶材料的介电常数。
优选地，根据电场强度分布，将液晶材料分三个区域重新进行赋值的具体方法为：
E≥0.7Emax的区域，介电常数设置为εmax，εmax为可调谐液晶介电常数最大值；
0.3Emax＜E＜0.7Emax，介电常数设置为
Figure RE-GDA0003308531250000021
εmin为可调谐液晶介电常数最小值；
0＜E＜0.3Emax，介电常数设置为εmin；
其中，Emax为电场强度最大值，E为饱和电压状态下的液晶移相器衬底表面电场强度分布。
优选地，移相器的移相能力计算公式为：
Figure RE-GDA0003308531250000022
式中，
Figure RE-GDA0003308531250000023
为获取饱和电压下的相位，
Figure RE-GDA0003308531250000024
为无偏置电压下的相位。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明能很好的仿真出液晶移相器的移相效果，极大减小常规仿真模型的计算误差，与实际测试结果更吻合，提高了液晶移相器的仿真评估效果，为液晶相控阵的设计提供指导。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1为本发明双极子液晶移相器仿真电场分布图。
图2为本发明中双极子移相器精确仿真模型的液晶层介电常数区域划分图。
图3为双极子移相器常规仿真模型、本发明中精确仿真模型与实测的移相曲线对比。
图4为对介电常数重新赋值后的双极子移相器表面电场分布仿真模型。
具体实施方式
一种基于可调谐液晶材料的太赫兹反射式移相器的仿真方法，其中，基于可调谐液晶材料的太赫兹反射式移相器，包括上下两层石英基板，在上层石英基板的下表面镀有辐射移相一体的反射式超表面双极子移相器单元；下层石英基板的上表面镀有一层金属接地层；上下两层石英基板间的腔体中填充液晶形成液晶层。本发明的具体步骤为：
S1：建立太赫兹反射式液晶移相器的物理模型，获取饱和电压状态下的液晶移相器衬底表面电场强度分布。
进一步的实施例中，在全波电磁仿真软件中，设置周期边界条件，即理想电边界和理想磁边界，进行液晶移相器仿真。将液晶材料的介质属性设置成均匀各向同性，以该液晶材料为衬底，建立移相器的物理结构模型。设置液晶材料的介电常数为最大值，模拟实际工作中饱和电压状态，仿真出此时移相器的表面电场强度E分布。
进一步的实施例中，液晶材料介电常数受电压调控后的可调谐范围为[n,m]，其中n为液晶材料不加载偏置电压时的介电常数，m为液晶材料加载饱和电压时的介电常数。
S2：根据电场强度分布，将液晶材料分三个区域重新进行赋值。
进一步的实施例中，以电场强度最大值Emax为依据，对移相器液晶材料的介电常数重新赋值。其中，E≥0.7Emax的区域，介电常数设置为εmax；0.3Emax ＜E＜0.7Emax，介电常数设置为
Figure RE-GDA0003308531250000031
0＜E＜0.3Emax，介电常数设置为εmin，εmax为可调谐液晶介电常数最大值，εmin为可调谐液晶介电常数最小值。
S3：对液晶材料介电常数重赋值后的移相器模型重新进行仿真，获取饱和电压下的相位曲线。
进一步的实施例中，保持仿真软件的边界条件设置不变，对上述介电常数重新分区域赋值后的模型进行仿真。从仿真的传输系数S11中，提取其相位值
Figure RE-GDA0003308531250000032
S4：获取无偏置电压下的相位曲线；
进一步的实施例中，将移相器的液晶衬底的介电常数全部赋值为εmin，模拟实际工作中不加载偏置电压状态。保持仿真软件的边界条件设置不变，对上述移相器模型进行电磁仿真。从仿真的传输系数S11中，提取其相位值
Figure RE-GDA0003308531250000041
S5：根据饱和电压下的相位曲线和无偏置电压下的相位曲线，确定移相器的移相能力，计算公式为：
Figure RE-GDA0003308531250000042
实施例进行更详细的描述。
实施例
如图1，2所示，经本发明仿真的基于可调谐液晶材料的太赫兹反射式移相器，包括上下两层石英基板101和102，在上层石英基板101的下表面镀有辐射移相一体的反射式双极子超表面移相器单元103；下层石英基板的上表面镀有一层金属接地层104；上下两层石英基板间的腔体中填充向列型液晶105。
上层石英基板101和下层石英基板102的边长均为400um、厚度360um，介电常数为3.78，损耗正切为0.002。
下层石英基板的上表面金属接地层104设置为铜，覆盖整个移相器单元，厚度为1um。
向列型液晶层105采用HFUT-HB01液晶材料，介电常数变化范围为 [2.4,3.4]。首先，在通用电磁仿真软件HFSS中，建立双极子超表面移相器单元模型。将整个移相器的液晶层全部设置为介电常数为3.4，仿真获得其表面电场分布，如图4所示。根据图4电场分布对液晶层重新进行介电常数赋值，建立精确仿真模型。从图4可看出对于双极子金属条的下方以及两个金属条的中间区域 109，其电场强度E较强(E≥0.7Emax)，可以看作是均匀分布，介电常数可以设置为3.4。对于距离双极子金属条较远的区域111，由于其电场强度E较弱(0＜E＜0.3Emax)，液晶可以看作是未加偏置电压的状态，即可以看作是均匀的区域且介电常数可以设置为2.4。对于区域110，其电场强度E介于上述两者之间，其介电常数则可以将其设置为2.9。精确仿真模型液晶层共分成3个不规则的区域，分别为区域109、区域110和区域111。区域的大小根据图3的电场分布确定。将上述介电常数重新赋值的移相器模型进行仿真，提取其移相曲线。然后，将整个液晶移相器的介电常数设置为2.4，仿真得到的移相曲线。将上述两移相曲线直接进行相减获得已经移相器的移相能力曲线。精确仿真模型仿真移相能力曲线与测试结果及常规模型移相能力曲线对比结果如图3。可看出精确模型的仿真结果与测试结果更加吻合。

Claims (5)

1.一种基于可调谐液晶材料的太赫兹反射式移相器的仿真方法，其特征在于，包括：
建立赫兹反射式液晶移相器的物理模型，获取饱和电压状态下的液晶移相器衬底表面电场强度分布；
根据电场强度分布，将液晶材料分三个区域，重新赋值介电常数；
对重新赋值后的移相器模型进行仿真，获取饱和电压下的相位曲线和无偏置电压下的相位曲线；
根据饱和电压下的相位曲线和无偏置电压下的相位曲线，确定移相器的移相能力。
2.根据权利要求1所述的基于可调谐液晶材料的太赫兹反射式移相器的仿真方法，其特征在于，所述太赫兹反射式液晶移相器的基本结构为超表面形式。
3.根据权利要求1所述的基于可调谐液晶材料的太赫兹反射式移相器的仿真方法，其特征在于，所述太赫兹反射式液晶移相器的液晶材料为向列型液晶，介电常数可调谐范围为[n,m]，其中，n为无偏置电压下液晶材料的介电常数，m为饱和电压下液晶材料的介电常数。
4.根据权利要求1所述的基于可调谐液晶材料的太赫兹反射式移相器的仿真方法，其特征在于，根据电场强度分布，将液晶材料分三个区域重新进行赋值的具体方法为：
E≥0.7Emax的区域，介电常数设置为εmax，εmax为可调谐液晶介电常数最大值；
0.3Emax＜E＜0.7Emax，介电常数设置为
Figure FDA0003112421110000011
εmin为可调谐液晶介电常数最小值；
0＜E＜0.3Emax，介电常数设置为εmin；
其中，Emax为电场强度最大值，E为饱和电压状态下的液晶移相器衬底表面电场强度分布。
5.根据权利要求1所述的基于可调谐液晶材料的太赫兹反射式移相器的仿真方法，其特征在于，移相器的移相能力计算公式为：
Figure FDA0003112421110000012
式中，
Figure FDA0003112421110000021
为获取饱和电压下的相位，
Figure FDA0003112421110000022
为无偏置电压下的相位。
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