基于液晶的太赫兹开槽结构移相器及阵列天线

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近20年太赫兹技术在通信、无损检测、成像等领域飞速发展,太赫兹频段的各类高性能天线需求日益增加。可重构反射阵列天线具有高增益、快速调制、波束扫描与波束合成的性能得到广泛研究与应用。在太赫兹频段,可重构阵列天线调控方式受到尺寸与损耗限制。液晶材料在毫米波到太赫兹频段都具有相对介电常数大范围可调性能,可以用于电控可重构反射阵列天线。本文设计了太赫兹频段的基于液晶开槽结构移相单元与所构成的反射阵列天线,通过电控实现一维波束扫描。具体研究内容如下:推导了反射移相单元高损耗情况下的RLC等效模型和模型参数提取。通过高损耗RLC等效模型对单元的金属损耗和介质损耗影响分析。并对出现相位突变的物理现象进行理论分析。数值仿真与实验测量结果表明金属损耗与介质损耗的增大会使反射波幅度先减小后增加,介质损耗过高时会造成相位的“上跳”突变,并出现极限全吸收。设计一种新型基于液晶和开槽结构的反射移相单元。这种结构可以解决液晶施加偏置电压调控时谐振结构对液晶层覆盖面不足而造成的:液晶取向不均、边缘效应和饱和电压增大等问题。通过制作样件,实验测试验证了工作于124 GHz和362 GHz频段的移相器性能。为了扩展工作带宽与相移范围,设计了一种三开槽结构移相单元。数值仿真表明当液晶相对介电常数在2.47-3.26范围内变化时,该三开槽结构在375~387 GHz频率范围内可实现大于360°的相移。针对基于液晶移相单元中存在的响应速度较慢和损耗过大问题。仿真设计并制作了一种太赫兹液晶快速调控移相单元。采用一种插指结构的接地平面层,通过在相邻行加载控制电压,实现了液晶层的全电调控。数值计算表明采用该调制方式的移相单元,在111.2~117.8 GHz频率范围内可以实现大于180°的相移。采用介质层匹配的方式仿真设计了一种工作于390 GHz的低损耗移相器,仿真表明在376~401 GHz(相对带宽6%)范围内反射衰减小于-4 dB,移相大于200°。最终采用基于液晶和三开槽结构的反射移相单元,仿真设计了工作于380 GHz的电控波束扫描可重构反射阵列天线,可以实现30°范围内的一维波束扫描,主瓣增益大于20 dBi、副瓣小于10 dBi。
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