基于液晶的太赫兹反射式电控扫描天线
发布时间：2020-10-20 21:26
随着太赫兹技术的迅猛发展,拥有波束赋形功能的太赫兹辐射器件在无线通信、雷达系统、医学成像与诊断、安全检测等领域的应用越来越广泛。而其中可重构反射阵列天线由于其高增益、低损耗、低旁瓣电平、波束赋形等特点,受到国内外研究人员的广泛关注。基于液晶的电控扫描天线可以利用液晶改变每一个阵元的反射相位,实现波束赋形的能力。本文利用液晶材料设计了一个太赫兹频段的双偶极子移相单元,基于该单元设计出电控扫描天线的整体结构。本文首先介绍了液晶材料的介电可调特性,利用太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)和频率选择表面(FSS)测试了三种向列型液晶E7、S200、HFUT-HB01在100GHz和300GHz的介电常数和损耗角正切,通过测试结果的对比分析得到HFUT-HB01的?ε最大,达到1.1。其次本文设计了一种基于液晶材料的双偶极子移相单元,通过软件仿真计算得到该单元的移相特性,研究了移相单元结构参数改变对移相性能的影响,仿真结果证明了液晶对移相单元反射相位的调节能力。通过光刻工艺制作完成移相单元阵列,该阵列刻蚀在4cm×4cm的石英玻璃片上,由40×40个阵列单元组成。通过测试得到HFUT-HB01制作的双偶极子移相单元在334.025GHz最大相移为428.5°,移相范围超过360°的带宽为7.575GHz。最后基于双偶极子结构设计了由30×30个阵列单元组成的电控扫描天线,通过软件仿真证明该天线可以实现25°的波束扫描功能,在波束角度为0°、12.5°、25°的最大增益分别为24.5 dBi、23.6 dBi、20.2dBi。本文的研究内容为太赫兹频段的可重构反射阵列天线提供了一个设计思路。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN820;O441.4;O753.2
【部分图文】：
第一章 绪论1.1 论文的研究背景与意义太赫兹频段指的是 0.1 THz 到 10 THz 之间的频率范围，位于电磁波谱中电子学领域与光学领域之间，如图 1.1 所示[1]。长期以来，受限于太赫兹波产生困难和损耗较高，太赫兹辐射源、太赫兹传播和太赫兹检测等技术没有得到很好的发展[2-4]。随着高功率太赫兹源的出现与发展[5-8]，太赫兹领域正在经历一场快速的革命，其中拥有波束赋形功能的太赫兹辐射器件在无线通信、雷达系统、医学成像与诊断、安全筛查等领域的应用也越来越广泛[9-15]。太赫兹技术拥有以下几个优势：可以增加无线通信的带宽和数据速率、为雷达提供更多定向波束、对隔离安全检测具有较高的灵敏度、与毫米波相比成像的分辨率更高。因此，发展高效率的太赫兹波束赋形器件是快速发展太赫兹产业的关键，其中相控阵天线由于其高增益、低损耗、低旁瓣电平、波束赋形、易于制造等特点，发展十分迅速[16-19]。
第一章 绪论在文献[34]中，E. Carrasco 等人利用 PIN 二极管设计制造了一个具有 244 个的可重构反射天线，在 X 波段进行了测量，如图 1.2 所示。该天线的移相单用孔耦合贴片结构，利用两根微带线进行馈电。设计出的天线可以实现三个方向的波束扫描，第一个波束方向为+5°，通过偏置该天线内部一半的 PIN管得到，偏置天线内部另一半的 PIN 二极管可以得到-5°的波束，当所有的 极管都被偏置时，波束方向为 0°。
图 1.3 天线的阵列结构示意图和天线的样品图Fig 1.3 Diagram of the antenna array structure and antenna sample于非线性材料设计的移相器和可重构天线 GHz 以上的频率中，集成元件(二极管、MEMS 等)存在难以损耗，意味着需要其他的技术设计应用于高频的移相器，而电可调特性设计出的移相器已被证明可以取代集成元件的作压偏置时会改变其相对介电常数，利用这种性质可以设计工相器，而且非线性材料在任意频段都是无寄生效应的(从直流微波和 THz 频段)。年来，铁电材料由于其介电各向异性被证明可以用于设计可文献[38]中，利用铁电薄膜作为介质基板制作出了 K 波段的有 16 个阵元，实现了 36°的波束扫描能力。该文章同时也研制微波或 THz 频段反射阵列天线存在的问题。一方面，较种移相器很难得到线性度良好的相位曲线，影响设计完成的
【参考文献】
本文编号：2849164
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN820;O441.4;O753.2
【部分图文】：
第一章 绪论1.1 论文的研究背景与意义太赫兹频段指的是 0.1 THz 到 10 THz 之间的频率范围，位于电磁波谱中电子学领域与光学领域之间，如图 1.1 所示[1]。长期以来，受限于太赫兹波产生困难和损耗较高，太赫兹辐射源、太赫兹传播和太赫兹检测等技术没有得到很好的发展[2-4]。随着高功率太赫兹源的出现与发展[5-8]，太赫兹领域正在经历一场快速的革命，其中拥有波束赋形功能的太赫兹辐射器件在无线通信、雷达系统、医学成像与诊断、安全筛查等领域的应用也越来越广泛[9-15]。太赫兹技术拥有以下几个优势：可以增加无线通信的带宽和数据速率、为雷达提供更多定向波束、对隔离安全检测具有较高的灵敏度、与毫米波相比成像的分辨率更高。因此，发展高效率的太赫兹波束赋形器件是快速发展太赫兹产业的关键，其中相控阵天线由于其高增益、低损耗、低旁瓣电平、波束赋形、易于制造等特点，发展十分迅速[16-19]。
第一章 绪论在文献[34]中，E. Carrasco 等人利用 PIN 二极管设计制造了一个具有 244 个的可重构反射天线，在 X 波段进行了测量，如图 1.2 所示。该天线的移相单用孔耦合贴片结构，利用两根微带线进行馈电。设计出的天线可以实现三个方向的波束扫描，第一个波束方向为+5°，通过偏置该天线内部一半的 PIN管得到，偏置天线内部另一半的 PIN 二极管可以得到-5°的波束，当所有的 极管都被偏置时，波束方向为 0°。
图 1.3 天线的阵列结构示意图和天线的样品图Fig 1.3 Diagram of the antenna array structure and antenna sample于非线性材料设计的移相器和可重构天线 GHz 以上的频率中，集成元件(二极管、MEMS 等)存在难以损耗，意味着需要其他的技术设计应用于高频的移相器，而电可调特性设计出的移相器已被证明可以取代集成元件的作压偏置时会改变其相对介电常数，利用这种性质可以设计工相器，而且非线性材料在任意频段都是无寄生效应的(从直流微波和 THz 频段)。年来，铁电材料由于其介电各向异性被证明可以用于设计可文献[38]中，利用铁电薄膜作为介质基板制作出了 K 波段的有 16 个阵元，实现了 36°的波束扫描能力。该文章同时也研制微波或 THz 频段反射阵列天线存在的问题。一方面，较种移相器很难得到线性度良好的相位曲线，影响设计完成的
【参考文献】
相关期刊论文 前4条
1 潘笑天;刘大伟;苗俊刚;;双偶极子多谐振液晶反射移相控制单元设计与仿真[J];现代电子技术;2015年15期
2 杨光鲲;袁斌;谢东彦;申小丹;;太赫兹技术在军事领域的应用[J];激光与红外;2011年04期
3 郑新;刘超;;太赫兹技术的发展及在雷达和通讯系统中的应用(Ⅱ)[J];微波学报;2011年01期
4 马恒;浮新普;女川博義;;液晶材料介电常数的毫米波频率特性研究[J];液晶与显示;2009年06期
相关硕士学位论文 前2条
1 马磊强;基于液晶材料的Ku波段电调谐移相器研究[D];哈尔滨工业大学;2015年
2 刘晓昕;液晶电控扫描漏波天线的研究[D];哈尔滨工业大学;2015年
本文编号：2849164
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