本发明专利技术公开了一种基于模加运算实现太赫兹波束调控的可编程超表面，包括上层石英衬底、下层石英衬底，生长在所述上下层石英衬底上的金属结构及所述上下层金属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表面的方法以及利用上述太赫兹液晶超表面进行1比特模加运算实现波束调控的方法。本发明专利技术的可编程超表面通过对行列单独编码后进行模加运算实现太赫兹波束的半空间调控，具备器件结构简单、调控方法灵活便捷等特点。备器件结构简单、调控方法灵活便捷等特点。备器件结构简单、调控方法灵活便捷等特点。
【技术实现步骤摘要】
一种基于模加运算实现太赫兹波束调控的可编程超表面
[0001]本专利技术属于太赫兹波调控
，具体涉及一种基于模加运算实现太赫兹波束调控的可编程超表面，特别涉及一种以液晶材料为调谐单元，实现动态半空间波束调控的可编程超表面(也称为超材料、超构材料、超构表面、人工电磁媒质)的制备和应用。
技术介绍
[0002]拥有丰富频谱资源、容量大、保密性强的太赫兹通信技术日渐成为下一代无线通信的关键技术。由于太赫兹波束指向性强、路径损耗大，波束调控技术必不可少。相比微波段广泛使用的有源相控阵技术，太赫兹相移器的缺乏使得相控阵技术开发面临挑战。近年来，基于可编程超表面的无源相控阵技术在太赫兹频段受到了广泛关注，但由于传统可编程超表面每个单元都需要独立的控制线，馈电网络复杂，导致阵列规模难以提升，实现高精度的太赫兹波束调控面临挑战。
技术实现思路
[0003]专利技术目的：针对现有技术存在的不足，本专利技术提出了一种基于模加运算实现太赫兹波束调控的可编程超表面，大大减少了控制线的数量，能够用于开发大规模阵列可编程超表面，从而实现波束调控精度的提升。同时，基于该可编程超表面，提出了通过模加运算实现太赫兹波束二维空间动态调控的方法，展示了通过行列单独编码实现太赫兹波束半空间调控的能力。
[0004]技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的第一种技术方案是一种适用于模加运算的液晶可编程超表面，
[0005]包括第一层石英衬底、第二层石英衬底，生长在所述第一层石英衬底上的第一层金属结构、生长在所述第二层石英衬底上的第二层金属结构及所述第一层金属结构和第二层金属结构间封住的液晶材料。
[0006]所述第一层金属结构为圆片，并由金属线连接同一列其他圆片，从而实现列控制；所述第二层金属结构为矩形。
[0007]进一步的，所述超表面的第一层金属结构和第二层金属结构分别由包含32个互相垂直交叉的线阵组成，其中第一层金属线阵沿y轴排列，第二层金属线阵沿x轴方向排列。
[0008]更进一步的，所述第一线阵和第二线阵选择性加载阈值电压(编码值“1”)或不加电压(编码值“0”)，施加于所述可编程超表面的差值电压驱动液晶分子重新定向，液晶折射率发生改变，所述可编程超表面单元编码值等于将对应第一线阵和第二线阵编码值相加取模(运算符号)的结果。
[0009]本专利技术采用的第二种方案是制备如上所述一种基于模加运算实现太赫兹波束调控的可编程超表面的制备方法，包括如下步骤：
[0010](1)衬底预处理：清洗第一层石英衬底和第二层石英衬底；(2)旋涂光刻胶：在第一层石英衬底和第二层石英衬底表面都旋涂上光刻胶LOR10B和AZ1500并烘干；(3)光刻：利用
曝光和显影在光刻胶层上形成几何图形结构，曝光后用正胶显影液进行显影；(4)金属溅射沉积与剥离：使用磁控溅射仪器，在所述步骤(3)操作后的第一层石英衬底和第二层石英衬底上分别溅射沉积一层金属薄膜，对溅射完成的样品放在有机溶液中剥离；(5)制作液晶盒并灌注液晶：利用铜箔胶带和导电银胶将第一层金属结构的电极引出到背面，采用麦拉膜作为间隔层，将处理完后的第一层金属结构和第二层金属结构面对面放置，并采用AB胶进行封装成盒后灌注液晶，最后利用铝丝焊机采用引线键合的方式完成器件和PCB板的电连接。
[0011]本专利技术采用的第三种技术方案是利用如上所述一种基于模加运算实现太赫兹波束调控的可编程超表面的控制电路，编写能够控制64路端口输出电压的FPGA程序，并利用杜邦线将FPGA各路输出口与64路放大电路的输入端口相连接；通过所述FPGA程序分别改变施加于所述第一线阵和第二线阵的偏置电压，实现上下两层相互垂直的阵列单元的独立编码控制。
[0012]本专利技术采用的第四种技术方案是利用如上所述一种基于模加运算实现太赫兹波束调控的可编程超表面的测试方法，包括如下步骤：将所述可编程超表面固定在太赫兹时域光谱系统转动台的中心位置，使所述可编程超表面位于太赫兹收发模块的光路交汇处；通过控制电路改变施加在可编程超表面上的编码序列，最终测得不同编码序列下，所述可编程超表面的空间波束分布。
[0013]本专利技术采用的第五种技术方案是利用如上所述一种基于模加运算实现太赫兹波束调控的可编程超表面的波束调控方法，所述可编程超表面上的电场分布E和远场辐射F之间存在傅里叶变化的关系，令u＝sinθcosφ,v＝sinθsinφ，θ和φ分别是任意方向的仰角和方位角，通过控制x和y轴方向上的电场分布，能够实现波束在uv空间内的全覆盖；所述可编程超表面的每个单元的电场相位响应对应行列相位之和，因此单元的编码状态对应行列编码的模数加法，能够表示为：
[0014][0015]其中S1、S2分别是沿x、y轴方向的编码矩阵，A0为振幅；E(S1)、E(S2)分别表示超表面在加载S1、S2编码矩阵时的电场分布，F(u,v)、F(u,0)、F(0,v)代表超表面在uv坐标下的远场辐射；因此通过两个正交编码序列单独控制能够分别实现u和v轴的波束偏转调控；两个编码序列的模加运算在所述可编程超表面上形成二维相位分布，当一个平面波垂直入射时，反射光束能够在半空间内沿着任何方位角偏转。
[0016]有益效果：本专利技术利用液晶材料的电光效应，引入了新型交叉架构，提出了基于模加运算实现太赫兹波束二维空间自由调控的方法，验证了通过行列单独编码实现太赫兹波束半空间调控的编码控制方法。其设计能够实现大的阵列规模，相比于传统太赫兹可编程超表面，控制线的数量大为减少。这一方法为提升波束调控器件的阵列规模和波束调控精度提供了有效途径。模加操作简化了动态波束调控的设计和实现，这一功能能够拓展到其他可编程器件和电磁频段。
附图说明
[0017]图1为本专利技术的基于模加运算实现太赫兹波束调控的可编程超表面的单元结构
图；
[0018]图2为本专利技术的基于模加运算实现太赫兹波束调控的可编程超表面的制备流程图；
[0019]图3为本专利技术的基于模加运算实现太赫兹波束调控的可编程超表面的测试示意图；
[0020]图4为基于模加运算实现太赫兹波束调控的可编程超表面的仅沿x轴施加编码时的波束分布图(a)和仅沿y轴施加编码时的波束分布图(b)；
[0021]图5为基于模加运算实现太赫兹波束调控的可编程超表面的同时施加x和y轴编码时的波束分布图；
[0022]图6为基于模加运算实现太赫兹波束调控的可编程超表面的波束仰角和方位角分布图。
具体实施方式
[0023]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。
[0024]本专利技术公开了一种基于交叉架构的液晶太赫兹可编程超表面，如图1所示，以液晶材料3为调谐单元，提出了基于模加运算实现太赫兹波束二维空间自由调控的方法，验证了通过行列单独编码并实现太赫兹波束半空间调控的编码本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于模加运算实现太赫兹波束调控的可编程超表面，其特征在于，包括第一层石英衬底、第二层石英衬底，生长在所述第一层石英衬底上的第一层金属结构、生长在所述第二层石英衬底上的第二层金属结构及所述第一层金属结构和第二层金属结构间封住的液晶材料。2.根据权利要求1所述一种基于模加运算实现太赫兹波束调控的可编程超表面，其特征在于，所述可编程超表面采用交叉架构，第一层金属结构由包含32个元素沿y轴排列的第一线阵组成，第二层金属结构由包含32个元素沿x轴方向排列的第二线阵组成。3.根据权利要求2所述一种基于模加运算实现太赫兹波束调控的可编程超表面，其特征在于，所述第一线阵和第二线阵选择性加载阈值电压或不加载电压，施加于所述可编程超表面的差值电压驱动液晶分子重新定向，液晶折射率发生改变，所述可编程超表面单元编码值等于将对应第一线阵和第二线阵编码值相加取模的结果。4.根据权利要求1所述一种基于模加运算实现太赫兹波束调控的可编程超表面，其特征在于，所述第一层金属结构为圆片，并由金属线连接同一列其他圆片，从而实现列控制；所述第二层金属结构为矩形。5.制备如权利要求1所述一种基于模加运算实现太赫兹波束调控的可编程超表面的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)衬底预处理：清洗第一层石英衬底和第二层石英衬底；(2)旋涂光刻胶：在第一层石英衬底和第二层石英衬底表面都旋涂上光刻胶LOR10B和AZ1500并烘干；(3)光刻：利用曝光和显影在光刻胶层上形成几何图形结构，曝光后用正胶显影液进行显影；(4)金属溅射沉积与剥离：使用磁控溅射仪器，在所述步骤(3)操作后的第一层石英衬底和第二层石英衬底上分别溅射沉积一层金属薄膜，对溅射完成的样品放在有机溶液中剥离；(5)制作液晶盒并灌注液晶：利用铜箔胶带和导电银胶将第一层金属结构的电极引出到背面，采用麦拉膜作为间隔层，将处理完后的第一层金属结构和第二层金属结构面...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴敬波，胡心昱，李威力，郭航兵，陈本纹，范克彬，张彩虹，金飚兵，陈健，吴培亨，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：
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