CN113381193A - 一种液晶可重构频率选择表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液晶可重构频率选择表面。所述选择表面包括单层液晶可重构频率选择表面和双层液晶可重构频率选择表面，所述双层液晶可重构频率选择表面由两组单层液晶可重构频率选择表面通过支撑层的支撑叠加形成，所述单层液晶可重构频率选择表面由单元结构周期排布而成，所述单元结构包括上层基板(1)、上矩形金属环(12)、液晶(2)、下矩形金属环(13)和下层基板(3)，所述上层基板(1)、上矩形金属环(12)、液晶(2)、下矩形金属环(13)和下层基板(3)从上到下依次叠加设置，所述上矩形金属环(12)和下矩形金属环(13)分别蚀刻S型缝隙(11)。本发明具有小型化、大调谐率和通带方波化特性的优势。

Description

一种液晶可重构频率选择表面
技术领域
本发明属于微波器件工程技术领域；具体涉及一种液晶可重构频率选择表面。
背景技术
频率选择表面是一种由谐振型或非谐振型单元组成的具有带通特性或带阻特性的周期阵列，广泛应用于天线、雷达和无线通信等领域。现有可重构频率选择表面主要通过在结构胞元中加载变容二极管、铁电体、石墨烯或者液晶的方法来实现。变容二极管的优点在于调谐范围大、设计方法简单，但受封装引线电感的影响，只能工作在微波低频段(X波段以下)。铁电体和石墨烯虽然可工作在Ku以上波段，但受限于制备工艺，无论是铁电体薄膜还是石墨烯薄膜的电磁一致性都无法保证。
液晶是一种各向异性的材料，作为一种单轴晶体，其分子长轴具有一个固定的指向，在外加电场或磁场的作用下，液晶分子的长轴指向将发生偏转，从而引起液晶宏观介电常数发生变化。这样的特性使加载液晶的频率选择表面具备电调谐能力。相比于变容二极管、铁电体以及石墨烯，液晶可重构频率选择表面具有工作频率范围宽(从低频到太赫兹)、调谐率高及性能稳定等诸多优点。然而现有的液晶可重构频率选择表面存在调谐率低、结构单元尺寸大(导致角度稳定性差)、不具备方波化滤波特性等问题，以至于无法应用。
发明内容
本发明提供一种液晶可重构频率选择表面，针对目前液晶可重构频率选择表面调谐率小，结构单元尺寸大、且不具备方波化滤波特性的问题，具备小型化、大调谐率和通带方波化特性的液晶可重构频率选择表面。
本发明通过以下技术方案实现：
一种液晶可重构频率选择表面，所述选择表面包括单层液晶可重构频率选择表面和双层液晶可重构频率选择表面，所述双层液晶可重构频率选择表面由两组单层液晶可重构频率选择表面通过支撑层的支撑叠加形成，所述单层液晶可重构频率选择表面由单元结构周期排布而成，所述单元结构包括上层基板1、上矩形金属环12、液晶2、下矩形金属环13和下层基板3，所述上层基板1、上矩形金属环12、液晶2、下矩形金属环13和下层基板3从上到下依次叠加设置，所述上矩形金属环12和下矩形金属环13分别蚀刻S型缝隙11。
进一步的，所述上矩形金属环12的S型缝隙11与下矩形金属环13的S型缝隙11呈180°旋转对称。
进一步的，所述S型缝隙11包括缝隙Ⅰ4、缝隙Ⅱ5、缝隙Ⅲ6、缝隙Ⅳ7、缝隙Ⅴ8、缝隙Ⅵ9和缝隙Ⅶ10，所述缝隙Ⅰ4的尾端连接缝隙Ⅱ5的首端，所述缝隙Ⅱ5的尾端连接缝隙Ⅲ6的首端，所述缝隙Ⅲ6的尾端连接缝隙Ⅳ7的首端，所述缝隙Ⅳ7的尾端连接缝隙Ⅴ8的首端，所述缝隙Ⅴ8的尾端连接缝隙Ⅵ9的首端，所述缝隙Ⅵ9的尾端连接缝隙Ⅶ10。
进一步的，所述单元结构的上矩形金属环12或单元结构的下矩形金属环13外部轮廓的长或宽为参数P1，所述参数P1也是单元结构的外部轮廓的长或宽，所述单元结构的上矩形金属环12或单元结构的下矩形金属环13外部轮廓的宽或长为参数P2，所述参数P2也是单元结构的外部轮廓的宽或长，所述缝隙Ⅱ5外缝隙界到单元结构的上矩形金属环12或单元结构的下矩形金属环13外部轮廓的距离为参数w，所述缝隙Ⅰ4的竖向缝隙界到缝隙Ⅳ7的左缝隙界距离为参数ws，所述缝隙Ⅳ7的宽度为参数g，所述缝隙Ⅳ7的右缝隙界到缝隙Ⅵ9的内缝隙界距离为参数a，所述缝隙Ⅰ4的上缝隙界到缝隙Ⅲ6的下缝隙界距离为参数b。
进一步的，所述参数P1和参数P2的取值范围皆为0.08～0.15个介质波长，所述参数w的取值范围为0.1～0.3mm，所述参数a的取值范围为0.02～0.04个介质波长，所述参数b的0.03～0.09个介质波长，所述参数g取值范围为100微米～300微米。
进一步的，所述液晶层的厚度小于500微米，所述上层基板1和下层基板3的厚度均为100微米～1500微米。
进一步的，所述支撑层为低损耗支撑材料，所述支撑层的厚度为0.05～0.34个介质波长，损耗角正切小于0.04。
本发明的有益效果是：
1.本发明基于螺旋电感思想，在提高液晶可重构频率选择表面的调谐率和降低液晶可重构频率选择表面的结构单元尺寸上，有明显的效果。
2.本发明通过双层液晶可重构频率选择表面结构设计，实现了电磁通带方波化的滤波特性。
附图说明
图1本发明单层液晶可重构频率选择表面的结构示意图，图1-(a)整体三维分层示意图，图1-(b)上矩形金属环或下矩形金属环结构示意图，图1-(c)结构单元中金属结构示意图。
图2本发明双层液晶频率选择表面结构示意图。
图3本发明仿真电流分布图，图3-(a)上矩形金属环结构，图3-(b)下矩形金属环结构。
图4本发明在不同液晶分子偏转角度下，单层液晶频率选择表面传输特性示意图。
图5本发明在不同液晶分子偏转角度下，双层液晶频率选择表面传输特性示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种液晶可重构频率选择表面，所述选择表面包括单层液晶可重构频率选择表面和双层液晶可重构频率选择表面，所述双层液晶可重构频率选择表面由两组单层液晶可重构频率选择表面通过支撑层的支撑叠加形成，所述单层液晶可重构频率选择表面由单元结构周期排布而成，所述单元结构包括上层基板1、上矩形金属环12、液晶2、下矩形金属环13和下层基板3，所述上层基板1、上矩形金属环12、液晶2、下矩形金属环13和下层基板3从上到下依次叠加设置，所述上矩形金属环12和下矩形金属环13分别蚀刻S型缝隙11。
进一步的，所述上金属板12的S型缝隙11与下金属板13的S型缝隙11呈180°旋转对称。从而形成了一个类三维螺旋电感结构，使得该液晶可重构频率选择表面结构单元可以在很小的电路面积内获得足够大的电感量。与此同时，这种结构还能引导电流通过上、下层金属结构中相互平行的矩形金属贴片部分，从而为该液晶可重构频率选择表面结构单元提供一个容值较大的等效电容，使得该液晶可重构频率选择表面结构单元进一步小型化，并且使液晶对该频率选择表面的调控能力得以增强。
进一步的，所述S型缝隙11包括缝隙Ⅰ4、缝隙Ⅱ5、缝隙Ⅲ6、缝隙Ⅳ7、缝隙Ⅴ8、缝隙Ⅵ9和缝隙Ⅶ10，所述缝隙Ⅰ4的尾端连接缝隙Ⅱ5的首端，所述缝隙Ⅱ5的尾端连接缝隙Ⅲ6的首端，所述缝隙Ⅲ6的尾端连接缝隙Ⅳ7的首端，所述缝隙Ⅳ7的尾端连接缝隙Ⅴ8的首端，所述缝隙Ⅴ8的尾端连接缝隙Ⅵ9的首端，所述缝隙Ⅵ9的尾端连接缝隙Ⅶ10。
进一步的，所述单元结构的上矩形金属环12或单元结构的下矩形金属环13外部轮廓的长或宽为参数P1，所述参数P1也是单元结构的外部轮廓的长或宽，所述单元结构的上矩形金属环12或单元结构的下矩形金属环13外部轮廓的宽或长为参数P2，所述参数P2也是单元结构的外部轮廓的宽或长，所述缝隙Ⅱ5外缝隙界到单元结构的上矩形金属环12或单元结构的下矩形金属环13外部轮廓的距离为参数w，所述缝隙Ⅰ4的竖向缝隙界到缝隙Ⅳ7的左缝隙界距离为参数ws，所述缝隙Ⅳ7的宽度为参数g，所述缝隙Ⅳ7的右缝隙界到缝隙Ⅵ9的内缝隙界距离为参数a，所述缝隙Ⅰ4的上缝隙界到缝隙Ⅲ6的下缝隙界距离为参数b，所述单元矩形金属环内的一个金属贴片的尺寸为a×b。
进一步的，所述参数P1和参数P2的取值范围皆为0.08～0.15个介质波长，所述参数w的取值范围为0.1～0.3mm，所述参数a的取值范围为0.02～0.04个介质波长，所述参数b的0.03～0.09个介质波长，所述参数g取值范围为100微米～300微米。参数a和参数b的大小主要影响等效电容值大小。
进一步的，所述液晶层的厚度小于500微米，该参数对液晶可重构频率选择表面结构单元的等效电容值影响显著，液晶层厚度越小，等效电容值越大，液晶可重构频率选择表面结构单元的小型化效果越好，液晶对该频率选择表面的调控能力越强。因此在工艺允许的范围内，液晶层厚度越小越好；所述上层基板1和下层基板3的厚度均为100微米～1500微米。
进一步的，所述支撑层为低损耗支撑材料，所述支撑层的厚度为0.05～0.34个介质波长，损耗角正切小于0.04。对于如图2所示的双层液晶可重构频率选择表面，则是通过将两组图1所示的液晶频率选择表面叠加起来而形成，相比于单层液晶可重构频率选择表面，双层液晶可重构频率选择表面具有更好的通带方波化特性，同时还能够保持单层液晶可重构频率选择表面的大调谐率特性。
实施例2
首先，设计出了一款工作于Ku频段的单层液晶可重构频率选择表面。参照图1，该单层液晶可重构频率选择表面的具体结构参数为：P1＝P2＝2mm,，a＝0.55mm，b＝1.05mm，w＝0.18mm，g＝0.1mm。此外液晶层厚度为250微米，上、下层介质板厚度为508微米。在不同的液晶分子偏转角下，该单层液晶可重构频率选择表面的传输特性仿真结果如图4所示，从图中可以看出，当液晶分子偏转角度从0°变化到90°时，该单层液晶可重构频率选择表面的中心频率从14.12GHz降低至12.69GHz，调谐率达到了10.7％。此外，参照最低工作频率12.69GHz对应的自由空间波长λ0，该频率选择表面的单元尺寸仅为0.085λ0×0.085λ0。
进一步，利用上述单层液晶频率选择表面，具体设计出了一种双层液晶可重构频率选择表面结构，参照图2，其具体结构参数与单层液晶频率选择表面一致，支撑层厚度为2.6mm。图5显示了，不同液晶分子偏转角度时，该双层液晶可重构频率选择表面传输特性的数值仿真结果。从图5中可以看出，当液晶分子偏转角度从0°变化到90°时，该液晶频率选择表面的谐振频率从14.23GHz降低至12.8GHz，调谐率达到了10.6％，且该频率选择表面在任意液晶状态下的平顶通带带宽达到了500MHz，15dB矩形系数达到了2.95。

Claims (7)

1.一种液晶可重构频率选择表面，其特征在于，所述选择表面包括单层液晶可重构频率选择表面和双层液晶可重构频率选择表面，所述双层液晶可重构频率选择表面由两组单层液晶可重构频率选择表面通过支撑层的支撑叠加形成，所述单层液晶可重构频率选择表面由单元结构周期排布而成，所述单元结构包括上层基板(1)、上矩形金属环(12)、液晶(2)、下矩形金属环(13)和下层基板(3)，所述上层基板(1)、上矩形金属环(12)、液晶(2)、下矩形金属环(13)和下层基板(3)从上到下依次叠加设置，所述上矩形金属环(12)和下矩形金属环(13)分别蚀刻S型缝隙(11)。
2.根据权利要求1所述一种液晶可重构频率选择表面，其特征在于，所述上矩形金属环(12)的S型缝隙(11)与下矩形金属环(13)的S型缝隙(11)呈180°旋转对称。
3.根据权利要求2所述一种液晶可重构频率选择表面，其特征在于，所述S型缝隙(11)包括缝隙Ⅰ(4)、缝隙Ⅱ(5)、缝隙Ⅲ(6)、缝隙Ⅳ(7)、缝隙Ⅴ(8)、缝隙Ⅵ(9)和缝隙Ⅶ(10)，所述缝隙Ⅰ(4)的尾端连接缝隙Ⅱ(5)的首端，所述缝隙Ⅱ(5)的尾端连接缝隙Ⅲ(6)的首端，所述缝隙Ⅲ(6)的尾端连接缝隙Ⅳ(7)的首端，所述缝隙Ⅳ(7)的尾端连接缝隙Ⅴ(8)的首端，所述缝隙Ⅴ(8)的尾端连接缝隙Ⅵ(9)的首端，所述缝隙Ⅵ(9)的尾端连接缝隙Ⅶ(10)。
4.根据权利要求3所述一种液晶可重构频率选择表面，其特征在于，所述单元结构的上矩形金属环(12)或单元结构的下矩形金属环(13)外部轮廓的长或宽为参数P1，所述参数P1也是单元结构的外部轮廓的长或宽，所述单元结构的上矩形金属环(12)或单元结构的下矩形金属环(13)外部轮廓的宽或长为参数P2，所述参数P2也是单元结构的外部轮廓的宽或长，所述缝隙Ⅱ(5)外缝隙界到单元结构的上矩形金属环(12)或单元结构的下矩形金属环(13)外部轮廓的距离为参数w，所述缝隙Ⅰ(4)的竖向缝隙界到缝隙Ⅳ(7)的左缝隙界距离为参数ws，所述缝隙Ⅳ(7)的宽度为参数g，所述缝隙Ⅳ(7)的右缝隙界到缝隙Ⅵ(9)的内缝隙界距离为参数a，所述缝隙Ⅰ(4)的上缝隙界到缝隙Ⅲ(6)的下缝隙界距离为参数b。
5.根据权利要求4所述一种液晶可重构频率选择表面，其特征在于，所述参数P1和参数P2的取值范围皆为0.08～0.15个介质波长，所述参数w的取值范围为0.1～0.3mm，所述参数a的取值范围为0.02～0.04个介质波长，所述参数b的0.03～0.09个介质波长，所述参数g取值范围为100微米～300微米。
6.根据权利要求1所述一种液晶可重构频率选择表面，其特征在于，所述液晶层的厚度小于500微米，所述上层基板(1)和下层基板(3)的厚度均为100微米～1500微米。
7.根据权利要求1所述一种液晶可重构频率选择表面，其特征在于，所述支撑层为低损耗支撑材料，所述支撑层的厚度为0.05～0.34个介质波长，损耗角正切小于0.04。
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