[發明專利]一種基于數字編碼液晶THz超表面天線及其波束重構方法

有效

• 申請號: 202010428106.7
• 申請日: 2020-05-20
• 公開（公告）號: CN111769359B
• 公開（公告）日: 2023-09-29
• 發明（設計）人: 蔣衛祥;王強;崔鐵軍
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01Q1/38
• 分類號: H01Q1/38;H01Q1/50;H01Q3/38;H01Q21/06
• 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

本發明公開了一種基于數字編碼液晶THz超表面天線及其波束重構方法，天線由m×n個超表面天線單元陣列組成；超表面天線單元包括上層玻璃介質基板、下層玻璃介質基板、刻蝕在上層玻璃介質基板上表面的超表面天線單元貼片、刻蝕在上層玻璃介質基板下表面的金屬地和刻蝕在下層玻璃介質基板上表面的移相器，金屬地和移相器之間旋涂液晶材料，移相器的電磁信號通過金屬地上的過孔耦合至超表面天線單元貼片；每個超表面天線單元由電磁波信號激勵源為其提供激勵。通過直流偏置電壓控制液晶介電常數的相對變化，提供不同相位數字編碼，對THz電磁波波束實現三種不同的功能，具有波束的可重構性，且成本低、質量輕、精度高、低剖面、設計簡單。

技術領域

本發明涉及新型人工電磁材料技術，特別是涉及一種基于數字編碼液晶THz超表面天線及其波束重構方法。

背景技術

超表面是由亞波長平面結構按照周期順序規律排布的二維超材料。類試組成物質中的分子，通過特殊的排布方式，能夠實現自然界的物質無法實現的電磁功能，例如，完美吸波、負折射、負介電常數等特性。相位數字編碼是目前對超表面實現波束操控常用的方法，由2014年崔鐵軍教授提出。通過簡單的將連續相位進行數字離散化，可以極大的減少原本所需要的移相器數量和TR組件，進而降低整個天線所需要的成本。使用數字bit位數就可以表征原來模擬的相位變化，同時也不需要更精細的變化。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，不同的bit可以實現不同的波束狀態，從而可實現可重構波束。

目前，數字編碼超表面主要應用在微波低頻段(8GHz左右)，再往更高的頻段就會由于半導體器件產生寄生效應，會造成損耗急劇增大和仿真與實測嚴重偏差。特別針對于THz頻段的可重構或者可調設備器件，由半導體寄生效應所帶來的損耗是無法估量的。

發明內容

發明目的：本發明的一個目的是提供了一款成本低、低剖面基于數字編碼THz超表面天線。

本發明的另一個目的是提供一種所述天線的波束重構方法。

技術方案：本發明的超表面天線，由m×n個超表面天線單元陣列組成，且每個超表面天線單元之間緊密貼合；超表面天線單元包括上層玻璃介質基板、下層玻璃介質基板、刻蝕在上層玻璃介質基板上表面的超表面天線單元貼片、刻蝕在上層玻璃介質基板下表面的金屬地和刻蝕在下層玻璃介質基板上表面的移相器，且金屬地和移相器之間旋涂液晶材料，移相器的電磁信號通過金屬地上的過孔耦合至超表面天線單元貼片；每個超表面天線單元由電磁波信號激勵源為其提供激勵。選擇由超表面天線單元組成天線陣，是因為其結構簡單、剖面低、亞波長尺寸方便周期排布。

優選的，超表面天線單元貼片為尺寸大小為0.1λ₀的方形貼片結構，λ₀為工作中心頻段的真空波長。

優選的，相鄰超表面天線單元上的超表面天線單元貼片間距在0.5λ₀～λ₀之間，λ₀為工作中心頻段的真空波長。超表面天線單元貼片間距過小會造成增益過低，過寬會出現柵瓣，兩者都會降低天線性能。

優選的，電磁波信號激勵源為功分網絡，該功分網絡包括m×n個饋電端口激勵，分別為m×n個超表面天線單元提供激勵，且饋電端口激勵采用一節四分之一波長微帶枝節進行匹配。THz電磁波通過功分網絡分配至每個移相器，再通過金屬地上的過孔耦合至超表面天線單元貼片中。

優選的，液晶材料的介電常數變化范圍為2.4～3.2，利用液晶對電磁敏感響應，使移相器產生相對的相位變化。

優選的，移相器采用螺旋線結構，可以減少占用的面積。

優選的，該超表面天線工作頻段在110GHz，即0.11THz。