本發(fā)明屬于太赫茲雷達(dá)成像領(lǐng)域，特別涉及一種基于石墨烯電極的反射式液晶移相單元。

背景技術(shù)：

與傳統(tǒng)的微帶陣列天線以及拋物面反射天線相比，平面反射天線具有很多優(yōu)點(diǎn)。平面反射陣列天線構(gòu)造簡單，成本較低，具有較低的損耗和較高的輻射效率。反射陣列天線的原理是利用反射單元的移相功能來實(shí)現(xiàn)波束的聚焦。反射陣列天線研究的關(guān)鍵是通過設(shè)計(jì)反射單元的結(jié)構(gòu)和尺寸，使之獲得優(yōu)異的移相性能。傳統(tǒng)的微帶反射單元可以通過改變單元貼片的尺寸或者加載相位延遲線來獲得補(bǔ)償相位。這樣天線的結(jié)構(gòu)確定后，反射單元的相位也就不可改變，無法實(shí)現(xiàn)相控陣天線的波束掃描。若要實(shí)現(xiàn)電控等方式控制單元的相移變化，則需要給每個(gè)單元添加一個(gè)移相器。目前的相控陣反射陣天線中最常用的有PIN二極管、變?nèi)荻O管、MENS移相器等。但這些移相器受到高頻段的寄生效應(yīng)，加工難度大等因素的制約，只能工作在W波段一下，很難工作在更高的頻段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種可以工作在太赫茲波段的基于石墨烯電極的反射式液晶移相單元，本發(fā)明具有小型化，低成本，結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，可以采用電控的方式改變單元的移相特性，同時(shí)利用石墨烯層增加移相單元的工作帶寬。

本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：

一種基于石墨烯電極的反射式液晶移相單元，包括有上、下兩層介質(zhì)基板，上、下兩層介質(zhì)基板的間隙中注入有液晶層，其特征在于：所述上層介質(zhì)基板下表面設(shè)有若干通過連接線依次串聯(lián)的金屬貼片，形成一層金屬微帶結(jié)構(gòu)；所述下層介質(zhì)基板上表面全覆蓋一層石墨烯層，形成石墨烯電極，下層介質(zhì)基板下表面全覆蓋一層金屬層，形成金屬接地電極。

所述的基于石墨烯電極的反射式液晶移相單元，其特征在于：所述液晶層采用向列型液晶材料。

所述的基于石墨烯電極的反射式液晶移相單元，其特征在于：所述若干金屬貼片為三個(gè)偶極子貼片。

所述的基于石墨烯電極的反射式液晶移相單元，其特征在于：通過連接線在金屬貼片以及石墨烯電極上施加電壓，在所述的液晶層中形成偏置電場，偏置電場使得液晶分子的排列方向產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而改變液晶介電常數(shù)，使得反射波相位改變；同時(shí)，通過改變石墨烯電極的偏壓，可以改變石墨烯的化學(xué)勢能，從而改變移相單元的工作頻率。

本發(fā)明采用三偶極子金屬貼片結(jié)構(gòu)，使得液晶移相單元可以獲得所需的移相性能，同時(shí)偶極子貼片具有結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，易于加工。在下層基板的上表面覆蓋一層石墨烯層作為電極，有效的拓展了單元的工作帶寬。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明的移相單元利用液晶材料介電常數(shù)可電調(diào)節(jié)的特性，實(shí)現(xiàn)電控的方法實(shí)現(xiàn)單元連續(xù)的移相特性；同時(shí)，通過改變石墨烯電極的偏壓，可以改變石墨烯的化學(xué)勢能從而大大增加了移相單元的工作帶寬；本發(fā)明同時(shí)具有小型化，加工難度低，成本低等特點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 為本發(fā)明中液晶移相單元的結(jié)構(gòu)的主視圖。

圖3為本發(fā)明中上介質(zhì)基板下表面金屬貼貼片結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是石墨烯化學(xué)勢能為0.1eV時(shí)液晶移相單元的移相曲線。

圖5時(shí)石墨烯化學(xué)勢能為0.5eV時(shí)的液晶移相單元移相曲線。

圖中標(biāo)號(hào)：1上層介質(zhì)基板，2下層介質(zhì)基板，3液晶層，4石墨烯層，5金屬貼片，6連接線，7金屬層。

具體實(shí)施方式

如圖1-3中所示，一種基于石墨烯電極的反射式液晶移相單元，包括有上、下兩層介質(zhì)基板1、2，上、下兩層介質(zhì)基板1、2的間隙中注入有液晶層3，上層介質(zhì)基板1下表面設(shè)有若干通過連接線6依次串聯(lián)的金屬貼片5，形成一層金屬微帶結(jié)構(gòu)；下層介質(zhì)基板2上表面全覆蓋一層石墨烯層4，形成石墨烯電極，下層介質(zhì)基板2下表面全覆蓋一層金屬層7，形成金屬接地電極。

液晶層3采用向列型液晶材料。若干金屬貼片5為三個(gè)偶極子貼片。

通過連接線6在金屬貼片5以及石墨烯電極上施加電壓，在所述的液晶層3中形成偏置電場，偏置電場使得液晶分子的排列方向產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而改變液晶介電常數(shù)，使得反射波相位改變；同時(shí)，通過改變石墨烯電極的偏壓，可以改變石墨烯的化學(xué)勢能，從而改變移相單元的工作頻率。

具體實(shí)施過程中，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)置包括：

上層介質(zhì)基板1為邊長為L、厚度為H_q1的正方體結(jié)構(gòu)，下層介質(zhì)基板2為邊長為L、厚度為H_q2的正方體結(jié)構(gòu)。

上層介質(zhì)基板1上的三偶極子貼片關(guān)于x軸對稱排列，其長度分別為，L_y1，L_y2，L_y3，寬度為L_x1=L_x2=L_x3。三偶極子貼片距離單元邊緣的距離分別為D₁，D₂，D₃。并與所述的三偶極子貼片呈“十”字交叉刻蝕一條寬度為w,長度為L的連接線。金屬微帶結(jié)構(gòu)的厚度均為t。

下層介質(zhì)基板2上表面全覆蓋一單層石墨烯層4作為石墨烯電極，在下層介質(zhì)基板2下表面全覆蓋一厚度為t的金屬層7作為接地電極。

通過連接線6在金屬貼片5上以及石墨烯電極上施加電壓，在所述的液晶層中形成偏置電場，偏置電場使得液晶分子的排列方向產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而改變液晶介電常數(shù)，使得反射波的相位改變，達(dá)到移相的功能。通過改變石墨烯電極的偏壓，可以改變石墨烯的化學(xué)勢能，從而改變移相單元的工作頻率。

具體實(shí)施中液晶層的厚度為為H_lc，將液晶材料灌入介質(zhì)基板之間的縫隙后，采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行密封，并在液晶層的上下表面用聚酰亞胺膜定向。

在具體的應(yīng)用中設(shè)置：

單元的尺寸L=405μm，貼片的尺寸：L_x1=L_x2=L_x3=36μm，L_y1=187μm，L_y2=200μm，L_y3=215μm，D₁=49μm，D₂=D₃=100μm。液晶層的厚度為45μm，上層介質(zhì)基板厚度為200μm，下層介質(zhì)基板厚度為20μm，金屬微帶結(jié)構(gòu)和金屬接地電極的厚度均為2μm，連接線的寬度為5μm。液晶層中的液晶材料選用GT3-23001，金屬接地電極、金屬貼片和連接線均以金屬銅為材質(zhì)。介質(zhì)基板采用石英材料，介電常數(shù)為3.78，損耗正切為0.002。

通過軟件仿真得到的液晶移相單元的移相曲線如圖4和圖5所示，隨著液晶介電常數(shù)的變化，移相單元的反射相位也隨之改變?？梢钥闯觯景l(fā)明液晶移相單元具有優(yōu)秀的移相性能。同時(shí)，通過改變石墨烯電極的化學(xué)勢能，移相單元的工作頻帶得到了極大的展寬。