[發明專利]一種一比特基于液晶數字式超表面及其諧振控制方法

在審

• 申請號: 201910409576.6
• 申請日: 2019-05-16
• 公開（公告）號: CN110071371A
• 公開（公告）日: 2019-07-30
• 發明（設計）人: 蔣衛祥;王強;張信歌;崔鐵軍
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01Q15/00
• 分類號: H01Q15/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 徐紅梅

本發明公開了一種一比特基于液晶數字式超表面及其諧振控制方法，超表面由上至下依次包括上層玻璃介質基板、液晶反射型人工電磁超表面、第一液晶分子定向層、液晶材料層、第二液晶分子定向層、負極地金屬塊層和下層玻璃介質基板，上層玻璃介質基板一端向外延伸，且延伸處下表面還設置有正極直流偏置電極引腳金屬塊，負極地金屬塊層和下層玻璃介質基板與正極直流偏置電極引腳金屬塊相對的另一端向外延伸，通過控制正極直流偏置電極引腳金屬塊和負極地金屬塊層之間偏置電壓的大小來改變液晶材料層的相對介電常數變化，以實現不同波束調控功能。本發明結構成本低、損耗小、質量輕、耐腐蝕、設計簡單，在雷達、全息成像等方面具有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明屬于新型人工電磁材料領域，涉及一種一比特基于液晶數字式超表面及其諧振控制方法。

背景技術

超材料是由一系列周期亞波長結構排布組成，能夠實現許多自然界材料所實現不能的電磁波操控特性，如完美吸波、電磁隱身、負折射、變化光學等等。在過去的幾十年，超材料主要為三維結構，該結構損耗大、成本高、制造難度大，不易集成，剖面高，在毫米波、太赫茲甚至更高頻段的實際應用受到限制。最近幾年提出了一類新型超薄超材料，即為超表面，改善了三維超材料的諸多不足。

與以往的等效媒質超材料理論不同，數字式超表面用比特的概念對相位或者幅度進行離散化表示，該理論與2014年被提出。通過類似數字信號的思想，將傳統的模擬連續相位進行離散化比特表示，如一比特數字編碼，0～2π中，每個離散的相位單位刻度為2π/2N，N為比特數，即表示數字子單元0與1可以表示0與π，用該離散化相位對超表面進行數字編碼，實現對電磁波散射，偏折，極化等狀態的調控，當然比特位數越多，所實現的精度會越高。通過有源器件對相位或者幅度編碼調控，達到實現簡化控制電磁波的效果。

一種常用可調方法是二極管等半導體器件，然而其天生存在寄生電容與電感會隨著頻率的增加逐漸變的明顯，會造成插入損耗增大，同時也會干擾電路仿真設計的可靠性與不易集成與控制；另一種常用可調微機電系統成本較高，響應時間也較長。因而通過采用液晶這種相變材料來調控數字超表面可以解決以上問題，同時大大的降低成本，只需要少量液晶就能實現一比特數字超表面控制。與現有的調控方法相比，液晶調控的方法為調控電磁波提供了創新性的方法。

發明內容

發明目的：本發明提供一種降低了設計簡便、成本低、損耗低、毫米波、低剖面的一比特液晶調控數字式超表面及其諧振控制方法。

技術方案：為實現上述發明目的，本發明采用以下技術方案：

一種一比特基于液晶數字式超表面，由上至下依次包括上層玻璃介質基板、液晶反射型人工電磁超表面、第一液晶分子定向層、液晶材料層、第二液晶分子定向層、負極地金屬塊層和下層玻璃介質基板，上層玻璃介質基板一端向外延伸，且延伸處下表面還設置有正極直流偏置電極引腳金屬塊，負極地金屬塊層和下層玻璃介質基板與正極直流偏置電極引腳金屬塊相對的另一端向外延伸，通過控制正極直流偏置電極引腳金屬塊和負極地金屬塊層之間偏置電壓的大小來改變液晶材料層的相對介電常數變化，以實現不同波束調控功能。

可選的，液晶反射型人工電磁超表面包括m×m個陣列排布的數字子單元，每個數字子單元由n×n個陣列排布的超級數字子單元構成，同行的各超級數字子單元通過導線串聯連接，奇數行或偶數行數字子單元連接至正極直流偏置電極引腳金屬塊。

可選的，第一液晶分子定向層包括與數字子單元相對應的陣列排布的液晶分子定向單元。

可選的，第一液晶分子定向層和第二液晶分子定向層為液晶材料分子錨定初始方向。

可選的，正極直流偏置電極引腳金屬塊、負極地金屬塊、數字子單元和數字子單元串聯導線均采用光刻蝕在上層玻璃介質基板材料和下層玻璃介質基板材料上。

可選的，超級數字子單元均為正方形。