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基于液晶的太赫兹反射式相控阵天线研究

基于液晶的太赫兹反射式相控阵天线研究

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作者：蔡成刚合肥工业大学

学位级别：硕士

近年来,太赫兹技术在通信,无损检测,生物医学等领域都取得了长足的发展和应用。作为太赫兹应用系统中的重要组成部分,太赫兹相控阵天线却非常匮乏,限制了太赫兹应用技术的发展。液晶相移器件凭借其优异的电控调谐能力,可以实现在毫米波... 详细信息

近年来,太赫兹技术在通信,无损检测,生物医学等领域都取得了长足的发展和应用。作为太赫兹应用系统中的重要组成部分,太赫兹相控阵天线却非常匮乏,限制了太赫兹应用技术的发展。液晶相移器件凭借其优异的电控调谐能力,可以实现在毫米波及太赫兹频段的相位调节功能,同时基于液晶材料太赫兹反射式相控阵天线具有成本低,小型化以及灵活的电控波束扫描能力等优势,因而受到国内外研究人员的广泛关注。本文主要围绕太赫兹频段的反射式液晶移相单元及构成的反射式相控阵天线设计展开相关研究。本文首先介绍了液晶材料在微波及太赫兹频段的电磁特性,分析了液晶分子在不同电压下的排列情况,同时介绍了不同频段下液晶介电常数的测量方法。本文着重设计了一种双偶极子结构的反射式液晶移相单元,仿真并分析了该单元的移相特性。计算结果证明了液晶介电常数对反射波特性的调节能力,可以在350GHz左右的太赫兹频段实现良好的相位调节功能。加工双偶极子单元阵列并进行了测试,分别填充两种不同型号的液晶材料S200和HFUT-HB01进行了比较。对液晶施加不同的偏置电压信号,通过矢量网络分析仪测试反射系数的幅度和相位变化。测试结果显示S200型液晶可以在356 GHz实现240°的最大相移。采用HFUT-HB01液晶材料,加载40 V的偏置电压,在353.5-359.3 GHz的频段内可以实现350°以上相移,在357 GHz实现362°的最大相移。为了提高设计精度,采用了一种考虑了液晶各向异性和不均匀性的精确模型,并与均匀模型进行比较分析。最后基于双偶极子结构的液晶反射单元,设计了一个由40×40个单元组成的太赫兹反射阵列天线,并仿真计算了其辐射特性,计算结果显示该天线可以实现-20°-20°的扫描能力。研究工作为太赫兹频段内的电控扫描天线设计提供了一个解决方案。

关键词：太赫兹反射阵列天线电控波束扫描液晶移相单元

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