一种频率可重构超构体调制器及其应用

= 4.4mm，d= 2.0 mm，c= 5.2 mm；金属共地面厚0.2 mm，液晶厚2.4 mm，金属贴片厚0.2 mm，填充液晶的玻璃，厚度为0.1mm。
8.本发明还提出一种基于频率可重构超构体调制器的应用，包括馈源发送天线、馈源接收天线、超构体调制器以及偏置电压控制装置；馈源发送天线接收右旋圆极化波并传输至超构体调制器中，超构体调制器外接偏置电压控制装置并接收不同大小的偏置电压，超构体调制器将圆极化波转化为线极化波并发送至馈源接收天线，实现信号的圆极化转换。
9.所述超构体调制器在偏置电压控制装置外加偏置电压不同的情况下，超构体调制器工作频带发生移动；外加偏置电压为0 v状态下，右旋圆极化波在射入超构体调制器表面后透射出线极化波，与此同时，左旋圆极化波在射入超构体调制器表面后，反射出右旋圆极化波，实现吉赫兹电磁波的极化转换；外加偏置电压为20 v状态下，不同形式的圆极化波射入多功能的超构体调制器表面后，相比于偏置电压为0 v时，20 v情况下的工作频带向低频移动，实现工作频带的可调谐性。
10.所述超构体调制器在偏置电压控制装置外加偏置电压不同的情况下，液晶层分子长轴取向转变，液晶材料各向异性改变，实现工作带宽频率的可调谐性。
11.所述液晶层的材料为各向异性的向列型液晶，在外加偏置电压为0 v时，沿坐标轴三个方向的介电常数分别为：ε
x
= 2.49、εy= 3.63和εz= 2.49，在外加偏置电压为20 v时，介电常数分别为：ε
x
=2.49、εy= 2.49和εz= 3.63，其中玻璃介质的介电常数分别为ε1= 4.0，金属的电导率为5.8
×
107s/m。
12.所述天线的工作频段为6-10 ghz。
13.本发明具有其独特的性能和优势：(1)尺寸小：本发明的整体厚度为毫米级；(2)可调控：仅改变外加偏转电压可实现信号的频率调制，即频带移动；(3)多功能：本发明能同时实现透射功能下的圆线极化转换和反射状态下左旋到右旋的圆圆极化转换两种不同功能，以及信号的发送和接收。
14.(4)稳定性高：本发明选用液晶材质，其稳定的理化性质保证了器件的稳定性能。
附图说明
15.图1为本发明的频率可重构超构体调制器结构示意图；图2为本发明的频率可重构超构体调制器侧视图；图3为超构体调制器的2
×
2阵列的顶层金属贴片和底层金属贴片示意图；图4为本发明的频率可重构超构体调制器应用方法示意图；图5为本发明的频率可重构超构体调制器分别在v
bias
=0 v、v
bias
=20 v的透射系数图6为本发明的频率可重构超构体调制器分别在v
bias
=0 v和v
bias
=20 v时的透过系数的相位差；图7为本发明的频率可重构超构体调制器分别在v
bias
= 0 v和v
bias
= 20 v时左旋圆
极化波的极化转化率；图中：1-顶层贴片，2-液晶层，3-金属共地面，4-底层贴片，5-玻璃介质。
具体实施方式
16.下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
17.本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
18.本发明提出了一种多功能天线的设计和实现方法，特别是提出了通过调整偏置电压对超构体调制器透射、反射、极化转换功能的研究。通过改变外加偏置电压的大小来实现从高频到低频工作频带的转移，实现太赫兹电磁波的调制。本发明设计简化，能够做到小型化，可调控，属于高性能的多功能天线信号反射面。并且通过微型电机辅助可以实现圆极化天线发射线极化波和使用线极化天线低损耗接收圆极化波。
19.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：如图1-3所示，频率可重构超构体调制器，其周期结构包括两组a单元和b单元，a单元和b单元在横向与纵向上均交错阵列排布；每个单元分别包括顶层贴片和底层贴片、金属共地面以及由玻璃介质包裹的两层液晶层；顶层贴片和底层贴片之间自上而下设置液晶层、金属共地面、液晶层，各层依次相连；其中a单元和b单元的顶层贴片结构相同，并且a单元的顶层贴片和底层贴片关于金属共地面镜像对称，b单元的底层贴片将顶层贴片在表面内旋转90
°
后得到。
20.顶层贴片和底层贴片之间各层通过金属通柱依次相连；金属共地面的挖空通孔直径大于金属通柱直径的大小，以防止与金属通柱相接触；金属共地面实现防止共极化电磁波透射和充当公共地的作用。
21.超构体调制器由金属、向列型液晶和玻璃材料构成，其中液晶选用各向异性的向列型液晶，在外加偏置电压vbias =0 v时，沿坐标轴三个方向的介电常数分别为：ε
x
=2.49、εy=3.63和εz=2.49，在外加偏置电压为vbias =20 v时，介电常数分别为：ε
x
=2.49、εy=2.49和εz=3.63，其中玻璃介质的介电常数分别为ε1= 4.0，金属的电导率为5.8
×
107s/m。
22.所述超构体调制器由两种基本单元（单元a和单元b）组成2
×
2阵列排布。两种单元周期皆为11 mm，阵列周期为22 mm，超构体调制器的整体厚度为6.0 mm。金属共地面厚0.2 mm，液晶厚2.4 mm，金属贴片厚0.2mm，填充液晶的玻璃，厚度为0.1 mm。
23.如图4所示，基于频率可重构超构体调制器的应用，其特征在于，包括馈源发送天线、馈源接收天线、超构体调制器以及偏置电压控制装置；馈源发送天线接收右旋圆极化波并传输至超构体调制器中，超构体调制器外接偏置电压控制装置并接收不同大小的偏置电压，超构体调制器将圆极化波转化为线极化波并发送至馈源接收天线，实现信号的圆极化转换。
24.超构体调制器在偏置电压控制装置外加偏置电压不同的情况下，超构体调制器工
作频带发生移动；外加偏置电压为0 v状态下，右旋圆极化波在射入超构体调制器表面后透射出线极化波，与此同时，左旋圆极化波在射入超构体调制器表面后，反射出右旋圆极化波，实现吉赫兹电磁波的极化转换；外加偏置电压为20 v状态下，不同形式的圆极化波射入多功能的超构体调制器表面后，相比于偏置电压为0 v时，20 v情况下的工作频带向低频移动，实现工作频带的可调谐性。
25.超构体调制器在偏置电压控制装置外加偏置电压不同的情况下，液晶层分子长轴取向转变，液晶材料各向异性改变，实现工作带宽频率的可调谐性。
26.天线的工作频段为6-10 ghz。
27.如图5所示，当外加偏置电压分别在vbias =0 v和vbias =20 v附近时，右旋圆极化波的透射频带由7.84-9.48 ghz转移至7.44-9.04 ghz，整体频带向低频移动0.4 ghz，从而实现了信号的光控通断。
28.如图6所示，透射系数的相位差为0，满足圆线极化转化的条件。
29.如图7所示，当外加偏置电压分别在vbias =0 v和vbias = 20 v附近时，入射的左旋圆极化波反射出的右旋圆极化波的工作的极化转化性能。原来vbias = 0 v处工作在8.49 ghz处的单频点，在电压变为vbias=20 v后，向低频移动至8.15 ghz，并且工作带宽提升为7.56-9.05 ghz的宽频带，从而实现了信号极化状态的调制。
30.以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

技术特征：
1.一种频率可重构超构体调制器，其特征在于，其周期结构包括两组a单元和b单元，a单元和b单元在横向与纵向上均交错阵列排布；每个单元分别包括顶层贴片和底层贴片、金属共地面以及由玻璃介质包裹的两层液晶层；顶层贴片和底层贴片之间自上而下设置液晶层、金属共地面、液晶层，各层依次相连；其中a单元和b单元的顶层贴片结构相同，并且a单元的顶层贴片和底层贴片关于金属共地面镜像对称，b单元的底层贴片将顶层贴片在表面内旋转90
°
后得到。2.根据权利要求1所述的一种超构体调制器，其特征在于，所述顶层贴片和底层贴片之间各层通过金属通柱依次相连；金属共地面的挖空通孔直径大于金属通柱直径的大小，以防止与金属通柱相接触；金属共地面实现防止共极化电磁波透射和充当公共地的作用。3.根据权利要求1所述的一种超构体调制器，其特征在于，所述两种单元周期皆为11 mm，阵列周期为22 mm，超构体调制器的整体厚度为6.0 mm，上层贴片和底层贴片的具体参数为：a
1 = 0.88 mm，a
2 = 2.7 mm，b1=2.8 mm，b
2 = 0.8 mm，r
1 = 4.4 mm，d =2.0 mm，c =5.2 mm；金属共地面厚0.2 mm，液晶厚2.4 mm，金属贴片厚0.2 mm，填充液晶的玻璃，厚度为0.1 mm。4.根据权利要求3所述的一种基于频率可重构超构体调制器的应用，其特征在于，包括馈源发送天线、馈源接收天线、超构体调制器以及偏置电压控制装置；馈源发送天线接收右旋圆极化波并传输至超构体调制器中，超构体调制器外接偏置电压控制装置并接收不同大小的偏置电压，超构体调制器将圆极化波转化为线极化波并发送至馈源接收天线，实现信号的圆极化转换。5.根据权利要求4所述的一种基于频率可重构超构体调制器的应用，其特征在于，所述超构体调制器在偏置电压控制装置外加偏置电压不同的情况下，超构体调制器工作频带发生移动；外加偏置电压为0 v状态下，右旋圆极化波在射入超构体调制器表面后透射出线极化波，与此同时，左旋圆极化波在射入超构体调制器表面后，反射出右旋圆极化波，实现吉赫兹电磁波的极化转换；外加偏置电压为20 v状态下，不同形式的圆极化波射入多功能的超构体调制器表面后，相比于偏置电压为0 v时，20 v情况下的工作频带向低频移动，实现工作频带的可调谐性。6.根据权利要求5所述的一种基于频率可重构超构体调制器的应用，其特征在于，所述超构体调制器在偏置电压控制装置外加偏置电压不同的情况下，液晶层分子长轴取向转变，液晶材料各向异性改变，实现工作带宽频率的可调谐性。7.根据权利要求6所述的一种基于频率可重构超构体调制器的应用，其特征在于，所述液晶层的材料为各向异性的向列型液晶，在外加偏置电压为0 v时，沿坐标轴三个方向的介电常数分别为：ε
x = 2.49、ε
y = 3.63和 ε
z = 2.49，在外加偏置电压为20 v时，介电常数分别为：ε
x = 2.49、ε
y = 2.49和 ε
z = 3.63，其中玻璃介质的介电常数分别为 ε1=4.0，金属的电导率为5.8
×
10
7 s/m。8.根据权利要求4所述的一种基于频率可重构超构体调制器的应用，其特征在于，所述天线的工作频段为6-10 ghz。

技术总结
本发明涉及一种频率可重构超构体调制器及其应用，所述超构体调制器包括两组A单元和B单元，A单元和B单元在横向与纵向上均交错阵列排布；每个单元分别包括顶层贴片和底层贴片、金属共地面以及由玻璃介质包裹的两层液晶层。所述超构体调制器的应用包括馈源发送天线、馈源接收天线、超构体调制器以及偏置电压控制装置；馈源发送天线接收右旋圆极化波并传输至超构体调制器中，超构体调制器外接偏置电压控制装置并接收不同大小的偏置电压，超构体调制器将圆极化波转化为线极化波并发送至馈源接收天线，实现信号的圆极化转换。本发明设计简化且能够做到小型化，可调控，稳定性高。稳定性高。稳定性高。


技术研发人员：乔振 廖斯远 章海锋 张炜 曹如佳
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/8/5