F波段液晶反射移相单元的研究

近年来,可调相控反射阵列天线越来越受到研究者和设计人员的关注,相比于传统的相控阵而言,它具有相对较低的成本,易于加工和物理尺寸小的优点。液晶是一种介于固态和液态之间的物质,具有对电场比较敏感以及比较大的双折射特性,能方便地通过改变外加电场或磁场实现谐调功能,同时液晶具有成熟的工业技术基础,使其在太赫兹领域有着广泛的应用前景,越来越多地应用在电控移相器,可重构反射阵列天线等。

液晶移相单元是利用液晶介电常数可调的性质来实现单元对反射电磁波相位的调节[1]。利用液晶移相控制单元可以用来实现可重构反射阵天线,液晶反射移相控制单元设计的关键是获取随液晶介电常数变化的反射系数曲线和相位控制曲线[2]。设计的第1步就是利用仿真获取这些曲线,目前设计液晶反射阵列移相单元时,是把液晶材料看成是均匀的,使用液晶的等效介电常数进行分析,然而事实上,由于上层基板下表面的贴片不能完全覆盖单元表面,外加电压时,电场分布将会不均匀,从而导致液晶分子定向的不均匀性,使得液晶的等效介电常数发生改变;另外,当外加电压时,液晶材料的各向异性也会增大[3]。作为可重构反射阵列天线的主要组成部分,反射阵列移相单元性能的好坏将直接影响天线的性能。如果在电磁仿真中,不考虑液晶的不均匀性和各向异性,在计算反射场的相位时将会产生一些误差,这将会影响反射阵列天线的性能[4-5]。

本文设计了工作于F波段的一种基于液晶的单偶极子反射移相控制单元,首先采用液晶的等效介电常数进行仿真分析,获取了移相单元的反射系数曲线和相位控制曲线;然后分析了精准模型的建模原理,采用精确模型对单偶极子模型在仿真软件里进行了精确建模,修正了等效介电常数模型的结果,并将等效介电常数模型和精确模型的仿真结果进行比较分析;最后利用 MEMS(micro-electro-mechanical system) 工艺制作了样品,利用矢量网络分析仪测试了样品的电控调谐特性,对获得的实验测试数据与精确建模的理论仿真结果进行了对比分析,证明了本文设计的液晶反射移相单元确实具备调节相位的能力,且在102 GHz附近能够实现190°以上的相移。

1 液晶反射移相单元结构分析

单偶极子液晶反射移相单元由顶层介质板、单偶极子贴片、液晶和底层介质基板构成,如图1所示。

图1 液晶反射单元结构示意图

聚酰亚胺薄膜被涂在顶层介质基板的下表面和金属基板的上表面,起到在无电压作用下液晶分子的定向作用[5]。为了保证导向膜起到导向的作用,液晶层的厚度需要控制在250 μm以下[6]。

本文采用石英玻璃作为介质基板,其厚度为1 mm,介电常数εq=3.75,损耗角正切tan δ=0.000 4,采用的液晶材料为S200,本文中将未加电时液晶的介电常数记为ε⊥,加饱和电压后液晶的介电常数记为ε//,这种材料介电常数的变化范围如下:ε⊥=2.47,tan δ⊥=0.03,ε//=3.06,tan δ//=0.02[7]。

两石英玻璃板之间的间隙构成了液晶层,其距离就是液晶的厚度;当未在印刷电路上施加外加电压时(偏置电压为0),聚合物涂层可使液晶分子在无偏置电压的情况下分子的取向平行于石英基板,与将要施加的电场方向是垂直的,此时液晶的介电常数为ε⊥,该聚合物涂层非常薄,对电磁场基本无影响;当在印刷电路上施加电压时,它和金属接地板之间就会形成电场,该电场将影响液晶分子的排列方向,液晶分子的排列方向随电场大小而改变,若偏置电压大于某一门限电压Vth后,则液晶分子排列方向平行于电场的方向,此时液晶层的等效介电常数为ε//。当外加偏置电压在0～Vth之间变化时,液晶层的等效介电常数也在ε⊥～ε//之间变化,从而改变贴片的反射相位值,达到移相目的[8]。

2 单偶极子液晶反射移相单元设计

由于没有精确的分析表达式去设计反射阵列单元,根据以下2个设计准则去优化参数,得到满足设计要求的单元尺寸:

(1) 反射阵列单元贴片的长度增加,其谐振频率将会降低,贴片长度大小可用来调整谐振频率,使设计获得需要的谐振频率;贴片的宽度大小对谐振频率有很细微的影响,石英玻璃厚度与贴片宽度产生相同的影响。

(2) 液晶层厚度减小,动态移相范围将增大,但损耗也将会增加,在设计时要综合考虑移相范围和损耗的关系。

经过对上述参数的探究,最终确定的单元结构的各个参数如下:石英玻璃厚度hq=1 mm,液晶层厚度hlc=0.045 mm,单元长度Px=Py=1.1 mm,贴片尺寸lx=0.2 mm,ly=0.75 mm,贴片材料和接地板为金属铜,厚度为500 nm,电导率设置为σ=5.8×107S/m。

移相单元在102 GHz处的最大相移约为235°,如图2所示。

图2 反射阵列移相单元反射系数S11和相位

优化设计后的仿真结果显示,此单偶极子单元具有小于-10 dB的损耗和235°的移相范围。

3 液晶反射移相单元精准模型分析

3.1 考虑液晶材料各向异性与不均匀性模型

当前对液晶微波器件的研究一般是把液晶当成是均匀的、各项同性的材料进行仿真分析的,其介电常数在2个极端值ε⊥和ε//之间变化。但是构成谐振单元的贴片不能完全覆盖单元表面的结构,加电后的静电场和RF场将会有3个矢量分量,这将产生2个方面的影响:① 由于液晶分子不能被均匀地定向,将使液晶材料具有不均匀性;② 增加了液晶各向异性的影响。如果在电磁场模拟时不考虑液晶的不均匀性和各向异性的影响,计算的反射场的相位将产生一些误差。根据文献[9]的精确电磁场模型,对该结构液晶取向的不均匀性和各向异性的影响进行分析,接下来的设计中将采用精确模型法对设计结构进行仿真,进而与等效介电常数模型法比较分析。

(1) 考虑各向异性。在仿真分析时,将液晶材料类型设置为各向异性。聚合物涂层使分子定向在x方向,因此2个极端状态的介电常数张量分别为[9]:

(2) 考虑不均匀性。为了分析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,为了简化模型,此处本文只考虑x(或y)轴上的不均匀性,分区域块模型如图3所示。RR区域由于离偶极子比较远,可近似看成是未加电状态,即此处介电常数可近似认为是ε⊥,因此是均匀区域;BR区域由于是处于2个偶极子下面和偶极子之间的区域,且2个偶极子的间距不大,因此可看成是电压达到饱和时的状态,故也是均匀区域;Ri(i=1,2,3)被认为是不均匀区域,因此在建模时将其分成若干小的区域块,每个子区域块可看成是液晶分子均匀分布。

图3 外加偏压时液晶层不均匀性分布

3.2 精准模型仿真结果分析

精确模型与等效介电常数模型的S11反射系数的幅值与相移特性曲线对比结果如图4所示。

由图4a可以看出,相比等效介电常数模型,当考虑各项异性与不均匀性的精确模型时,介电常数ε⊥=2.47时,反射系数的谐振频率略有增加,介电常数ε//=3.06时,反射系数的谐振频率减小;由图4b可以看出,在等效介电常数模型中,移相单元在102 GHz附近实现的最大移相度为240°,而在精确模型中,移相单元在102 GHz实现了195°的最大移相度。

图4 精确模型与等效介电常数模型的S11与相移特性曲线

由此可见,当在导电贴片和接地板之间逐渐加大电压,使其达到饱和状态时,由液晶的各向异性和不均匀性产生的移相差值达到45°之多,而且产生最大移相度的频率点也会改变,这将会影响反射移相单元在反射阵列天线设计应用中的性能,是不能被忽略的。

4 实验结果分析

实际加工的完整器件如图5a所示,整个器件由以下几个部分构成:上层石英玻璃下表面通过光刻技术刻有30×30个贴片单元,石英玻璃的尺寸为4 cm×4 cm,厚度为1 mm,贴片单元的材料是金属铜,每一行的30个单元由20 μm宽的偏置电压线相连,下层石英玻璃整个上表面镀有金属铜,两层石英玻璃之间灌满厚度为45 μm的液晶材料S200,该材料的介电常数变化范围是2.47 ～3.06。实际测试系统如图5b所示,测试系统主要由N5224A 矢量网络分析仪、 VDI 公司 N5257AR02 混频器模块和工作频段在90～140 GHz的角锥喇叭天线组成,给器件从0加直流电压至20 V,测量得到实验数据,S11参数和相移曲线如图6所示。

通过对比精准模型的仿真结果和实验结果,发现实际的S11参数向右侧有一定的偏移,并且液晶反射移相单元的损耗要比仿真中大。由于制作的器件本身和理想条件有一定误差,实际制作的单偶极子单元的尺寸比仿真中的理想尺寸略小,经过测量得出实际的单偶极子的宽度lx约为0.19 mm,长度ly约为0.74 mm,这造成了实际的S11参数向右侧有一定的偏移,而且由于实际测试中存在较多干扰,造成了实际的损耗要比仿真中的大。

图5 实际加工的器件和测试系统

图6 实际测量的S11参数和相移曲线

从上文可以得出,精准模型的仿真结果显示在102 GHz有最大移相度,约为195°,而当器件从0 加电压到20 V时,在频点102 GHz附近,移相度可以达到190°以上,通过对比精准模型的仿真结果和实验结果,能够看出精准单元模型与实验结果的S11参数以及最大移相度是基本吻合的,这证明了本文设计的液晶反射移相阵列确实具备移相的能力,而且可以实现大于190°以上的移相范围,具有良好的移相特性。

5 结 论

本文设计了一种工作在F波段的液晶反射移相阵列,首先利用CST(computer simulation techndogy)电磁仿真软件对阵列单元的结构进行了优化设计,确定了单元结构的各个参数,获得了等效介电常数模型下移相单元的反射系数和相位的曲线,并基于液晶材料的不均匀性和各向异性,建立了更精准的电磁仿真模型,对比2种仿真模型,得出两者的移相范围相差45°左右,这说明了在实际的单元仿真设计中,液晶的不均匀性和各向异性是不可忽略的。最后,进行了器件的加工与实验测试,通过实验结果可以得出,实际加工的器件在频点102 GHz附近能实现190°以上的相移,证明了本文所设计的液晶反射移相阵列确实具备调节相位的能力,可以应用到实际的可重构天线的设计当中。