CN209766650U - 一种一比特基于液晶数字式超表面 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种一比特基于液晶数字式超表面，超表面由上至下依次包括上层玻璃介质基板、液晶反射型人工电磁超表面、第一液晶分子定向层、液晶材料层、第二液晶分子定向层、负极地金属块层和下层玻璃介质基板，上层玻璃介质基板一端向外延伸，且延伸处下表面还设置有正极直流偏置电极引脚金属块，负极地金属块层和下层玻璃介质基板与正极直流偏置电极引脚金属块相对的另一端向外延伸，通过控制正极直流偏置电极引脚金属块和负极地金属块层之间偏置电压的大小来改变液晶材料层的相对介电常数变化，以实现不同波束调控功能。本实用新型成本低、损耗小、质量轻、耐腐蚀、设计简单，在雷达、全息成像等方面具有广泛的应用前景。

Description

一种一比特基于液晶数字式超表面

技术领域

本实用新型属于新型人工电磁材料领域，涉及一种一比特基于液晶数字式超表面。

背景技术

超材料是由一系列周期亚波长结构排布组成，能够实现许多自然界材料所实现不能的电磁波操控特性，如完美吸波、电磁隐身、负折射、变化光学等等。在过去的几十年，超材料主要为三维结构，该结构损耗大、成本高、制造难度大，不易集成，剖面高，在毫米波、太赫兹甚至更高频段的实际应用受到限制。最近几年提出了一类新型超薄超材料，即为超表面，改善了三维超材料的诸多不足。

与以往的等效媒质超材料理论不同，数字式超表面用比特的概念对相位或者幅度进行离散化表示，该理论与2014年被提出。通过类似数字信号的思想，将传统的模拟连续相位进行离散化比特表示，如一比特数字编码，0～2π中，每个离散的相位单位刻度为2π/2N，N为比特数，即表示数字子单元0与1可以表示0与π，用该离散化相位对超表面进行数字编码，实现对电磁波散射，偏折，极化等状态的调控，当然比特位数越多，所实现的精度会越高。通过有源器件对相位或者幅度编码调控，达到实现简化控制电磁波的效果。

一种常用可调方法是二极管等半导体器件，然而其天生存在寄生电容与电感会随着频率的增加逐渐变的明显，会造成插入损耗增大，同时也会干扰电路仿真设计的可靠性与不易集成与控制；另一种常用可调微机电系统成本较高，响应时间也较长。因而通过采用液晶这种相变材料来调控数字超表面可以解决以上问题，同时大大的降低成本，只需要少量液晶就能实现一比特数字超表面控制。与现有的调控方法相比，液晶调控的方法为调控电磁波提供了创新性的方法。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型提供一种降低了设计简便、成本低、损耗低、毫米波、低剖面的一比特液晶调控数字式超表面。

技术方案：为实现上述实用新型目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种一比特基于液晶数字式超表面，由上至下依次包括上层玻璃介质基板、液晶反射型人工电磁超表面、第一液晶分子定向层、液晶材料层、第二液晶分子定向层、负极地金属块层和下层玻璃介质基板，上层玻璃介质基板一端向外延伸，且延伸处下表面还设置有正极直流偏置电极引脚金属块，负极地金属块层和下层玻璃介质基板与正极直流偏置电极引脚金属块相对的另一端向外延伸，正极直流偏置电极引脚金属块、液晶反射型人工电磁超表面和负极地金属块层之间形成直流闭合回路。

可选的，液晶反射型人工电磁超表面包括m×m个阵列排布的数字子单元，每个数字子单元由n×n个阵列排布的超级数字子单元构成，同行的各超级数字子单元通过导线串联连接，奇数行或偶数行数字子单元连接至正极直流偏置电极引脚金属块。

可选的，对奇数行或偶数行数字子单元加载偏置电压，液晶反射型人工电磁超表面呈现不同的编码序列，从而动态实现不同波束调控功能。

可选的，在工作频段内，改变正极直流偏置电极引脚金属块和负极地金属块层之间偏置电压的大小，超级数字子单元呈现反射相位差约为180°的两种不同状态；初始状态用数码“0”表示，与初始状态相差180°状态用数码“1”表示。

可选的，第一液晶分子定向层包括与数字子单元相对应的阵列排布的液晶分子定向单元。

可选的，第一液晶分子定向层和第二液晶分子定向层为液晶材料分子锚定初始方向，进而为超级数字子单元锚定初始数码状态。

可选的，正极直流偏置电极引脚金属块、负极地金属块、数字子单元和数字子单元串联导线均采用光刻蚀在上层玻璃介质基板材料和下层玻璃介质材料上。

可选的，超级数字子单元均为正方形。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

现有的电调控数字式超表面大多采用半导体器件，其工作频段较低，通常工作在微波频段，这就十分局限超材料设备应用，同时由于半导体器件天生带有寄生电容与电感，这些电抗所带来的影响会随着频率增加而急剧放大，例如损耗增大，频率增大等等。这些不利的因素都会给数字超表面设计可行性和实用性带来巨大的影响。

本实用新型构建了一种液晶调控的数字式超表面，与现有电调控的数字式超表面相比，液晶调控数字式超表面可以工作在毫米波和太赫兹频段，同时简化馈电网路设计，不用采取介质打孔连接，布线简单与易于集成，同时损耗低。

本实用新型的一比特液晶数字式超表面具有宽带特性，数字子单元上下加载液晶材料，它的介电常数可以随着外部偏置电压连续可调，可在较宽的频带范围内实现0-360°相位差，这是目前所有电调都无法实现的，同时也是第一个能基于液晶实现一比特动态可调数字式超表面。

本实用新型的一比特液晶数字式超表面设计简便、加工成本低，数字子单元的尺寸小，结构简单，有良好的通用性，通过改变数字子单元结构的尺寸便可设计在不同工作频点，易于推广应用。

附图说明

图1(a)为本实用新型实施例中一比特液晶反射式数字超表面的整体结构俯视示意图；

图1(b)为本实用新型实施例中由3×3个数字子单元组成的一个超级数字子单元；

图1(c)是本实用新型实施例中一比特液晶数字编码超表面整体结构侧视示意图；

图2(a)是本实用新型实施例中液晶相位材料的相对介电常数ε_r,LC随着直流偏置电压V变化的实际测试曲线；

图2(b)是实用新型实施例中超级数字子单元在不同偏置电压下液晶材料时“0”状态和“1”状态的反射S参数曲线相位和幅度随频率变化的仿真曲线；

图3(a)是本实用新型实施例中一比特基于液晶数字式超表面在32.5GHz，数字编码序列为“0000”时得到的3维立体远场反射波束方向图结果仿真示意图，图3(b)是本实用新型实施例中一比特基于液晶数字式超表面在32.5GHz，数字编码序列为“1010”时得到的3维立体远场反射波束方向图结果仿真示意图；

图4(a)为本实用新型实施例中一比特液晶数字式超表面在32.5GHz、偏置电压V＝0v，编码序列为“0000”时得到的2维平面反射波束极坐标方向图的实验结果示意图，图4(b)为本实用新型实施例中一比特液晶数字式超表面在32.5GHz、偏置电压V＝8v，编码序列为“1010”时得到的2维平面反射波束极坐标方向图的实验结果示意图；

图中：正极直流偏置电极引脚金属块1，连接数字子单元的导线2，负极地金属块3，数字子单元4，液晶材料层5，上层玻璃介质基板6，下层玻璃介质基板7，液晶分子定向层8，超级数字子单元9。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本实用新型作进一步的说明。

本实用新型设计并制作了一种一比特液晶数字式超表面，通过控制外接直流电源开关控制偏压电压可以实现多种编码序列。如图1(a)至图1(c)所示，本实用新型的一比特液晶数字式编码超表面，由上至下依次包括上层玻璃介质基板、液晶反射型人工电磁超表面、第一液晶分子定向层、液晶材料层、第二液晶分子定向层、负极地金属块层和下层玻璃介质基板，上层玻璃介质基板一端向外延伸，且延伸处下表面还设置有正极直流偏置电极引脚金属块，负极地金属块层和下层玻璃介质基板与正极直流偏置电极引脚金属块相对的另一端向外延伸，正极直流偏置电极引脚金属块、液晶反射型人工电磁超表面和负极地金属块层之间形成直流闭合回路。

液晶反射型人工电磁超表面包括m×m个阵列排布的数字子单元，其中m为数字子单元4的行数和列数；每个数字子单元由n×n个阵列排布的超级数字子单元构成，其中n为数字子单元中超级数字子单元的列数和行数，同行的各超级数字子单元通过导线串联连接，奇数行或偶数行数字子单元连接至正极直流偏置电极引脚金属块(如图1(a)所示，本实用新型实施例中为第一行和第三行数字子单元与正极直流偏置电极引脚金属块相连接)。通过控制偏置电压的大小来改变液晶材料的相对介电常数变化，每一个超级数字子单元编码只受其下方液晶区域控制。

液晶材料的正极(正极直流偏置电极引脚金属块)通过与需要提供偏置电压的超级数字子单元相连的导线与负极地金属块层相连接，形成直流闭合回路。在工作频段内，通过液晶分子定向层8来对液晶分子旋转方向进行预设方向设定，通过控制正极直流偏置电极引脚金属块和负极地金属块层之间偏置电压的大小，控制液晶材料层相对介电常数，超级数字子单元呈现反射相位差约为180°的两种不同状态。超级数字子单元的两种状态用不同的数字进行表征，初始状态用数码“0”表示，与初始状态相差180°状态用数码“1”表示。对奇数行或偶数行数字子单元进行整行控制，使得液晶反射型人工电磁超表面呈现不同的编码序列，从而动态实现不同波束调控功能。液晶分子定向层为液晶材料层锚定初始方向，进而为超级数字子单元锚定初始方向。

本实用新型中，液晶材料型号为默克液晶；玻璃介质基板型号为BF33，为金属提供支撑位置；导线为液晶提供偏置电压；液晶分子定向层的材料为聚酰亚胺尼龙；超级数字子单元为正方形，材质为金属铜。

如图1(a)所示，本实施例中，液晶反射型人工电磁超表面包括4×4个数字子单元4，如图1(b)所示，每个数字子单元4由3×3个亚波长大小的超级数字子单元9组成。图2(a)为本实用新型中所使用的液晶材料相对变化介电常数的随偏置电压变化测试示意图，图2(b)为图1(b)超级数字子单元在图2(a)液晶相对介电常数变化下的反射相位和曲线图。通过选取工作频段在32.5GHz，相位差约为180°的两种状态响应，当液晶材料的相对介电常数ε_r,LC＝2.4时，数字子单元4为“0”状态，ε_r,LC＝3.2时，数字子单元4为“1”状态。为了简化馈电，我们将“1”状态用导线2连接起来，即图1(a)第一行与第三行不加电为“0”状态，加电为“1”状态；第二与第四行不需要加电压，实验工程始终为“0”状态，此时就构成两种编码序列“0000”与“1010”来证明液晶控制数字编码超材料的可行性，为了验证本实用新型所设计的一比特液晶数字式超表面，通过数值仿真CST软件进行了仿真。如图3(a)为仿真反射式液晶数字超表面“0000”的3维远场波束方向图结果，只有一个主波束，方向指向Z轴；当改变介电常数达到实现编码为“1010”序列时，仿真结果如图3(b)所示，主波束均匀分裂为大小一样的两个3维反射波束。在实验测试中，我们采用工作频段22-33GHz频段，标准参考增益为20dBi的角锥喇叭天线作为平面波发生器，均匀照射在一比特液晶数字反射超表面上。测量结果表明，当偏置直流电压为0V时，编码序列为“0000”。波束不做任何变化，直接反射回来，如图4(a)所示，为仿真和测试二维极坐标反射波束方向图；当改变直流偏置电压为8V时，此时超级子单元贴片相差达到180°左右，编码序列为“1010”，测试结果如图4(b)所示，反射波有两个主波束，出现在±22.5°附近。一比特液晶反射式数字超表面的反射波束与实线表示的仿真结果吻合良好，进一步验证了液晶数字式超表面技术的可行性和正确性。

本实用新型中液晶材料层5内嵌在上层玻璃介质基板材料和下层玻璃介质基板材料中，液晶材料与数字式反射型人工电磁表面中数字子单元4和负极地金属块3连为一体。每个液晶区域覆盖一个数字子单元。通过控制外置直流电压大小来调节液晶材料相对介电常数的变化，液晶区域覆盖的一个数字子单元呈现不同的反射相位，通过选取数字子单元相位差约为180°的两种状态，用数字数码“0”和“1”表示，从而实现一比特数字编码超表面，对电磁波束实现各种操控功能。本实用新型解决了现有数字式超表面控制方式单一的不足，且与现有电控的方法相比，液晶的方法提高了工作频段，降低了系统的设计的复杂度，具有成本低，损耗小，低剖面，耐腐蚀，设计简单等优点，在雷达，无线卫星通信，全息成像等方面都有十分巨大的应用前景。

Claims (8)

1.一种一比特基于液晶数字式超表面，其特征在于：由上至下依次包括上层玻璃介质基板、液晶反射型人工电磁超表面、第一液晶分子定向层、液晶材料层、第二液晶分子定向层、负极地金属块层和下层玻璃介质基板，上层玻璃介质基板一端向外延伸，且延伸处下表面还设置有正极直流偏置电极引脚金属块，负极地金属块层和下层玻璃介质基板与正极直流偏置电极引脚金属块相对的另一端向外延伸，正极直流偏置电极引脚金属块、液晶反射型人工电磁超表面和负极地金属块层之间形成直流闭合回路。

2.根据权利要求1所述的一种一比特基于液晶数字式超表面，其特征在于：液晶反射型人工电磁超表面包括m×m个阵列排布的数字子单元，每个数字子单元由n×n个阵列排布的超级数字子单元构成，同行的各超级数字子单元通过导线串联连接，奇数行或偶数行数字子单元连接至正极直流偏置电极引脚金属块。

3.根据权利要求2所述的一种一比特基于液晶数字式超表面，其特征在于，对奇数行或偶数行数字子单元加载偏置电压，液晶反射型人工电磁超表面呈现不同的编码序列，从而动态实现不同波束调控功能。

4.根据权利要求1所述的一种一比特基于液晶数字式超表面，其特征在于：在工作频段内，改变正极直流偏置电极引脚金属块和负极地金属块层之间偏置电压的大小，超级数字子单元呈现反射相位差约为180^°的两种不同状态；初始状态用数码“0”表示，与初始状态相差180^°状态用数码“1”表示。

5.根据权利要求1所述的一种一比特基于液晶数字式超表面，其特征在于：第一液晶分子定向层包括与数字子单元相对应的阵列排布的液晶分子定向单元。

6.根据权利要求1所述的一种一比特基于液晶数字式超表面，其特征在于：第一液晶分子定向层和第二液晶分子定向层为液晶材料分子锚定初始方向，进而为超级数字子单元锚定初始数码状态。

7.根据权利要求1所述的一种一比特基于液晶数字式超表面，其特征在于：正极直流偏置电极引脚金属块、负极地金属块、数字子单元和数字子单元串联导线均采用光刻蚀在上层玻璃介质基板材料和下层玻璃介质材料上。

8.根据权利要求1所述的一种一比特基于液晶数字式超表面，其特征在于：超级数字子单元均为正方形。