一种基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列

本发明涉及电磁波调控，特别是涉及一种基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列。

背景技术：

1、超表面是一种二维周期性结构，克服了传统超材料在三维空间的局限性。与传统的三维形式相比，具有低剖面，低损耗，易集成的优势，极大地推进了超材料在工业界的实际工程应用。

2、受到数字电路系统里面两种确定形态‘开’和‘关’的启发，东南大学崔铁军教授课题组提出了一种离散数字化表征的电磁超表面的概念。例如，1-比特超表面用‘0’和‘1’编码来表示电磁超表面单元的反射或透射相位0º和180º。因此，不同的编码组合可以代表不同的电磁超表面单元相位响应的组合，对应不同的相位响应，最终会出现不同的功能响应。

3、为了实现实时动态调控电磁波，可以在超表面单元中集成有源器件或者新型材料，通过逻辑控制器（fpga等）外加偏置信号调节有源器件或者材料的状态调节超表面的相位、幅度响应。

4、液晶是一种各项异性材料。在外加电场的作用下，向列相液晶材料的分子会因为极化作用向电场的方向偏转，从而使介电常数发生改变。与其它电控材料相比，液晶材料在微波到光频的介电损耗都在较低水平，以及其独特的类似液体的形态，使其可以灵活运用在各个场景。

5、现有技术存在动态电调节超表面不成熟、液晶调制超表面器件结构复杂的问题。

6、需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，包括上层基板、下层基板、液晶上表面导电膜、液晶下表面导电膜、液晶层以及公共地，所述液晶上表面导电膜在所述上层基板的下表面形成上层谐振结构和m条上层偏置电路连线，所述液晶下表面导电膜在所述下层基板的上表面形成下层谐振结构和n条下层偏置电路连线，所述下层偏置电路连线与所述上层偏置电路连线方向垂直，所述上层谐振结构和所述下层谐振结构形成在所述下层偏置电路连线上与所述上层偏置电路连线上的交叉处，每个上层谐振结构和对应的下层谐振结构及中间的液晶组成一个阵列单元，形成每个阵列单元可独立调控的m×n阵列，其中，m与n中至少一者不小于2；所述公共地为偏置电路接地端。

4、进一步地：

5、所述液晶上表面导电膜和所述液晶下表面导电膜为经刻蚀的金属镀膜。

6、所述上层基板和所述下层基板为玻璃基板。

7、所述公共地形成在所述下层基板的下表面。

8、所述公共地为金属地。

9、通过对所述上层偏置电路连线和所述下层偏置电路连线施加直流电压信号或脉冲宽度调制信号，来改变对应的阵列单元处的液晶分子朝向进而改变液晶材料的介电常数。

10、通过将相应的偏置电路连线连接的电路端口切换低成电平或高阻态的方式来对阵列逐行或逐列地施加偏置。

11、包括多个所述m×n阵列。

12、所述液晶层为相位介电常数在2.5-10范围内的液晶材料。

13、所述液晶层的厚度为25-100微米。

14、本发明具有如下有益效果：

15、本发明提供了一种基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，设置有方向垂直的m条上层偏置电路连线与n条下层偏置电路连线，上层谐振结构和下层谐振结构形成在所述下层偏置电路连线上与所述上层偏置电路连线上的交叉处，每个上层谐振结构和对应的下层谐振结构及中间的液晶组成一个阵列单元，从而形成每个阵列单元可独立调控的m×n阵列，利用相互垂直的m+n偏置电路连线，可通过逐行或逐列加偏置的方式，实现m×n个超表面单元的独立调控，最终实现二维波束扫描功能。由此设计，本发明能够在实现液晶超表面反射波束的二维扫描功能的前提下，大大减少液晶电压偏置所需连线，从而显著地降低结构复杂度，并提高实用性。

16、与传统技术相比，本发明实施例的优点主要有：

17、每个阵列单元都有两路方向互相垂直的电压偏置连线，只需把其中一路偏置电路连线连接的电路端口切换低成电平或高阻态，可以达到使能/失能的效果，从而实现阵列单元逐行/逐列地施加偏置。

18、通过短时间内逐行/逐列扫描式地对阵列单元施加外部偏置，可以达到对每个单元独立偏置一样的效果。因为对于某个单元来说，这种偏置方式下，只需保证每行/每列扫描一次的时间与脉冲宽度调制的周期一致，则上下金属镀膜电压变化跟脉冲宽度调制的效果是一样的。

19、由于是逐行/逐列扫描式地加偏置电压，所以不需要每个单元都独立外接偏置线，只需m+n路控制信号就可以独立控制m×n个超表面单元来实现二维波束动态扫描，可以极大地降低系统设计和加工的复杂性。

20、本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。

技术特征：

1.一种基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，其特征在于，包括上层基板、下层基板、液晶上表面导电膜、液晶下表面导电膜、液晶层以及公共地，所述液晶上表面导电膜在所述上层基板的下表面形成上层谐振结构和m条上层偏置电路连线，所述液晶下表面导电膜在所述下层基板的上表面形成下层谐振结构和n条下层偏置电路连线，所述下层偏置电路连线与所述上层偏置电路连线方向垂直，所述上层谐振结构和所述下层谐振结构形成在所述下层偏置电路连线上与所述上层偏置电路连线上的交叉处，每个上层谐振结构和对应的下层谐振结构及中间的液晶组成一个阵列单元，形成每个阵列单元可独立调控的m×n阵列，其中，m与n中至少一者不小于2；所述公共地为偏置电路接地端。

2.如权利要求1所述的基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，其特征在于，所述液晶上表面导电膜和所述液晶下表面导电膜为经刻蚀的金属镀膜。

3.如权利要求1所述的基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，其特征在于，所述上层基板和所述下层基板为玻璃基板。

4.如权利要求1所述的基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，其特征在于，所述公共地形成在所述下层基板的下表面。

5.如权利要求4所述的基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，其特征在于，所述公共地为金属地。

6.如权利要求1至5任一项所述的基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，其特征在于，通过对所述上层偏置电路连线和所述下层偏置电路连线施加直流电压信号或脉冲宽度调制信号，来改变对应的阵列单元处的液晶分子朝向进而改变液晶材料的介电常数。

7.如权利要求1至5任一项所述的基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，其特征在于，通过将相应的偏置电路连线连接的电路端口切换低成电平或高阻态的方式来对阵列逐行或逐列地施加偏置。

8.如权利要求1至5任一项所述的基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，其特征在于，包括多个所述m×n阵列。

9.如权利要求1至5任一项所述的基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，其特征在于，所述液晶层为相位介电常数在2.5-10范围内的液晶材料。

10.如权利要求9所述的基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，其特征在于，所述液晶层的厚度为25-100微米。

技术总结
一种基于液晶超表面的微波毫米波二维波束动态扫描阵列，包括上层基板、下层基板、液晶上表面导电膜、液晶下表面导电膜、液晶层以及公共地，液晶上表面导电膜在上层基板的下表面形成上层谐振结构和m条上层偏置电路连线，液晶下表面导电膜在下层基板的上表面形成下层谐振结构和n条下层偏置电路连线，下层偏置电路连线与上层偏置电路连线方向垂直，上层谐振结构和下层谐振结构形成在下层偏置电路连线上与上层偏置电路连线上的交叉处，每个上层谐振结构和对应的下层谐振结构及中间的液晶组成一个阵列单元，形成每个阵列单元可独立调控的m×n阵列。在实现液晶超表面反射波束的二维扫描功能的同时，大大减少液晶电压偏置所需连线，降低结构复杂度。

技术研发人员：梁豪,钱正芳,朱华,戴翔宇
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16