CN112952392B - 一种液晶调控太赫兹数字可编程超表面 - Google Patents

Abstract

本发明是一种液晶调控太赫兹数字可编程超表面，其单元结构主要由介质衬底、金属超表面单元结构、向列相液晶层、聚合物薄膜取向层和金属背板构成，设计工作频率处于太赫兹区。其中介质衬底为柔性超薄玻璃，金属超表面单元结构为互补型谐振环结构。液晶微槽选材为SU‑8，可以有效隔开液晶，逐列加载偏置电压。该结构基于新型人工电磁材料，可以通过加载偏置电压调节液晶层的介电常数，从而调控功能单元的反射相位及超表面阵列的相位分布，进而操控反射电磁波的远场波束特性。这是一种可重构、可编程的人工电磁表面，且具有尺寸小、重量轻等优点，因此在太赫兹波束扫描及成像方面具有很好的应用前景。

Description

一种液晶调控太赫兹数字可编程超表面

技术领域

本发明涉及一种基于超薄玻璃基片和液晶微槽构筑的液晶调控太赫兹数字可编程超表面的工作原理、设计方法与应用技术，属于新型人工电磁材料的技术领域。

背景技术

近年来，人工电磁表面(超表面)的物理机理、器件设计和潜在应用吸引了广泛的研究兴趣。超表面单元通常具有深亚波长厚度，通过设计相邻单元之间的相位梯度(不连续分布)，以实现对电磁波波前、振幅、相位和极化等性质的操控。得益于超表面体积小、重量轻、成本低、便于加工与应用等优势，采用超表面方案可以设计超轻超薄、易共形的太赫兹器件，且更加有利于工程化和实用化。

数字编码超材料(或超表面)通常根据单元响应相位(或振幅)的不同进行二进制编码(如1-bit编码，则相位为0°和180°的两种单元对应的数字编码为0和1；再如2-bit编码，相位为0°、90°、180°和270°的四种单元对应的数字编码为00、01、10和11)，设计超材料时只需要根据功能需求设计编码图案即可，这极大地简化了超材料的设计过程。进一步地，通过在超材料中引入半导体元件(如开关二极管)以调控单元的相位响应，同时结合现场可编程门阵列(FPGA)可以实现编码序列和远场方向图的实时操控。

在太赫兹频段，单元几何尺寸减小至百微米量级，由于尺寸限制和寄生效应，采用二极管调控超材料单元的方式难以实施。对电磁波束的实时调控只能通过一些特殊的功能材料、微机械结构等方式来完成，二氧化钒、液晶和石墨烯是常用的可调谐材料。其中，液晶材料具其良好的宽带光学各向异性和电光调制特性，其器件的研发正从短波波段逐渐向长波方向(如太赫兹波段)延伸。基于液晶材料开发了一系列的太赫兹器件，包括太赫兹相位调制器、连续可调谐波片和空间光调制器等。本发明提出的方式，即在金属单元结构中引入液晶材料，采用电控的方法控制液晶分子的取向来改变液晶层的介电常数，进而改变单元的谐振特性和反射特性以实现“0”、“1”编码，具有很大的创新性以及可行性。

发明内容

技术问题：本发明提供了一种基于超薄玻璃基片和液晶微槽构筑的液晶调控太赫兹数字可编程超表面，这种电控可编程太赫兹超表面具有尺寸小、重量轻、功能可调等优点，因此具有很好的应用前景。

技术方案：本发明的一种液晶调控太赫兹数字可编程超表面由单元结构组成的阵列构成，该单元结构是由中间贴片和外侧环形贴片以及连接中间贴片和外侧环形贴片的四条金属线构成，中间贴片四条边的每一条边分别通过一条金属线与外侧的环形贴片的一条边连接，单元结构的层状结构顺序为介质衬底、金属超表面单元结构、第一聚合物薄膜取向层、向列相液晶层、第二聚合物薄膜取向层、金属地层和硅衬底；其中，金属超表面单元结构是一种金属谐振环互补结构，金属地层和硅衬底构成金属背板，是一种反射式的超表面；金属谐振环与金属背板中间是向列相液晶层，液晶分子的初始取向由第一聚合物薄膜取向层、第二聚合物薄膜取向层确定。

所述金属谐振环互补结构所用材料为金。

所述金属背板所用材料为沉积金膜的硅片。

所述超表面设计工作频率处于太赫兹区。

所述向列相液晶层为由向列相液晶分子混合物所制成的液晶层，液晶分子的初始取向由聚合物薄膜取向层确定。

所述介质衬底作为制备超表面结构的基板材料，采用一种柔性超薄氟玻璃作为介质衬底，其介电常数为5.0，损耗角正切为0.05，最小厚度为30微米，厚度越小越有利于获得较大的工作带宽和较小的损耗。

所述金属谐振环结构和金属背板分别作为施加偏置电压的正负极；通过调节偏置电压改变液晶分子的空间取向，进而动态调控液晶的介电常数。

通过设计不同的太赫兹超表面编码图案得到不同的远场方向图。

所述超表面，为了实现超表面单元编码态的逐列实时可控，在超表面单元之间设有液晶微槽，其选材为SU-8光刻胶，槽壁宽度为30微米，高度与液晶层厚度相同；通过液晶微槽隔开各列液晶并对其独立施加偏置电压，进而调控其介电性能。

所述超表面采用现场可编程门阵列FPGA对电压分布进行实时操控，实现反射相位分布的可重构，进而实现对电磁波束的灵活调控，实现基于超薄玻璃基片和液晶微槽构筑的电磁超表面是一种可编程超表面。

有益效果：

1.本发明报道一种基于超薄玻璃基片和液晶微槽构筑的液晶调控太赫兹数字可编程超表面，相比于现有的编码超表面，具有电控可编程、可重构的特点。

2.本发明以一种柔性的超薄玻璃为介质衬底，在其上面制备了超薄的金属结构，因此相比于传统的超材料器件具有超薄、体积小、重量轻等优点，且有利于获得较大的工作带宽。

3.本发明采用SU-8材料构筑了液晶微槽阵列，可以有效隔开各列液晶，实现超材料阵列的逐列调控，并且可以使液晶在偏置电压作用下偏转更充分，增大超材料的相位相控范围，进而有效提升超表面阵列的远场调控特性。

附图说明

图1单元结构示意图。单元在x与y方向整体尺寸均为p，金属谐振环的宽度和高度均为a，金属线宽度和开口宽度均为w。

图2单元结构侧向示意图。结构从右至左依次为：介质衬底1、金属超表面单元结构2、第一聚合物薄膜取向层3、向列相液晶层4、第二聚合物薄膜取向层5、金属地层6和硅衬底7。柔性超薄玻璃的厚度为T’，金属谐振环结构的厚度为h，聚酰亚胺薄膜的厚度为l，液晶层的厚度为d，金属金属地层的厚度为H，硅衬底厚度为T，液晶分子的初始光轴方向沿着y轴。

图3是超表面阵列天线和相应的液晶槽结构示意图。作为示例，液晶槽的间距是单元周期的两倍，因此是每两列超表面单元独立控制。

图4是液晶层介电常数分别为2.55(0态)和3.65(1态)时的反射系数S11幅度曲线。

图5是液晶层介电常数分别为2.55(0态)和3.65(1态)时的反射系数S11相位曲线。

图6为编码序列为00110011…/00110011…编码超表面的三维远场散射方向图，工作频率为0.56THz。

图7为编码序列为000111000111…/000111000111…编码超表面的三维远场散射方向图，工作频率为0.56THz。

具体实施方式

本发明基于超薄玻璃基片和液晶微槽构筑的液晶调控太赫兹数字可编程超表面，其单元结构如图1所示，主要由介质衬底、金属超表面单元结构、向列相液晶层、聚合物薄膜取向层和金属背板构成，设计工作频率处于太赫兹区。本发明选择的超表面单元是一种谐振环互补结构(如图1所示)，所用材料为金。金属背板所用材料为沉积金膜的硅片，可以有效抑制太赫兹电磁波的透射，因此这是一种反射式的人工电磁表面。金属谐振环和金属背板中间是向列相液晶分子混合物所制成的液晶层，液晶分子的初始取向由聚合物薄膜取向层确定，如图2所示。进一步地，介质衬底作为制备超表面结构的基板材料，其厚度越小越有利于获得较大的工作带宽和较小的损耗。本发明采用一种柔性超薄氟玻璃作为介质衬底，其介电常数为5.0，损耗角正切为0.05，最小厚度可以达到30微米。

这种基于超薄玻璃基片和液晶微槽构筑的液晶调控太赫兹数字可编程超表面的工作原理如下。金属谐振环结构和金属背板分别作为施加偏置电压的正负极。在太赫兹波垂直于谐振环平面、电场分量平行于液晶分子光轴方向(TM波模式)的入射条件下，若在谐振环和金属背板上施加一定电压，液晶的介电常数为一特定值，此时单元结构的谐振频率ω1，反射参数为S11(1)。增加偏置电压大小，液晶分子的光轴方向发生偏转，液晶层的介电常数发生改变，因此单元结构的谐振性质发生变化，谐振频率移动到ω2，反射参数为S11(2)。选择合适的工作频段，使得在两种状态下，单元的反射振幅相近，而相位相差180°，由此可以获得两种基本的编码，分别标记为“0”和“1”。

将不同的编码单元排成特定的序列，则可以获得一定功能的超表面，实现太赫兹波束的灵活操控。此处，一个关键的技术是编码态“0”和“1”的实时切换，而由于液晶是流体，不易对各列液晶独立施加偏置电压。本发明设计了如图3所示的液晶槽，其选材为SU-8材料，通过液晶槽将液晶逐列隔开，独立施加偏置电压并调控介电常数。采用现场可编程门阵列(FPGA)对电压分布进行实时操控，可以实现反射相位分布的可重构，进而实现对电磁波束的调控，因此是一种可编程的超表面。

实施例1：如图1所示的结构单元，在x与y方向的周期均为p＝200μm，金属谐振环的宽度和高度均为a＝170μm，金属线宽度和开口宽度均为w＝16μm。金属谐振环的厚度h和金属地层的厚度H均为300nm，液晶层的厚度为d＝45μm，上下两层聚酰亚胺薄膜的厚度为l＝100nm，柔性超薄玻璃的厚度为T’＝30μm，硅衬底厚度为T＝500μm。在未加载偏置电压时，液晶层的介电常数为2.55，当偏置电压增加到5V，其介电常数约为3.65。

采用CST微波工作室对上述单元进行电磁仿真，得到的S参数如附图4和5所示。由图可知，在0.56THz附近，两种状态下的反射系数S11振幅部分非常接近，均为0.54左右，而相位则相差179°，符合前述的编码超表面中“0”态和“1”态的要求。

电磁波垂直入射时，当超表面天线的编码序列为00110011…/00110011…时，采用CST全波仿真方式分析其远场波束。TM波模式下(电场延x方向)，工作频率为0.56THz时，超表面的三维远场散射方向图如图6所示。由图可知，正反射波束得到了显著抑制，且变成两个斜角度的散射波束，散射束与z轴所成的角度为42.0°。

实施例2：如图1所示的结构单元，在x与y方向的周期均为p＝200μm，金属谐振环的宽度和高度均为a＝170μm，金属线宽度和开口宽度均为w＝16μm。金属谐振环的厚度h和金属地层的厚度H均为300nm，液晶层的厚度为d＝45μm，上下两层聚酰亚胺薄膜的厚度为l＝100nm，柔性超薄玻璃的厚度为T’＝30μm，硅衬底厚度为T＝500μm。在未加载偏置电压时，液晶层的介电常数为2.55，当偏置电压增加到5V，其介电常数约为3.65。在0.56THz附近，两种加载条件下，单元的相位响应相差180°且幅度相近，由此得到“0”和“1”两种编码单元。

电磁波垂直入射时，当超表面天线的编码序列为000111000111…/000111000111…时，采用CST全波仿真方式分析其远场波束。TM波模式下(电场延x方向)，工作频率为0.56THz时，超表面的三维远场散射方向图如图7所示。由图可知，正反射波束得到了显著抑制，且变成两个斜角度的散射波束，散射束与z轴所成的角度为26.0°。

实施例3：如图1所示的结构单元，在x与y方向的周期均为p＝200μm，金属谐振环的宽度和高度均为a＝170μm，金属线宽度和开口宽度均为w＝16μm。金属谐振环的厚度h和金属地层的厚度H均为300nm，液晶层的厚度为d＝45μm，上下两层聚酰亚胺薄膜的厚度为l＝100nm，柔性超薄玻璃的厚度为T’＝30μm，硅衬底厚度为T＝500μm。在未加载偏置电压时，液晶层的介电常数为2.55，当偏置电压增加到5V，其介电常数约为3.65。在0.56THz附近，两种加载条件下，单元的相位响应相差180°且幅度相近，由此得到“0”和“1”两种编码单元。

电磁波垂直入射时，当超表面天线的编码序列为00110011…/00110011…时，采用CST全波仿真方式分析其远场波束。TM波模式下(电场延x方向)，工作频率偏离优化频率，分别为0.555THz和0.565THz时，超表面的正反射波束的抑制效果仍然比较显著(与斜角度的异常反射波束的能量差超过10dB)，异常散射束与z轴所成的角度分别为42.5°和41.5°。

Claims (9)

1.一种液晶调控太赫兹数字可编程超表面，其特征在于该超表面由单元结构组成的阵列构成，是一种反射式的超表面，该单元结构的层状结构顺序为介质衬底（1）、金属超表面单元结构（2）、第一聚合物薄膜取向层（3）、向列相液晶层（4）、第二聚合物薄膜取向层（5）、金属地层（6）和硅衬底（7）；该金属超表面单元结构（2）是一种金属谐振环互补结构由中间贴片和外侧环形贴片以及连接中间贴片和外侧环形贴片的四条金属线构成，中间贴片四条边的每一条边分别通过一条金属线与外侧的环形贴片的一条边连接，金属地层（6）和硅衬底（7）构成金属背板；金属谐振环互补结构与金属背板中间是向列相液晶层（4），液晶分子的初始取向由第一聚合物薄膜取向层（3）、第二聚合物薄膜取向层（5）确定；

所述介质衬底（1）作为制备超表面结构的基板材料，采用一种柔性超薄氟玻璃作为介质衬底，其介电常数为5.0，损耗角正切为0.05，厚度为30微米。

2.根据权利要求1所述的液晶调控太赫兹数字可编程超表面，其特征在于所述金属谐振环互补结构所用材料为金。

3.根据权利要求1所述的液晶调控太赫兹数字可编程超表面，其特征在于所述金属背板所用材料为沉积金膜的硅片。

4.根据权利要求1所述的液晶调控太赫兹数字可编程超表面，其特征在于所述超表面设计工作频率处于太赫兹区。

5.根据权利要求1所述的液晶调控太赫兹数字可编程超表面，其特征在于所述向列相液晶层（4）为由向列相液晶分子混合物所制成的液晶层，液晶分子的初始取向由聚合物薄膜取向层确定。

6.根据权利要求1所述的液晶调控太赫兹数字可编程超表面，其特征在于所述金属谐振环互补结构和金属背板分别作为施加偏置电压的正负极；通过调节偏置电压改变液晶分子的空间取向，进而动态调控液晶的介电常数。

7.根据权利要求1所述的液晶调控太赫兹数字可编程超表面，其特征在于通过设计不同的太赫兹超表面编码图案得到不同的远场方向图。

8.根据权利要求7所述的液晶调控太赫兹数字可编程超表面，其特征在于为了实现超表面单元编码态的逐列实时可控，在超表面单元之间设有液晶微槽，其选材为SU-8光刻胶，槽壁宽度为30微米，高度与液晶层厚度相同；通过液晶微槽隔开各列液晶并对其独立施加偏置电压，进而调控其介电性能。

9.根据权利要求8所述的液晶调控太赫兹数字可编程超表面，其特征在于所述超表面采用现场可编程门阵列FPGA对电压分布进行实时操控，实现反射相位分布的可重构，进而实现对电磁波束的灵活调控，实现基于超薄玻璃基片和液晶微槽构筑的可编程电磁超表面。

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