[发明专利]一种基于数字编码液晶THz超表面天线及其波束重构方法

说明书

本发明公开了一种基于数字编码液晶THz超表面天线及其波束重构方法，天线由m×n个超表面天线单元阵列组成；超表面天线单元包括上层玻璃介质基板、下层玻璃介质基板、刻蚀在上层玻璃介质基板上表面的超表面天线单元贴片、刻蚀在上层玻璃介质基板下表面的金属地和刻蚀在下层玻璃介质基板上表面的移相器，金属地和移相器之间旋涂液晶材料，移相器的电磁信号通过金属地上的过孔耦合至超表面天线单元贴片；每个超表面天线单元由电磁波信号激励源为其提供激励。通过直流偏置电压控制液晶介电常数的相对变化，提供不同相位数字编码，对THz电磁波波束实现三种不同的功能，具有波束的可重构性，且成本低、质量轻、精度高、低剖面、设计简单。

技术领域

本发明涉及新型人工电磁材料技术，特别是涉及一种基于数字编码液晶THz超表面天线及其波束重构方法。

背景技术

超表面是由亚波长平面结构按照周期顺序规律排布的二维超材料。类试组成物质中的分子，通过特殊的排布方式，能够实现自然界的物质无法实现的电磁功能，例如，完美吸波、负折射、负介电常数等特性。相位数字编码是目前对超表面实现波束操控常用的方法，由2014年崔铁军教授提出。通过简单的将连续相位进行数字离散化，可以极大的减少原本所需要的移相器数量和TR组件，进而降低整个天线所需要的成本。使用数字bit位数就可以表征原来模拟的相位变化，同时也不需要更精细的变化。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，不同的bit可以实现不同的波束状态，从而可实现可重构波束。

目前，数字编码超表面主要应用在微波低频段(8GHz左右)，再往更高的频段就会由于半导体器件产生寄生效应，会造成损耗急剧增大和仿真与实测严重偏差。特别针对于THz频段的可重构或者可调设备器件，由半导体寄生效应所带来的损耗是无法估量的。

发明内容

发明目的：本发明的一个目的是提供了一款成本低、低剖面基于数字编码THz超表面天线。

本发明的另一个目的是提供一种所述天线的波束重构方法。

技术方案：本发明的超表面天线，由m×n个超表面天线单元阵列组成，且每个超表面天线单元之间紧密贴合；超表面天线单元包括上层玻璃介质基板、下层玻璃介质基板、刻蚀在上层玻璃介质基板上表面的超表面天线单元贴片、刻蚀在上层玻璃介质基板下表面的金属地和刻蚀在下层玻璃介质基板上表面的移相器，且金属地和移相器之间旋涂液晶材料，移相器的电磁信号通过金属地上的过孔耦合至超表面天线单元贴片；每个超表面天线单元由电磁波信号激励源为其提供激励。选择由超表面天线单元组成天线阵，是因为其结构简单、剖面低、亚波长尺寸方便周期排布。

优选的，超表面天线单元贴片为尺寸大小为0.1λ₀的方形贴片结构，λ₀为工作中心频段的真空波长。

优选的，相邻超表面天线单元上的超表面天线单元贴片间距在0.5λ₀～λ₀之间，λ₀为工作中心频段的真空波长。超表面天线单元贴片间距过小会造成增益过低，过宽会出现栅瓣，两者都会降低天线性能。

优选的，电磁波信号激励源为功分网络，该功分网络包括m×n个馈电端口激励，分别为m×n个超表面天线单元提供激励，且馈电端口激励采用一节四分之一波长微带枝节进行匹配。THz电磁波通过功分网络分配至每个移相器，再通过金属地上的过孔耦合至超表面天线单元贴片中。

优选的，液晶材料的介电常数变化范围为2.4～3.2，利用液晶对电磁敏感响应，使移相器产生相对的相位变化。

优选的，移相器采用螺旋线结构，可以减少占用的面积。

优选的，该超表面天线工作频段在110GHz，即0.11THz。