一种用于太赫兹波束调控的液晶超材料天线阵制造技术

本发明专利技术公开了一种用于太赫兹波束调控的液晶超材料天线阵，包括上层石英衬底、下层石英衬底，生长在所述上层石英衬底上的金属超材料结构，生长在所述下层石英衬底上的金属接地面结构及所述金属超材料结构和金属接地面结构间封住的液晶材料。本发明专利技术还公开了一种制备上述太赫兹液晶超材料天线阵的方法以及利用上述太赫兹液晶超材料天线阵的波束调控方法和表征方法。本发明专利技术实现了太赫兹波在一定角度空间范围内的波束动态调控，其器件结构简单，调控方法灵活便捷。

【技术实现步骤摘要】
一种用于太赫兹波束调控的液晶超材料天线阵
本专利技术属于太赫兹波调控
，具体涉及一种用于太赫兹波束调控的液晶超材料天线阵，特别涉及一种以液晶材料为调谐单元，基于数字和可编程超材料(也称为超表面、超构材料、超构表面、人工电磁媒质)的太赫兹天线阵的制备和应用。
技术介绍
太赫兹技术在过去二十多年得到飞速发展，在成像、生物医学、高速无线通信、国防安全等领域都展现出巨大的应用潜力。其中在太赫兹通信和雷达成像等领域，高效率、大扫描范围的波束调控器件必不可少。但是，相比于微波波段有较成熟半导体移相器和铁氧体移相器，在太赫兹波段缺少调谐性能强的材料，且材料损耗高和寄生电容大等因素，导致太赫兹频段波束调控的器件较为缺乏。最近十多年，基于液晶、石墨烯、氧化钒等可调谐材料和太赫兹超材料的相位调控器件得到了迅速发展。这类器件对太赫兹波的相移调控范围通常较小，插入损耗较大，导致太赫兹波束调控效率较低。
技术实现思路
本专利技术提供了一种以液晶材料为调谐单元，基于数字和可编程超材料的太赫兹天线阵的制备、表征和编码控制方法，提出了一种新型的太赫兹波段液晶数字和可编程超材料天线阵，为太赫兹空间波束的主动调控提供了一种方法。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的第一部分技术方案是一种用于太赫兹波束调控的液晶超材料天线阵，其特征在于，包括上层石英衬底、下层石英衬底，生长在所述上层石英衬底上的金属超材料结构，生长在所述下层石英衬底上的金属接地面结构及所述金属超材料结构和金属接地面结构间封住的液晶材料。进一步的，所述液晶材料的电磁介电常数特性随金属超材料结构和金属接地面结构上施加的偏置电压而改变。更进一步的，所述金属超材料结构为耶路撒冷十字型。本专利技术采用的第二部分技术方案是制备如上所述一种用于太赫兹波束调控的液晶超材料天线阵的方法，包括如下步骤：(1)衬底预处理：清洗上层石英衬底和下层石英衬底并烘干；(2)光刻胶旋涂：分别在上层石英衬底和下层石英衬底的表面旋涂两层光刻胶LOR10b和AZ1500并烘干；(3)衬底光刻：在光刻机上放置涂好光刻胶的上层石英衬底和掩模板并对准，所使用掩膜版的结构为超材料金属结构，曝光完以后用正胶显影液进行显影，然后进行后烘，之后在光刻机上选择金属接地面结构的掩膜版区域，对下层石英衬底重复步骤光刻显影操作；(4)金属溅射与剥离：使用磁控溅射仪器，在所述步骤(3)操作后的上层石英衬底和下层石英衬底上分别溅射一层金属，对溅射完成的衬底在有机溶液中剥离，去除剩余的光刻胶得到在上层石英衬底上生长的金属超材料结构与下层石英衬底上生长的金属接地面结构；(5)上层电极转移：在上层石英衬底未转移金属超材料结构的另一面重复所述步骤(3)和步骤(4)中的光刻、显影、溅射、剥离操作，使得在该面生长出上层金属电极；(6)紫外光取向处理：在所述步骤(4)完成后的所述金属超材料结构与金属接地面结构的表面分别旋涂一层液晶取向剂并烘干处理，之后对所述表面采用紫外光照射并再次加热烘干；(7)制作液晶盒并灌注液晶：将所述步骤(6)处理完成后的金属超材料结构与金属接地面结构相对放置，中间采用麦拉(Mylar)膜作为间隔，使用塑料夹将所述上层石英衬底和下层石英衬底夹紧后在麦拉膜两边涂上环氧树脂胶，待所述环氧树脂胶固化后灌注液晶。本专利技术采用的第三部分技术方案是利用如上所述一种用于太赫兹波束调控的液晶超材料天线阵的波束调控方法，对于由N个超材料单元构成的一维所述液晶超材料天线阵在以θi角度入射的电磁波激励下，其空间波束分布Ft(θ)可由如下公式表示：式中所述液晶超材料天线阵的单元周期为d，Fs(θ)为每个线阵单元的波束分布，an为第n个阵列单元的编码，k0为自由空间波矢；由于反射型数字超材料单元通常用’0’和’1’表示其反射系数相位差值180°的特点，因此an的取值仅存在±1两种情况；由所述公式可见，通过改变所述液晶超材料天线阵各单元的施加偏置电压序列，能改变所述液晶超材料天线阵的反射空间波束分布；如果施加偏置电压序列由重复的子序列构成，且所述子序列的编码排布满足’0’和’1’沿子序列中心对称排布时，通过所述公式计算知对应该种序列的空间波束将沿θi角对称分布，而动态改变子序列的长度则能控制对称分布的波束远离或靠近θi角，实现空间波束的动态控制。本专利技术提供的第四部分技术方案是利用如上所述一种用于太赫兹波束调控的液晶超材料天线阵的表征方法，包括如下步骤：1)连接电路板：将所述液晶超材料天线阵通过双面胶固定在印刷电路板上，并使用引线键合机用直径为50μm的金属线连接电路板上的24路控制电极与所述液晶超材料天线阵上24路线阵单元所连接的对应电极；2)连接测试系统：(1)编写控制程序驱动现场可编程逻辑阵列板上输出端口的独立开关，所述控制程序用于控制FPGA端口的输出电压；(2)通过杜邦线将FPGA32路输出口与32路放大电路的对应输入端口连接；(3)通过杜邦线将24路放大电路的输出端口与固定有所述液晶超材料天线阵的电路板的对应输入端口连接；3)将步骤1)所述固定在电路板上的所述液晶超材料天线阵固定于数字转动台的中心位置，并调整太赫兹时域光谱系统的收发模块位置，使所述液晶超材料天线阵位于收发模块的太赫兹波光路的交汇处；通过所述步骤2)中的控制程序动态改变对所述液晶超材料天线阵上的各线阵单元独立施加的偏置电压，并利用所述控制程序控制所述数字转动台转动，测得对应不同偏置电压序列下的所述液晶超材料天线阵的空间波束分布。本专利技术的有益效果为：本专利技术利用液晶材料的电光效应，提出了一种新型的以液晶超材料为调谐单元、基于数字和可编程超材料的太赫兹天线阵，实现了太赫兹空间波束的动态调控。其器件工艺制备方法简单，调控手段灵活便捷，简化了传统波束调控所使用的相控阵技术对馈电网络的要求。附图说明图1为本专利技术的用于太赫兹波束调控的液晶超材料天线阵的单元结构示意图；图2为本专利技术的用于太赫兹波束调控的液晶超材料天线阵的制备流程图；图3为用于太赫兹波束调控的液晶超材料天线阵的表征系统示意图；。图4为用于太赫兹波束调控的液晶超材料天线阵的动态空间波束分布图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的使用范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。本专利技术公开了一种以液晶材料为调谐单元，基于数字和可编程超材料(也称为超表面、超构材料、超构表面、人工电磁媒质)的太赫兹天线阵，其具有空间波束动态调控功能。超材料单元由生长在上/下层石英衬底上的金属结构与夹在两层金属结构间的液晶层构成，并排列成由多个线阵单元构成的一维线阵。利用液晶的双折射效应，通过给液晶单元加偏置电压，调节液晶的取向，改变液晶在太赫兹波段的折射率，从而调控线阵单元的反射太赫兹波相位。然后，通过对线阵单元的控制实现对太赫兹波束的动态调控。本专利技术公开了通过该数字和可编程超材料天线阵对太赫兹波段空间波束的动态编码调控方法，还公开了对该数字和可编程超材料天线阵的制备和测试方法。本专利技术实现了太赫兹波在一定角度空间范围内的波束动态调控，其器件结构简单，调控方法灵活便捷。以下具体详述。一、设计基于液晶材料的太赫兹数字和可编程超材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于太赫兹波束调控的液晶超材料天线阵，其特征在于，包括上层石英衬底、下层石英衬底，生长在所述上层石英衬底上的金属超材料结构，生长在所述下层石英衬底上的金属接地面结构及所述金属超材料结构和金属接地面结构间封住的液晶材料。

【技术特征摘要】
1.一种用于太赫兹波束调控的液晶超材料天线阵，其特征在于，包括上层石英衬底、下层石英衬底，生长在所述上层石英衬底上的金属超材料结构，生长在所述下层石英衬底上的金属接地面结构及所述金属超材料结构和金属接地面结构间封住的液晶材料。2.根据权利要求1所述一种用于太赫兹波束调控的液晶超材料天线阵，其特征在于，所述液晶材料的电磁介电常数特性随金属超材料结构和金属接地面结构上施加的偏置电压而改变。3.根据权利要求1所述一种用于太赫兹波束调控的液晶超材料天线阵，其特征在于，所述上层石英衬底的厚度为300微米，下层石英衬底的厚度为500微米。4.如权利要求1所述一种用于太赫兹波束调控的液晶超材料天线阵的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)衬底预处理：清洗上层石英衬底和下层石英衬底并烘干；(2)光刻胶旋涂：分别在上层石英衬底和下层石英衬底的表面旋涂两层光刻胶LOR10b和AZ1500并烘干；(3)衬底光刻：在光刻机上放置涂好光刻胶的上层石英衬底和掩模板并对准，所使用掩膜版的结构为超材料金属结构，曝光完以后用正胶显影液进行显影，然后进行后烘，之后在光刻机上选择金属接地面结构的掩膜版区域，对下层石英衬底重复步骤光刻显影操作；(4)金属溅射与剥离：使用磁控溅射仪器，在所述步骤(3)操作后的上层石英衬底和下层石英衬底上分别溅射一层金属，对溅射完成的衬底在有机溶液中剥离，去除剩余的光刻胶得到在上层石英衬底上生长的金属超材料结构与下层石英衬底上生长的金属接地面结构；(5)上层电极转移：在上层石英衬底未转移金属超材料结构的另一面重复所述步骤(3)和步骤(4)中的光刻、显影、溅射、剥离操作，使得在该面生长出上层金属电极；(6)紫外光取向处理：在所述步骤(4)完成后的所述金属超材料结构与金属接地面结构的表面分别旋涂一层液晶取向剂并烘干处理，之后对所述表面采用紫外光照射并再次加热烘干；(7)制作液晶盒并灌注液晶：将所述步骤(6)处理完成后的金属超材料结构与金属接地面结构相对放置，中间采用麦拉膜作为间隔，使用塑料夹将所述上层石英衬底和下层石英衬底夹紧后在麦拉膜两边涂上环氧树脂胶，待所述环氧树脂胶固化后灌注液晶。5.根据权利要求4所述一种用于太赫兹波束调控的液晶超材料天线阵的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在所述上层石英衬底和下层石英衬底上，先旋涂第一层光刻胶LOR10b，预转速600rpm，稳定转速4000rpm，预转速和稳定转速的时间分别为6秒和40秒，烘烤温度为150℃，时间为5分钟；再旋涂第二层光刻胶AZ1500,预转速600rpm，稳定转速4000rpm，预转速和稳定转速的时间分别为6秒和40秒，烘烤温度为90℃，时间为5分钟。6.根据权利要求4所述一种用于太赫兹波束调控的液晶超材料天线阵的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，在所述上层石英衬底和下层石英衬底上，利用光刻机对所述光刻胶LOR10b与AZ1500进行曝光，时间为18秒，曝光完以后用正胶显影液进行显影，时间为14秒，然...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴敬波，沈泽，陈本纹，王涛锋，金飚兵，张彩虹，陈健，吴培亨，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32