基于液晶材料的太赫兹低频段光控可重构反射阵列天线

The reconfigurable reflectarray antenna based on liquid crystal substrate with tunable permittivity exhibits a good performance in terms of low losses, high gain, low cost and easy to manufacture, especially for very large apertures, in the terahertz frequency band. The current liquid crystal reflectarray performance is limited by the electric field controlled method, so this project will study the reconfigurable reflectarray based on optically controlled mode, which gets the reflectarray elements rid of the bias loading lines, improves the flexibility of the reflectarray design, and greatly enhances the performance of liquid crystal reflectarray potential by introducing metasurface as the reflection aperture. Based on the research on the electromagnetic properties of liquid crystal material in the terahertz frequency band, an anisotropic electromagnetic property tensor expression and a corresponding parameter extraction method will be established and then an accurate electromagnetic model of the optically controlled liquid crystal material will be built. This project will focus on the design and manufacturing methods of reflectarray based on optically controlled liquid crystal, and the technology of reflectarray design based on non-uniform anisotropic medium. The metasurface will be used as the reflectarray to achieve the performance beyond characteristics of liquid crystal material. The optically controlled material based on polyimide and manufacturing technique of reflectarray based on optically controlled liquid crystal material will be explored to develop an optically controlled liquid crystal reflectarray antenna operating at 300 GHz and above.

基于液晶介电常数可调原理的可重构反射阵列天线，在太赫兹频段具有损耗低、成本小、工艺简单、可制备阵列规模大等多种优点。针对当前液晶反射阵列性能发挥受限于电场调控方式的不足，本项目将研究基于光控方式的液晶可重构反射阵列，使反射阵元摆脱偏置加载线的制约，不仅提高反射阵列设计的灵活性，并可引入超表面作为反射阵面，极大提升液晶反射阵列的性能潜力。通过液晶材料在太赫兹低频段的电磁特性研究，建立利用介电常数张量表达的各向异性电磁属性表征方法和相应的参数提取方法，从而建立光控液晶材料精确电磁模型。开展光控液晶反射阵列的研究，突破基于非均匀各向异性介质的反射阵列设计技术，利用超表面的优良性能和光控液晶材料的可调特性，设计出超越液晶材料本身电磁性能的可重构反射阵列。研制基于聚酰亚胺的光控取向材料，探索基于光控液晶的反射阵列制备工艺，研制出工作于300GHz以上的光控液晶反射阵列天线。

本项目围绕基于液晶基底的可重构太赫兹反射阵列天线，开展了液晶太赫兹频段表征测试与性能提升、非均匀液晶基底的电磁建模、基于液晶基底的超表面设计、液晶基底太赫兹反射阵列设计等关键技术研究，并探索了在衬有液晶材料基底的石英基片上制备太赫兹电路的工艺，研制出多种太赫兹反射阵列天线和可调器件。.首先，设计了一种用于液晶材料的太赫兹频段等效介电常数测量的亚波长圆孔型频率选择表面，测量出液晶材料的等效介电常数。同时，提出一种提升液晶材料介电常数的方法，在商用液晶中混入含有CN和NCS极性基团的液晶单体，将其在W波段的介电常数可调范围提升16%。此外，还提出了一种提升液晶材料响应速度的方法，在液晶材料中引入聚合物网络，利用聚合物网络的锚定性，使得液晶材料在太赫兹频段的响应速度缩小一个量级。此外，在探索光控液晶可重构天线和可调器件的过程中，本项目还开展了光控取向和透明电极方面的研究。.其次，针对液晶材料的各向异性非均匀特性，本项目开展了非均匀各向异性介质的精准建模和反射阵元模型提取方法研究。为了降低液晶不均匀性的影响，将液晶分成近似可看作是均匀同质材料的若干小块，利用小块分区更精确模拟非均匀特性，通过模拟仿真结果与宏观特性实测结果的反复拟合，建立了一套较为精准的液晶材料太赫兹频段电磁特性模型。在此基础上，通过数值仿真，提取反射阵元的宏观参数，建立了反射阵元的RLC等效电路模型。.最终，本项目设计、加工、测试了多款基于液晶材料的超表面太赫兹低频段反射阵列和可调器件，包括340GHz双偶极子反射阵列、360GHz和120GHz单开槽液晶反射阵列、300GHz基于液晶材料的透射式电调控器件、110GHz全电控取向的液晶反射阵列、110GHz可调超材料宽入射角吸波器等，。.基于液晶的可重构反射阵列天线在太赫兹频段具有损耗低、成本小、工艺简单、可制备阵列规模大等多种优点，未来在相控阵雷达、智能通信天线等领域具有广阔的应用前景。