基于液晶材料的电磁超材料机理及功能性器件研究

发布时间：2020-03-20 21:51

【摘要】：随着现代雷达和通信技术的高速发展,为实现各种目的,载体上搭载的微波器件数量急剧增多,所负载的重量随之不断加大,搭建整个系统所需的费用也不断上升。而且,随着搭载的微波功能器件密度的不断提高,器件之间的电磁耦合干扰变得非常严重,甚至导致整个通信系统无法正常工作。从降低通信系统的整体成本、减轻重量、减小雷达散射截面、以及实现良好的电磁兼容特性等方面来说,上述这些现象都非常有害,已成为制约现代通信系统向综合信息系统方向发展和应用的关键难点问题。而电磁超材料技术作为二十一世纪的热点技术,对促进通信系统的提升及解决上述问题有着极大帮助;同时,开发新型微波介电材料也能有效地解决微波器件性能及小型化问题。故针对微波通信系统研究的重点、难点,本文从电磁超材料技术和液晶(Liquid crystal,LC)材料在微波器件中的应用技术着手,进行了相应的详尽研究。本文的主要研究工作如下:1.微波向列相液晶材料研究针对现阶段国产液晶的电磁特性无法满足微波应用需求,自主设计、合成与提纯精制出适用于微波频段的液晶化合物以及其向列型混合液晶材料;针对K波段微波向列相液晶的物理特性,开展K波段用液晶化合物及其液晶组合物的相态和介电性能测试、分析研究。借此研制出适用于K频段可满足微波器件用的高介电各向异性、低粘度、高电阻率、快速响应、低介质损耗的“高介低耗”向列相液晶材料,材料的可变介电范围△ε_r1.12,正切角损耗tanδ_(εr max)0.02。此研究填补了国内微波用液晶材料的空白,完整了自主知识产权体系,对推进我国航天、国防军事和民用通讯等方面液晶微波器件的研究发展起到了极大促进作用。2.超材料及微波向列相液晶超材料机理研究针对现有的平面超材料无法同时实现大角度多频段极化转换的缺陷,设计一种基于新型超材料的双波段圆极化器。该超材料的结构更简单,可在两个谐振频率下将大角度范围内的斜入射的线极化波转换为左旋/右旋圆极化(left/right-handed circular polarization,L/RCP)波出射。接着针对实现超材料具有更高的调控自由度并实现更多功能的问题,将微波向列相液晶材料引入设计思路,设计出了一种基于电控微波向列相液晶的任意基数字编码超材料,编码是通过对液晶加载偏压从而使出射波发生相移来实现的。通过理论推导,数值模拟和初步实验,验证了该编码机制的有效性。接着对这款液晶超材料提出了两种具有代表性的编码超材料应用,即波束控制和雷达散射截面缩减,结果表明,该液晶超材料在54 GHz的频点上将输出波束从0°偏转到27°,且将雷达散射截面从51GHz一直到56GHz频段范围内均至少降低10dB,结果证明了该新型液晶数字编码超材料的合理性。基于微波向列相液晶的数字超材料的编码自由度得到了很好的证明。3.向列相液晶微波功能器件研究针对Ku频段和Ka频段宽带卫星通信领域以及物联网通信领域天线和射频小型化技术,及提升可重构微波天线性能问题,提出对小型化K波段液晶移相器制造技术做专门研究,以突破现有微波功能器件技术的瓶颈问题。提出了基于异形基板结构的液晶微波移相器结构和封装方法,解决大盒厚液晶移相器器件的封装、均匀性问题,同时满足微波微带线的导波传输条件;提出了基于液晶显示器封装的密封性测试方法与液晶材料质量评价手法相结合,解决了微波液晶相移器的漏率测试问题;通过工艺优化,解决了因为封框胶截面积大而引发的框胶塌陷和框胶涂布不均问题;提出分布式逐点控制技术进行液晶移相器的偏置电压控制,以实现高精度的微波移相功能。有效地实现了能在K波段实现360°移相量的小型化K波段液晶移相器的样件产出。继而针对天线小型化、多功能的要求,改变原有可调谐元器件不能完美工作于高频段的状况,将小型化K波段液晶移相器用于设计可重构天线,设计出一款基于液晶技术的频率和方向图可重构天线阵,通过设计与分析,该天线阵可以在14.5GHz到16.4GHz之间动态地改变其工作频率,波束方向也可以在-20°到20°之间连续动态调整。
【图文】：

3(a) (b)图 1-1 (a)6CB 液晶的分子结构；(b)1.5 THz 降低温度情况下的 5CB、6CB 和 7CB 液晶折射率和吸收系数[6]

向列相液晶宽带测量(a)向列相液晶宽带测量装置的结构透视图;(b)侧视图；(c)
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB34;TN12

【参考文献】

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1 马恒;浮新普;女川博，

本文编号：2592251