大信号激励液晶超材料非线性响应与电调控动态特性研究

Liquid crystal metamaterial operating at microwave frequencies is not only a kind of controllable effective medium, but also can be used for precise electrical control units of novel microwave devices, and thus has important research value and application potential. However, due to the extreme complexity of the physical model of liquid crystal metamaterial in the microwave frequency range, at present, there are no efficient methods for characterization of the physical model. The most critical problem is that the large signal excitation and dynamic processes of electric control are ignored. In view of this, with research on the large signal dielectric properties of liquid crystal material as foundation, this project plans to investigate liquid crystal metamaterial's nonlinear response with large signal excitation and dynamic characteristics, based on the large signal equivalent circuit model and dynamic model of the basic liquid crystal structures (liquid crystal capacitor structure, liquid crystal phase shifter, liquid crystal resonant structure, liquid crystal coupling structure, liquid crystal radiation and attenuation structure) and liquid crystal metamaterial. This project, from the brand-new perspective on liquid crystal metamaterial and liquid crystal microwave devices, gives accurate model characterization and forms a set of systematic and complete theoretical research methods. The expected research results of this project not only lay a foundation for the mechanism of liquid crystal metamaterial, but also provide important theoretical basis and design reference for liquid crystal microwave devices, having important significance for promoting the overall development of liquid crystal in the field of microwave technology.

微波频段的液晶超材料不仅是可调控的等效媒质，也是可用于新型微波器件的精密电调控单元，因此具有重要的研究价值和应用潜力。然而，由于液晶超材料在微波频段物理模型的极端复杂性，目前尚无一种能够全面描述其物理模型的表征方法，突出问题是忽略了大信号激励以及电调控动态过程影响。鉴于此，本课题摒弃当前孤立研究液晶超材料的思路，提出以大信号液晶介电特性为突破口，从液晶电容结构、液晶移相结构、液晶谐振结构、液晶耦合结构、液晶辐射和衰减结构以及液晶超材料的大信号等效电路模型以及动态模型建模几个关键问题入手，研究大信号激励下液晶超材料的非线性响应以及电调控动态特性和规律，以全新视角对液晶超材料和液晶微波器件给出精准的模型表征，并形成一套系统且完整的理论研究方法。本课题预期研究成果不但为液晶超材料机理探索奠定基础，更为液晶电调控微波器件提供重要理论依据和设计参考，对于促进液晶微波技术领域整体发展具有重要意义。

液晶超材料不仅是可调控的等效媒质，也是可用于新型微波器件的精密电调控单元，因此具有重要的研究价值和应用潜力。然而，由于液晶超材料在微波频段物理模型的复杂性，其电磁特性一直缺乏准确的表征模型，其在大信号激励下的非线性响应和动态特性也并不明确。鉴于此，本课题致力于以液晶材料的微波介电特性为突破口，通过建立液晶超材料电磁响应的表征模型，探索大信号激励下液晶超材料的非线性响应以及电调控动态特性和规律。为了实现上述目标，本项目提出了液晶介电常数的精确测量方法，并搭建了相应的测量平台；继而，利用该实验平台，建立了液晶各向异性特性的表征模型，以及相应的液晶分子指向矢分布方程；而后，基于有限差分法的动态交叉迭代方法，求解了液晶超材料中液晶分子场与驱动电场间的耦合方程，从而获得了液晶超材料的精确电磁模型。另一方面，本项目提出了液晶超材料的大信号等效电路建模方法，并以此为基础分析、总结了液晶超材料在大信号激励下的传输、反射、相移、损耗、谐振、辐射、谐波等特性随入射波强度和频率的变化规律。而对于液晶超材料的动态模型，本项目根据时域方程与电能系统数学方程在形式上的相似性，通过将液晶分子能系统类比为电能系统，从而建立了液晶时域响应方程对应的电路网络，通过将上述电路网络带入超材料的等效电路模型中完成了液晶超材料的动态模型建立。最后，本项目进一步探讨了基于人工等离子激元的低损耗液晶移相器以及集成滤波功能的液晶移相器设计与表征方法。分别设计了基于人工表面等离激元模式的槽线结构和倒置微带结构液晶移相器，研究结果表明，两种方法均能显著提高液晶移相器的品质因子。本项目还探讨了等离子激元模式下的滤波液晶移相器的设计方法，分别实现了带通、带阻、共模抑制等三类集成滤波功能的液晶移相器，实现了单器件的多功能复用，具有结构紧凑、设计简便、成本低廉等优势。本课题所取得的研究成果对于促进液晶微波技术领域整体发展具有重要意义。