CN114122647A - 一种液晶移相单元、反射式全电控移相器及天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种液晶移相单元、反射式全电控移相器及天线。液晶移相单元包括：相对设置的第一介质基板和第二介质基板；所述第一介质基板和所述第二介质基板之间的缝隙填充有液晶分子，形成液晶层；谐振结构，设置于所述第一介质基板朝向所述第二介质基板的表面；所述谐振结构作为接地电极，所述谐振结构实现谐振功能；金属光栅结构，设置于所述第二介质基板朝向所述第一介质基板的表面；所述金属光栅结构作为馈电电极和反射结构。本发明采用完全电控的方式来调控液晶，加快了液晶的连续调控速率，缩短了液晶的自由弛豫时间，提高了液晶移相器的响应速率，且改善了液晶恢复后介电常数的不确定性。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种液晶移相单元、反射式全电控移相器及天线。
背景技术
液晶由于其独特的电磁特性被广泛应用于太赫兹波的调控；液晶材料是一种介电各向异性的材料，通过外加偏置电压可以改变其液晶分子的取向，使得液晶分子朝着电场方向偏转，从而改变液晶的相对介电常数。通过将液晶材料作为移相单元的介质层，改变液晶的相对介电常数从而得到不同的反射相位，最后通过调节相控阵天线中每一个单元的相位可以实现天线的波束赋形功能。而且这种能力在非常大的频率范围都有效，包括毫米波频段和太赫兹频段。
传统的液晶移相器是通过加载外部电压来调控液晶介电常数，使得液晶介电常数发生变化。通过不断增大加载的外部电压使得液晶的介电常数不断增大，而减小液晶的介电常数，只能采用移除加载在外部的电压，通过液晶盒内侧旋涂并经过摩擦取向的聚酰亚胺取向层对液晶进行重新定向，这种方式难免带来弊端：一方面摩擦取向有着不可预知的取向性，不同的实验人员，不同的摩擦方式，不同批次的实验都可能出现不同的摩擦取向性，而不同的取向性最终会导致最大的介电常数的不确定性，进一步影响移相器的性能；另一方面，通过取向层的取向力来对液晶重新定向所耗费的自由弛豫时间过长，通常在分、秒量级，甚至更长，严重影响移相器的响应速率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种液晶移相单元、反射式全电控移相器及天线，通过完全电控的方式来对液晶的介电常数进行连续调控，不仅省去了聚酰亚胺取向层，简化了制造工艺，而且由于是完全电控的方式来调控液晶介电常数，使得液晶的自由弛豫时间由分、秒量级缩短至微秒量级，极大提高了液晶移相器的响应速率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种液晶移相单元，其特征在于，包括：
相对设置的第一介质基板和第二介质基板；所述第一介质基板和所述第二介质基板之间的缝隙填充有液晶分子，形成液晶层；
谐振结构，设置于所述第一介质基板朝向所述第二介质基板的表面；所述谐振结构作为接地电极，所述谐振结构实现谐振功能；
金属光栅结构，设置于所述第二介质基板朝向所述第一介质基板的表面；所述金属光栅结构作为馈电电极和反射结构；
所述金属光栅结构包括M个呈周期性分布的梳状光栅单元；M为大于1的正整数；
所述梳状光栅单元包括五根相互交叉分布的光栅电极，其中两根所述光栅电极并联，且为可变电压栅，另外三根所述光栅电极并联，且为恒定电压栅。
优选地，所述谐振结构包括N个呈周期性分布的金属贴片单元；N为大于1的正整数；
所述金属贴片单元包括：
平行设置的第一偶极子贴片和第二偶极子贴片；所述第一偶极子贴片和所述第二偶极子贴片的长度不相等；
偏置电压加载线，与所述第一偶极子贴片和所述第二偶极子贴片均正交连接；
同一行的各所述金属贴片单元之间串联连接，形成行单元；各所述行单元之间并联，构成所述谐振结构。
优选地，所述谐振结构和所述光栅电极的材质均为铜。
优选地，所述液晶分子为向列型液晶，所述液晶层的厚度通过聚苯乙烯微球控制。
优选地，所述第一介质基板和所述第二介质基板的材质均为石英。
优选地，所述液晶层的四个侧面通过环氧树脂进行密封。
本发明还提供了一种反射式全电控移相器，所述反射式全电控移相器包括P个呈矩阵式排布的上述的液晶移相单元，P为大于1的正整数。
本发明还提供了一种天线，所述天线包括上述的反射式全电控移相器。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明涉及一种液晶移相单元、反射式全电控移相器及天线。液晶移相单元包括：相对设置的第一介质基板和第二介质基板；所述第一介质基板和所述第二介质基板之间的缝隙填充有液晶分子，形成液晶层；谐振结构，设置于所述第一介质基板朝向所述第二介质基板的表面；所述谐振结构作为接地电极，所述谐振结构实现谐振功能；金属光栅结构，设置于所述第二介质基板朝向所述第一介质基板的表面；所述金属光栅结构作为馈电电极和反射结构。本发明采用完全电控的方式来调控液晶，加快了液晶的调控速率，缩短了液晶的自由弛豫时间，提高了液晶移相器的响应速率，且改善了液晶恢复后介电常数的不确定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明液晶移相单元结构爆炸图；
图2为本发明金属贴片单元结构图；
图3为本发明梳状光栅单元结构图；
图4为本发明梳状光栅单元、金属贴片单元和液晶层的纵切面示意图；
图5为本发明同向电压时液晶移相单元的电场分布示意图；
图6为本发明反向电压时液晶移相单元的电场分布示意图；
图7为本发明液晶移相单元谐振点随介电常数的变化曲线示意图；
图8为本发明介电常数变化产生的相移变化曲线示意图；
图9为本发明液晶移相单元谐振点随加载电压的变化曲线图；
图10为本发明液晶移相单元的相移曲线图。
符号说明：：1-第一介质基板，2-谐振结构，3-液晶层，4-金属光栅结构，5-第二介质基板，21-金属贴片单元，211-第一偶极子贴片，212-第二偶极子贴片，213-偏置电压加载线，41-梳状光栅单元，411-第一光栅电极，412-第二光栅电极，413-第三光栅电极，414-第四光栅电极，415-第五光栅电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种液晶移相单元、反射式全电控移相器及天线，通过完全电控的方式来对液晶的介电常数进行连续调控，不仅省去了聚酰亚胺取向层，简化了制造工艺，而且由于是完全电控的方式来调控液晶介电常数，使得液晶的自由弛豫时间由分、秒量级缩短至微秒量级，极大提高了液晶移相器的响应速率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明液晶移相单元结构爆炸图。如图所示，本发明提供了一种液晶移相单元，包括：谐振结构2、金属光栅结构4以及相对设置的第一介质基板1和第二介质基板5。本实施例中，所述第一介质基板1和所述第二介质基板5的材质均为石英，且厚度均为480um。
所述第一介质基板1和所述第二介质基板5之间的缝隙填充有液晶分子，形成液晶层3。本实施例中，所述液晶分子为HFUT-HB01向列型液晶，所述液晶层3的厚度通过聚苯乙烯微球控制，具体为45um。进一步地，所述液晶层3的四个侧面通过环氧树脂进行密封。
所述谐振结构2设置于所述第一介质基板1朝向所述第二介质基板5的表面；所述谐振结构2作为接地电极的同时所述谐振结构2实现谐振功能。本实施例中，所述谐振结构2通过蒸镀的方式固定于所述第一介质基板1上。
具体地，所述谐振结构2包括N个呈周期性分布的金属贴片单元21；N为大于1的正整数。
如图2所示，本发明所述金属贴片单元21包括：偏置电压加载线213以及平行设置的第一偶极子贴片211和第二偶极子贴片212。
所述偏置电压加载线213与所述第一偶极子贴片211和所述第二偶极子贴片212均正交连接。所述第一偶极子贴片211和所述第二偶极子贴片212的长度不相同。
优选地，本实施例中，所述金属贴片单元21长和宽均为p＝950um，所述第一偶极子贴片211的长Ly1＝640um、宽Lx1＝128um，所述第二偶极子贴片212的长Ly2＝684um、宽Lx2＝128um。所述第一偶极子贴片211和所述第二偶极子贴片212之间的距离D＝260um，所述偏置电压加载线213的宽度w＝13um。
同一行的各所述金属贴片单元21之间串联连接，形成行单元；各所述行单元之间并联，构成所述谐振结构2。
所述偏置电压加载线213、所述第一偶极子贴片211和所述第二偶极子贴片212的材质均为金属，具体为铜。
金属光栅结构4设置于所述第二介质基板5朝向所述第一介质基板1的表面；所述金属光栅结构4作为馈电电极和反射结构。本实施例中，所述金属光栅结构4通过蒸镀的方式固定于所述第二介质基板5上。
所述金属光栅结构4包括M个呈周期性分布的梳状光栅单元41；M为大于1的正整数。
如图3所示，所述梳状光栅单元41包括五根相互交叉分布的光栅电极，分别定义为第一光栅电极411、第二光栅电极412、第三光栅电极413、第四光栅电极414和第五光栅电极415，所述第一光栅电极411位于左侧，所述第三光栅电极413位于中间，所述第五光栅电极415位于右侧，所述第二光栅电极412位于所述第一光栅电极411和所述第三光栅电极413之间，所述第四光栅电极414位于所述第三光栅电极413和所述第五光栅电极415之间。
所述第一光栅电极411、所述第二光栅电极412、所述第三光栅电极413、所述第四光栅电极414和所述第五光栅电极415的大小和形状完全相同，宽均为h＝20um，厚度均为hc＝0.5um，且所述第一光栅电极411、所述第二光栅电极412、所述第三光栅电极413、所述第四光栅电极414和所述第五光栅电极415之间的间距均为d＝170um。
所述第一光栅电极411、所述第三光栅电极413和所述第五光栅电极415为恒定电压栅，所述第二光栅电极412和所述第四光栅电极414为可变电压栅。
所述恒定电压栅始终加载恒定正电压，通过对所述第二光栅电极412和所述第四光栅电极414施加不同的电压，在所述液晶层3中产生水平或垂直的两种不同偏置电场，实现对液晶的介电常数的快速连续调制。
所述第一光栅电极411、所述第二光栅电极412、所述第三光栅电极413、所述第四光栅电极414和所述第五光栅电极415的材质均为金属，具体为铜。
为了简化加工工艺，将同一列的所述梳状光栅单元41进行串联，从而使所述恒定电压栅、所述可变电压栅分别各共享一个输入电极。
本发明液晶移相单元的原理具体如下：
以一个所述金属贴片单元21和一个所述梳状光栅单元41为例，其纵切面图如图4所示。
实验测试时，将所述金属贴片单元21接地，所述第一光栅电极411、所述第二光栅电极412、所述第三光栅电极413、所述第四光栅电极414和所述第五光栅电极415初始状态下均施加+12v电压，此时，所述液晶层3中产生垂直于所述第一介质基板1和所述第二介质基板5分布的电场，如图5所示，这时，液晶的介电常数为最大值，不断减小所述第二光栅电极412和所述第四光栅电极414上施加的电压直至-12v，此时，所述液晶层3中产生平行于所述第一介质基板1和所述第二介质基板5分布的电场，如图6所示，这时，液晶的介电常数为最小值。连续调控所述第二光栅电极412和所述第四光栅电极414上施加的电压在+12v和-12v之间变化，能够调控所述液晶层3中液晶的介电常数快速连续变化，随着液晶的相对介电常数的连续变化，谐振频点发生变化，相位发生线性改变，从而实现对入射电磁波反射相位的全电控连续调制。
如图7所示，随着液晶介电常数由3.61减小至2.63，谐振频点由101.7GHz蓝移至104.8GHz，如图8所示，随着液晶介电常数由3.61减小至2.63，最大相移在103.7GHz处，为267°。
随着改变加载在所述第二光栅电极412和所述第四光栅电极414的电压，谐振频点在102.5GHz-104.8GHz之间移动，如图9所示，在102.5GHz-104.3GHz范围内相移超过了180°，其中，最大相移在103GHz处，为249°，如图10所示。
本发明还提供了一种反射式全电控移相器，所述反射式全电控移相器包括P个呈矩阵式排布的上述的液晶移相单元；P为大于1的正整数。
此外，本发明还提供了一种天线，所述天线包括上述的反射式全电控移相器。
本发明对液晶的调控过程采用的是完全外加电压控制的方式，不仅省去了聚酰亚胺取向层，简化了制造工艺，而且由于是完全电控的方式来调控液晶，加快了液晶调控速率，极大缩短了传统外加电压结构无法摆脱的液晶自由弛豫时间，提高了液晶移相器的响应速率。此外，对于传统液晶移相器，液晶恢复初始状态依赖聚酰亚胺取向层的摩擦取向力，造成液晶恢复后介电常数的不确定性，相较于传统液晶移相器，极大改善了液晶恢复后介电常数的确定性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种液晶移相单元，其特征在于，包括：
相对设置的第一介质基板和第二介质基板；所述第一介质基板和所述第二介质基板之间的缝隙填充有液晶分子，形成液晶层；
谐振结构，设置于所述第一介质基板朝向所述第二介质基板的表面；所述谐振结构作为接地电极，所述谐振结构实现谐振功能；
金属光栅结构，设置于所述第二介质基板朝向所述第一介质基板的表面；所述金属光栅结构作为馈电电极和反射结构；
所述金属光栅结构包括M个呈周期性分布的梳状光栅单元；M为大于1的正整数；
所述梳状光栅单元包括五根相互交叉分布的光栅电极，其中两根所述光栅电极并联，且为可变电压栅，另外三根所述光栅电极并联，且为恒定电压栅。
2.根据权利要求1所述的液晶移相单元，其特征在于，所述谐振结构包括N个呈周期性分布的金属贴片单元；N为大于1的正整数；
所述金属贴片单元包括：
平行设置的第一偶极子贴片和第二偶极子贴片；所述第一偶极子贴片和所述第二偶极子贴片的长度不相等；
偏置电压加载线，与所述第一偶极子贴片和所述第二偶极子贴片均正交连接；
同一行的各所述金属贴片单元之间串联连接，形成行单元；各所述行单元之间并联，构成所述谐振结构。
3.根据权利要求1所述的液晶移相单元，其特征在于，所述谐振结构和所述光栅电极的材质均为铜。
4.根据权利要求1所述的液晶移相单元，其特征在于，所述液晶分子为向列型液晶，所述液晶层的厚度通过聚苯乙烯微球控制。
5.根据权利要求1所述的液晶移相单元，其特征在于，所述第一介质基板和所述第二介质基板的材质均为石英。
6.根据权利要求1所述的液晶移相单元，其特征在于，所述液晶层的四个侧面通过环氧树脂进行密封。
7.一种反射式全电控移相器，其特征在于，所述反射式全电控移相器包括P个呈矩阵式排布的如权利要求1-6任意一项所述的液晶移相单元。
8.一种天线，其特征在于，所述天线包括如权利要求7所述的反射式全电控移相器。
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