CN117096619A - 一种基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列 - Google Patents
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Abstract
一种基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，包括上层基板、下层基板、液晶上表面导电膜、液晶下表面导电膜、液晶层以及公共地，液晶上表面导电膜在上层基板的下表面形成上层谐振结构和m条上层偏置电路连线，液晶下表面导电膜在下层基板的上表面形成下层谐振结构和n条下层偏置电路连线，下层偏置电路连线与上层偏置电路连线方向垂直，上层谐振结构和下层谐振结构形成在下层偏置电路连线上与上层偏置电路连线上的交叉处，每个上层谐振结构和对应的下层谐振结构及中间的液晶组成一个阵列单元，形成每个阵列单元可独立调控的m×n阵列。在实现液晶超表面反射波束的二维扫描功能的同时，大大减少液晶电压偏置所需连线，降低结构复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及电磁波调控技术领域，特别是涉及一种基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列。
背景技术
超表面是一种二维周期性结构，克服了传统超材料在三维空间的局限性。与传统的三维形式相比，具有低剖面，低损耗，易集成的优势，极大地推进了超材料在工业界的实际工程应用。
受到数字电路系统里面两种确定形态‘开’和‘关’的启发，东南大学崔铁军教授课题组提出了一种离散数字化表征的电磁超表面的概念。例如，1-比特超表面用‘0’和‘1’编码来表示电磁超表面单元的反射或透射相位0º和180º。因此，不同的编码组合可以代表不同的电磁超表面单元相位响应的组合，对应不同的相位响应，最终会出现不同的功能响应。
为了实现实时动态调控电磁波，可以在超表面单元中集成有源器件或者新型材料，通过逻辑控制器（FPGA等）外加偏置信号调节有源器件或者材料的状态调节超表面的相位、幅度响应。
液晶是一种各项异性材料。在外加电场的作用下，向列相液晶材料的分子会因为极化作用向电场的方向偏转，从而使介电常数发生改变。与其它电控材料相比，液晶材料在微波到光频的介电损耗都在较低水平，以及其独特的类似液体的形态，使其可以灵活运用在各个场景。
现有技术存在动态电调节超表面不成熟、液晶调制超表面器件结构复杂的问题。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，包括上层基板、下层基板、液晶上表面导电膜、液晶下表面导电膜、液晶层以及公共地，所述液晶上表面导电膜在所述上层基板的下表面形成上层谐振结构和m条上层偏置电路连线，所述液晶下表面导电膜在所述下层基板的上表面形成下层谐振结构和n条下层偏置电路连线，所述下层偏置电路连线与所述上层偏置电路连线方向垂直，所述上层谐振结构和所述下层谐振结构形成在所述下层偏置电路连线上与所述上层偏置电路连线上的交叉处，每个上层谐振结构和对应的下层谐振结构及中间的液晶组成一个阵列单元，形成每个阵列单元可独立调控的m×n阵列，其中，m与n中至少一者不小于2；所述公共地为偏置电路接地端。
进一步地：
所述液晶上表面导电膜和所述液晶下表面导电膜为经刻蚀的金属镀膜。
所述上层基板和所述下层基板为玻璃基板。
所述公共地形成在所述下层基板的下表面。
所述公共地为金属地。
通过对所述上层偏置电路连线和所述下层偏置电路连线施加直流电压信号或脉冲宽度调制信号，来改变对应的阵列单元处的液晶分子朝向进而改变液晶材料的介电常数。
通过将相应的偏置电路连线连接的电路端口切换低成电平或高阻态的方式来对阵列逐行或逐列地施加偏置。
包括多个所述m×n阵列。
所述液晶层为相位介电常数在2.5-10范围内的液晶材料。
所述液晶层的厚度为25-100微米。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，设置有方向垂直的m条上层偏置电路连线与n条下层偏置电路连线，上层谐振结构和下层谐振结构形成在所述下层偏置电路连线上与所述上层偏置电路连线上的交叉处，每个上层谐振结构和对应的下层谐振结构及中间的液晶组成一个阵列单元，从而形成每个阵列单元可独立调控的m×n阵列，利用相互垂直的m+n偏置电路连线，可通过逐行或逐列加偏置的方式，实现m×n个超表面单元的独立调控，最终实现二维波束扫描功能。由此设计，本发明能够在实现液晶超表面反射波束的二维扫描功能的前提下，大大减少液晶电压偏置所需连线，从而显著地降低结构复杂度，并提高实用性。
与传统技术相比，本发明实施例的优点主要有：
每个阵列单元都有两路方向互相垂直的电压偏置连线，只需把其中一路偏置电路连线连接的电路端口切换低成电平或高阻态，可以达到使能/失能的效果，从而实现阵列单元逐行/逐列地施加偏置。
通过短时间内逐行/逐列扫描式地对阵列单元施加外部偏置，可以达到对每个单元独立偏置一样的效果。因为对于某个单元来说，这种偏置方式下，只需保证每行/每列扫描一次的时间与脉冲宽度调制的周期一致，则上下金属镀膜电压变化跟脉冲宽度调制的效果是一样的。
由于是逐行/逐列扫描式地加偏置电压，所以不需要每个单元都独立外接偏置线，只需m+n路控制信号就可以独立控制m×n个超表面单元来实现二维波束动态扫描，可以极大地降低系统设计和加工的复杂性。
本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。
附图说明
图1为本发明实施例的基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列的结构示意图。
图2为本发明实施例的二维波束动态扫描阵列的剖面图。
图3为本发明实施例的由四个小阵列组合而成的二维波束动态扫描阵列的结构示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参阅图1和图2，本发明实施例提供一种基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，包括上层基板（如上层玻璃基板201）、下层基板（如下层玻璃基板205）、液晶上表面导电膜（如液晶上表面金属镀膜202）、液晶下表面导电膜（液晶下表面金属镀膜204）、液晶层203以及公共地（如金属地206），所述液晶上表面导电膜在所述上层基板的下表面形成上层谐振结构103和m条上层偏置电路连线，所述液晶下表面导电膜在所述下层基板的上表面形成下层谐振结构和n条下层偏置电路连线，所述下层偏置电路连线与所述上层偏置电路连线方向垂直，所述上层谐振结构和所述下层谐振结构形成在所述下层偏置电路连线上与所述上层偏置电路连线上的交叉处，每个上层谐振结构和对应的下层谐振结构及中间的液晶组成一个阵列单元，形成每个阵列单元可独立调控的m×n阵列，其中，m与n中至少一者不小于2；所述公共地为偏置电路接地端。该m×n阵列例如可以是16×16阵列或32×32阵列等，本发明对阵列单元的数量不作限制。另外，该m×n阵列的行列偏置电路连线的数量可以相同，也可以不同。
本发明的基于液晶超表面的二维波束动态扫描阵列中，设置方向垂直的m条上层偏置电路连线与n条下层偏置电路连线，上层谐振结构和下层谐振结构形成在所述下层偏置电路连线上与所述上层偏置电路连线上的交叉处，每个上层谐振结构和对应的下层谐振结构及中间的液晶组成一个阵列单元，从而形成其中的每个阵列单元可独立调控的m×n阵列，利用相互垂直的m+n偏置电路连线，可通过逐行或逐列加偏置的方式，实现m×n个超表面单元的独立调控，最终实现二维波束扫描功能。由此设计，本发明能够在实现液晶超表面反射波束的二维扫描功能的前提下，大大减少液晶电压偏置所需连线，从而显著地降低结构复杂度，并提高实用性。
在优选的实施例中，所述液晶上表面导电膜和所述液晶下表面导电膜为经刻蚀的金属镀膜。除了金属之外，所述导电膜也可以采用其他导电材料，如导电聚合物、透明导电氧化物等。
在优选的实施例中，所述上层基板和所述下层基板为玻璃基板。除了玻璃材料之外，也可以采用其他适于透过电磁波的材料来制作基板。
在优选的实施例中，所述公共地形成在所述下层基板的下表面。
在更优选的实施例中，形成在所述下层基板的下表面的公共地为金属地。作为偏置电路的公共接地端，形成在所述下层基板的下表面的金属地还可以减少电磁波的泄露和环境干扰，增强超表面阵列的鲁棒性，以及将所述金属地作为散热面使用。
在一些实施例中，可以通过对所述上层偏置电路连线和所述下层偏置电路连线施加直流电压信号或脉冲宽度调制信号，来改变对应的阵列单元处的液晶分子朝向进而改变液晶材料的介电常数。
在一些实施例中，可以通过将相应的偏置电路连线连接的电路端口切换低成电平或高阻态的方式来对阵列逐行或逐列地施加偏置。
参阅图3，在一些实施例中，基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列可以包括多个所述m×n阵列的组合，由此形成一个更大的阵列。
在优选的实施例中，所述液晶层为相位介电常数在2.5-10范围内的液晶材料，由此可以更好地形成微波毫米波二维波束动态扫描阵列。更优选地，所述液晶层的厚度为25-100微米。
以下进一步描述本发明具体实施例。
在一些实施例中，一种基于液晶超表面实现微波毫米波二维波束动态扫描的反射型超表面阵列，包括m×n个阵列单元。反射型超表面阵列包括上层玻璃基板、下层玻璃基板、液晶上表面金属镀膜、液晶下表面金属镀膜、液晶层以及金属地。所述液晶上表面金属镀膜刻蚀在上层玻璃基板的下表面，包括谐振结构和偏置电路连线；所述液晶下表面金属镀膜刻蚀在下层玻璃基板的上表面，包括谐振结构和偏置电路连线，所述偏置电路连线与液晶上表面金属镀膜的偏置电路连线方向垂直；所述金属地刻蚀在下层玻璃基板的下表面。每个阵列单元有两路互相垂直的偏置电路连线。通过给两路偏置电路连线加直流电压或脉冲宽度调制信号可以改变液晶分子朝向进而改变液晶材料的介电常数。只需把其中一路偏置电路连线连接的电路端口切换低成电平或高阻态，可以达到使能/失能的效果，从而实现阵列逐行/逐列地施加偏置。上述方案中，只需m+n路控制信号就可以独立控制m×n个超表面单元来实现二维波束动态扫描，可以极大地降低系统设计和加工的复杂性。
图1是本发明基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列的示意图。101表示液晶上表面金属镀膜连接的直流偏置触点；102表示液晶下表面金属镀膜连接的直流偏置触点；103表示液晶上表面金属镀膜的谐振结构；104表示液晶上表面金属镀膜的直流偏置连线部分；105表示液晶下表面金属镀膜，包括谐振结构和直流偏置连线部分，与上表面金属镀膜相互垂直，并且不在同一层。
图2是超表面阵列单元结构的剖面图。201表示上层玻璃基板，202表示液晶上表面金属镀膜，203表示液晶层，204表示液晶下表面金属镀膜，205表示下层玻璃基板，206表示金属地。
如图3所示，进一步地，可以将本发明实施例的四个基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列再度组合成一个大阵列。从而获得更大的波束调控自由度，而不会降低阵列单元本身的调控性能。
本发明中，超表面阵列的波束二维扫描功能是通过独立调控每个阵列单元的反射相位实现，而每个单元的反射相位调控是通过外加电压改变液晶层的介电常数来实现。
本发明中，阵列单元的个数没有限制，优选地，可以是16×16或32×32个单元，此时，用于改变液晶层介电常数的电压偏置线从一般的二维扫描超表面的数百个降低为数十个，大大降低加工难度和成本。
如图1所示，本发明中，阵列单元的液晶上表面和下表面金属镀膜的形状没有限制但是需要同层之间两两隔开，不同层之间相互垂直。优选地，液晶下表面金属镀膜可以是类似开缝的金属地。
本发明对液晶层材料没有限制，对液晶层厚度没有限制。优选地，可以选用相位介电常数在2.5-10范围内的微波毫米波专用液晶材料。较佳地，液晶层厚度可以取25-100微米。
与传统技术相比，本发明实施例的优点主要有：
每个阵列单元都有两路方向互相垂直的电压偏置连线，只需把其中一路偏置电路连线连接的电路端口切换低成电平或高阻态，可以达到使能/失能的效果，从而实现阵列单元逐行/逐列地施加偏置。
通过短时间内逐行/逐列扫描式地对阵列单元施加外部偏置，可以达到对每个单元独立偏置一样的效果。因为对于某个单元来说，这种偏置方式下，只需保证每行/每列扫描一次的时间与脉冲宽度调制的周期一致，则上下金属镀膜电压变化跟脉冲宽度调制的效果是一样的。
由于是逐行/逐列扫描式地加偏置电压，所以不需要每个单元都独立外接偏置线，只需m+n路控制信号就可以独立控制m×n个超表面单元来实现二维波束动态扫描，可以极大地降低系统设计和加工的复杂性。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。
Claims (10)
1.一种基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，其特征在于，包括上层基板、下层基板、液晶上表面导电膜、液晶下表面导电膜、液晶层以及公共地，所述液晶上表面导电膜在所述上层基板的下表面形成上层谐振结构和m条上层偏置电路连线，所述液晶下表面导电膜在所述下层基板的上表面形成下层谐振结构和n条下层偏置电路连线，所述下层偏置电路连线与所述上层偏置电路连线方向垂直，所述上层谐振结构和所述下层谐振结构形成在所述下层偏置电路连线上与所述上层偏置电路连线上的交叉处，每个上层谐振结构和对应的下层谐振结构及中间的液晶组成一个阵列单元，形成每个阵列单元可独立调控的m×n阵列，其中，m与n中至少一者不小于2；所述公共地为偏置电路接地端。
2.如权利要求1所述的基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，其特征在于，所述液晶上表面导电膜和所述液晶下表面导电膜为经刻蚀的金属镀膜。
3.如权利要求1所述的基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，其特征在于，所述上层基板和所述下层基板为玻璃基板。
4.如权利要求1所述的基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，其特征在于，所述公共地形成在所述下层基板的下表面。
5.如权利要求4所述的基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，其特征在于，所述公共地为金属地。
6.如权利要求1至5任一项所述的基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，其特征在于，通过对所述上层偏置电路连线和所述下层偏置电路连线施加直流电压信号或脉冲宽度调制信号，来改变对应的阵列单元处的液晶分子朝向进而改变液晶材料的介电常数。
7.如权利要求1至5任一项所述的基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，其特征在于，通过将相应的偏置电路连线连接的电路端口切换低成电平或高阻态的方式来对阵列逐行或逐列地施加偏置。
8.如权利要求1至5任一项所述的基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，其特征在于，包括多个所述m×n阵列。
9.如权利要求1至5任一项所述的基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，其特征在于，所述液晶层为相位介电常数在2.5-10范围内的液晶材料。
10.如权利要求9所述的基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，其特征在于，所述液晶层的厚度为25-100微米。
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