一种窄带连续可调液晶频率选择表面及其调控方法

摘要

本发明提供一种窄带连续可调液晶频率选择表面及其调控方法，属于电磁超材料技术领域。该频率选择表面由结构单元周期排列形成，单个结构单元从上至下依次为第一金属电极、第一介质层、第一金属贴片、液晶、第二金属贴片、第二介质层和第二金属电极，并且在两层介质层内设置金属圆柱。本发明频率选择表面采用金属电极和液晶的组合，通过给各个金属电极加电压，实现了在宽带高频率范围内的连续窄带可调，且结构简单易于实现。

权利要求

1.一种窄带连续可调液晶频率选择表面，其特征在于，包括m×n个结构单元，所述结构单元从上至下依次为第一金属电极、第一介质层、第一金属贴片、液晶、第二金属贴片、第二介质层和第二金属电极；所述第一金属电极、第一介质层、第一金属贴片、液晶、第二金属贴片、第二介质层和第二金属电极的宽度均相等，第一金属电极、第一金属贴片、液晶、第二金属贴片和第二金属电极的长度均相等；所述第一金属电极和第二金属电极尺寸相同；所述第一介质层和第二介质层尺寸相同，长度大于第一金属贴片长度；在第一介质层和第二介质层内，沿宽度方向对称设置尺寸相同的两排金属圆柱，两排金属圆柱之间的间距与第一金属贴片的长度相等，每排金属圆柱之间等间距分布，金属圆柱的高度与介质层高度相同，金属圆柱与金属电极和金属贴片形成屏蔽腔；第一列和第n列的结构单元不填充液晶，和介质层一起用于封装。

2.如权利要求1所述的窄带连续可调液晶频率选择表面，其特征在于，所述窄带连续可调液晶频率选择表面的长≥200mm，宽≥200mm。

3.如权利要求1所述的窄带连续可调液晶频率选择表面，其特征在于，所述第一金属电极的长度为2.6mm～3mm，宽度为0.5mm～1mm，高度为0.15mm～0.75mm；所述第一介质层的长度为4mm～7mm，高度为0.3mm～0.4mm；所述液晶的高度为0.015mm～0.105mm；所述金属圆柱的半径为0.06mm～0.09mm。

4.如权利要求3所述的窄带连续可调液晶频率选择表面，其特征在于，第一金属电极的长度为3mm，宽度为1mm，高度为0.75mm；所述第一介质层的长度为6mm，高度为0.35mm；所述液晶的高度为0.075mm；所述金属圆柱的半径为0.075mm，同排金属圆柱之间的间距为

0.33mm。

5.如权利要求4所述的窄带连续可调液晶频率选择表面，其特征在于，所述频率选择表面包括100×200个结构单元，频率选择表面整体尺寸为：长度200mm、宽度227.5mm、高度

6mm。

6.如权利要求1所述的窄带连续可调液晶频率选择表面，其特征在于，液晶和金属贴片的长度增大时，频率选择表面的透波带中心频点向低频移动，透波带带宽和插入损耗无影响。

7.如权利要求1所述的窄带连续可调液晶频率选择表面，其特征在于，金属电极的高度增大时，频率选择表面的透波带变窄，插入损耗变大，透波带中心频点无变化。

8.如权利要求1所述的窄带连续可调液晶频率选择表面，其特征在于，所述第一金属电极、第二金属电极、金属圆柱、第一金属贴片和第二金属贴片的材料相同，为铜、金或者银。

9.如权利要求1所述的窄带连续可调液晶频率选择表面，其特征在于，填充液晶的型号为TUD‑026型液晶。

10.一种窄带连续可调液晶频率选择表面的调控方法，其特征在于，通过对液晶上下的金属电极施加电压，调节液晶介电常数，从而控制频率选择表面的透波带连续可调。

说明书

一种窄带连续可调液晶频率选择表面及其调控方法

技术领域

[0001] 本发明属于电磁超材料技术领域，具体涉及一种窄带连续可调液晶频率选择表面及其调控方法。

背景技术

[0002] 频率选择表面是一种由谐振单元按一定的排列方式组成的周期结构，其具有良好的空间滤波性，能够在天线工作频段内传输带内电磁波同时反射带外电磁波，因此主要用
于隐身天线罩。为了确保天线的正常工作，要求频率选择表面对带外信号“隐身”的同时对
带内信号“透明”，这也使得频率选择表面在带内无法隐身。跳频天线在不同时刻工作于不
同的频率，因此，跳频天线可以通过切换工作频率来尽量避开敌方对天线的干扰，这也就要
求频率选择表面能随着跳频天线的工作频率改变而改变，即需要天线罩工作状态可以实时
改变，同时也对天线罩的性能提出了更高的要求。跳频天线工作时一般需要配备宽频带的
天线罩或者窄带连续可调的天线罩；而工作于宽频带的天线罩在保证天线自身工作条件的
同时也更容易被敌方干扰；窄带连续可调的天线罩在保证天线正常工作的同时也能尽可能
多地反射带外电磁波。目前关于窄带连续可调或者开关频率选择表面的相关研究中，
D.F.Mamedes等人(D.F.Ma medes,A.Gomes Neto,J.C.e Silva and J.Bornemann,"Design 
of reconfigurable frequen cy‑selective surfaces including the PIN diode 
threshold region,"in IET Microwaves,Antenna s&Propagation,vol.12,no.9,
pp.1483‑1486,25 7 2018)采用PIN二极管来实现频率选择表面的开关两种状态，从而实现
分别在4GHz和8GHz工作；Q.Guo等人(Q.Guo,Z.Li,J.Su,J.Song and L.Y.Yang,"Active 
Frequency Selective Surface With Wide Reconfigu rable Passband,"in IEEE 
Access,vol.7,pp.38348‑38355,2019)提出变容二极管设计方案使频率选择表面能在
2.92GHz～5.74GHz连续窄带可调；但上述方案中，随着工作频率升高，二极管的寄生参数影
响逐渐增大，导致其存在高频无法工作的问题。

[0003] 因此，如何实现应用于高频的窄带连续可调频率选择表面设计问题亟待解决。

发明内容

[0004] 针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种窄带连续可调液晶频率选择表面及其调控方法。该频率选择表面采用金属电极和液晶的组合，通过给各个金属电
极加电压，实现了在宽带高频率范围内的连续窄带可调，且结构简单易于实现。

[0005] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

[0006] 一种窄带连续可调液晶频率选择表面，其特征在于，包括m×n个结构单元，所述结构单元从上至下依次为第一金属电极、第一介质层、第一金属贴片、液晶、第二金属贴片、第
二介质层和第二金属电极；所述第一金属电极、第一介质层、第一金属贴片、液晶、第二金属
贴片、第二介质层和第二金属电极的宽度均相等，第一金属电极、第一金属贴片、液晶、第二
金属贴片和第二金属电极的长度均相等；所述第一金属电极和第二金属电极尺寸相同，长
为L1，宽为W1，高为H1；所述第一介质层和第二介质层尺寸相同，长为L2，高为H2，长度大于
第一金属贴片长度；在第一介质层和第二介质层内，沿宽度方向对称设置尺寸相同的两排
金属圆柱，两排金属圆柱之间的间距与第一金属贴片的长度相等，每排金属圆柱之间等间
距分布，间隔为d1，金属圆柱的高度与介质层高度相同，半径为R；所述液晶高为H3；所述第
一列和第n列的结构单元不填充液晶，和介质层一起用于封装。

[0007] 进一步地，所述窄带连续可调液晶频率选择表面的长≥200mm，宽≥200mm。

[0008] 进一步地，液晶和金属贴片的长度L1增大时，频率选择表面的透波带中心频点向低频移动，透波带带宽和插入损耗几乎无影响。

[0009] 进一步地，金属电极的高度H1增大时，频率选择表面的透波带变窄，插入损耗变大，透波带中心频点无变化。

[0010] 进一步地，所述结构单元中第一金属电极、第一介质层、第一金属贴片、金属圆柱和液晶的尺寸范围为：长度L1为2.6mm～3mm，L2为4mm～7mm，宽度W1为0.5mm～1mm，高度H1
为0.15mm～0.75mm，H2为0.3mm～0.4mm，H3为0.015mm～0.105mm，半径R为0.06mm～0.09mm。

[0011] 进一步地，所述结构单元中第一金属电极、第一介质层、第一金属贴片、金属圆柱和液晶的尺寸优选为：长度L1为3mm、L2为6mm、宽度W1为1mm、高度H1为0.75mm、H2为0.35mm、
H3为0.075mm、半径R为0.075mm、距离d1为0.33mm。

[0012] 进一步地，所述频率选择表面优选包括100×200个结构单元，频率选择表面整体尺寸为：长度200mm、宽度227.5mm、高度6mm。

[0013] 进一步地，所述第一金属电极、第二金属电极、金属圆柱、第一金属贴片和第二金属贴片的材料相同，优选为铜、金或者银。

[0014] 进一步地，填充液晶型号为德国默克公司的TUD‑026型液晶。

[0015] 一种窄带连续可调液晶频率选择表面的调控方法，通过对液晶上下的金属电极施加电压，调节液晶介电常数，从而控制频率选择表面的透波带连续可调。

[0016] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

[0017] 1.本发明通过给频率选择表面的各个金属电极加正负电压，调节液晶介电常数，从而控制频率选择表面的透波带连续可调，实现手段简单。

[0018] 2.本发明设计的液晶可调频率选择表面因其独特的结构设计，使得液晶介电常数在2.39～3.27变化时，在26.6～30.8GHz范围内都能实现窄带连续可调，选通性较高；在
26.6～30.8GHz范围内，窄带透波时，插入损耗小于0.5dB。

[0019] 3.本发明设计的频率选择材料采用金属层和液晶填充组合而成，结构实现简单，易于加工。

附图说明

[0020] 图1为本发明液晶可调频率选择表面结构单元示意图。

[0021] 图2为本发明液晶可调频率选择表面整体结构示意图。

[0022] 图3为液晶和金属贴片的长度L1参数仿真结果图

[0023] 图4为金属电极的高度H1参数仿真结果图

[0024] 图5为本发明液晶可调频率选择表面频率响应S21仿真结果图

[0025] 图6为本发明液晶可调频率选择表面频率响应S11仿真结果图。

具体实施方式

[0026] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

[0027] 一种窄带连续可调液晶频率选择表面，其特征在于，包括m×n个结构单元，所述结构单元从上至下依次为第一金属电极1、第一介质层2、第一金属贴片4、液晶5、第二金属贴
片6、第二介质层7和第二金属电极9；所述第一金属电极1、第一介质层2、第一金属贴片3、液
晶5、第二金属贴片6、第二介质层7和第二金属电极9的宽度均相等，第一金属电极1、第一金
属贴片3、液晶5、第二金属贴片6和第二金属电极9的长度均相等；所述第一金属电极和第二
金属电极尺寸相同，长为L1，宽为W1，高为H1；所述第一介质层2和第二介质层7尺寸相同，长
为L2，高为H2，长度大于第一金属贴片4长度；在第一介质层2和第二介质层7内，沿宽度方向
对称设置尺寸相同的两排金属圆柱3、8，两排金属圆柱之间的间距与第一金属贴片的长度
相等，每排金属圆柱之间等间距分布，间隔为d1，金属圆柱的高度与介质层高度相同，半径
为R；所述液晶高为H3；所述第一列和第n列的结构单元不填充液晶，和介质层一起用于封
装；其中，金属圆柱与金属电极和金属贴片形成屏蔽腔，阻止电磁波进入介质层(如果电磁
波进入了介质层，会弱化频率选择表面的性能)，从而保证频率选择表面的透波效果。

[0028] 频率选择表面的单元结构中，单元结构中液晶和金属贴片的长度L1增大时，频率选择表面的透波带中心频点向低频移动，透波带带宽和插入损耗几乎无影响，仿真结果如
图3所示；单元结构中金属电极的高度H1增大时，频率选择表面的透波带变窄，插入损耗变
大，透波带中心频点无变化，仿真结果如图4所示。液晶尺寸的长度L1增大时液晶体积明显
增大，等效为介电常数增大，而液晶尺寸的宽度W1的小幅度变化对频率选择表面的性能影
响可以忽略。

[0029] 实施例1

[0030] 图2为2×4个结构单元组成的频率选择表面的整体结构示意图。本实施例中，频率选择表面由所述结构单元100×200共20000个结构单元构成，其排列方式按照图2所示扩
展，其中第1列和第200列不填充液晶，该区域和相邻两层介质层一起用于填充封装材料用
于封装液晶。其中，结构单元的参数具体为：金属电极、介质层、金属圆柱、金属贴片和液晶
的尺寸参数优选为：长度L1为3mm、L2为6mm、宽度W1为1mm、高度H1为0.75mm、H2为0.35mm、H3
为0.075mm、半径R为0.075mm、距离d1为0.33mm，填充液晶型号为德国默克公司的TUD‑026型
液晶，不同的液晶型号其介电常数不同，从而影响频率选择表面的调控结果。

[0031] 从图2中可以看出，所述频率选择表面阵列总体尺寸为L×W×H，其中长度L为200mm、宽度W为227.5mm、高度H为6mm。

[0032] 所述结构单元中第一金属电极、第二金属电极、金属圆柱、第一金属贴片和第二金属贴片的材料为铜。

[0033] 实施例1中的尺寸均为经过计算及优化后的特定尺寸，如尺寸变化，透波效果会恶化。

[0034] 当电磁波从本实施例的频率选择表面正面垂直入射时(如图2，沿+z方向入射)，此时频率选择表面相当于一个空间带通滤波器，在26.6～30.8GHz范围内，可显示连续单点透
波特性。谐振频点通过液晶介电常数的变化调节，在介电常数为2.39～3.27变化范围内，谐
振频点可在26.6～30.8GHz范围内实现连续变化。此外，本频率选择表面结构采用了液晶作
为结构单元一部分，透波效果较好，插损值较小。

[0035] 用平面电磁波从结构正面垂直入射，进行电磁仿真的结果如图5和图6所示，横坐标均为频率，纵坐标均为S参数。其中，图5为S21仿真结果图，图5中液晶介电常数为3.27时
的曲线为例，以中心透波频点为26.65GHz，对应3dB绝对带宽为0.82GHz，相对带宽为3.3％，
属于窄带透波窗口。当液晶介电常数从3.27变化到2.39时，频率选择表面的窄带透波中心
频点从26.6GHz变化到30.8GHz，相对带宽为14.63％，且对应透波频点的S21大于‑0.5dB，
S11小于‑20dB，显示良好的透波特性。

[0036] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方
法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。