用于波束控制天线的液晶可调谐超颖表面的制作方法

本申请要求于2016年9月22日提交的美国临时专利申请第62/398,141号以及于2017年6月22日提交的美国专利申请第15/630,456号的优先权和权益，两件申请的标题均为“liquid-crystaltunablemetasurfaceforbeamsteeringantennas”，其内容通过引用并入本文。

本公开内容涉及天线。特别地，本公开内容涉及用于波束控制天线的液晶可调谐超颖表面。

背景技术：

天线系统中的信号强度取决于许多因素，例如从接收机到发射机的距离、发射机与接收机之间的障碍物、信号衰落、多路径接收、视线干扰、菲涅耳区干扰、射频(radiofrequency，rf)干扰、天气状况、噪声等。这些因素中的任何一个或组合都可能导致连接不良、连接断开、低数据率、高时延等。为了减轻这些因素，可以调整发射机天线和/或接收机天线的辐射图的波瓣以引导接收机与发射机之间的波瓣。自适应波束形成器或波束控制自动地调整(发射机、接收机或两者的)天线响应以补偿信号损失。在波束形成器中，干涉和构造图可以被用于使用天线间隔以及来自天线阵列中的每个天线的信号发射的相位来改变来自多个天线的信号波束的形状和方向。波束控制可以通过控制每个发射机处的信号的相位和相对幅度来改变主瓣的方向性。

作为具有可以根据需要来改变的电磁特性的人造片材的超颖表面可以控制em波的反射和透射特性。例如，超颖表面可以是包含具有与工作波长相比的相对小的周期性的电小散射体的二维周期结构。在sievenpiper等人的“two-dimensionalbeamsteeringusinganelectricallytunableimpedancesurface”(ieeetrans.onantennasandprop，第51卷，第10期，第2713至2721页，2003年10月)中描述了用于波束控制系统的超颖表面。sievenpiper公开了利用使用变容二极管加载的电可调谐阻抗表面的二维波束控制。对于需要超过数百个二极管的大表面的高频率而言，使用变容二极管加载变得不切实际。对于通信应用，由于变容二极管的非线性特性，变容二极管的使用可能是不可取的，其中变容二极管的非线性特性可以导致由无源互调(passiveintermodulation，pim)而引起的不期望的噪声。

技术实现要素：

描述了其反射相位可以被电子地重配置以允许有效的天线波束控制的电子可调谐超颖表面的示例实施方式。

根据一个示例方面是一种用于反射入射波以实现波束控制的超颖表面。超颖表面包括第一双面基板和第二双面基板，第一双面基板和第二双面基板限定介于其间的包含向列相液晶的中间区域。第一基板具有在其面向第二基板的面上形成的第一微带贴片阵列，第一微带贴片阵列包括各自电连接至公共电位的微带贴片的二维阵列。第二双面基板具有在其面向第一基板的面上形成的第二微带贴片阵列，第二微带贴片阵列包括各自具有相应的导电端子的微带贴片的二维阵列。第一微带贴片阵列和第二微带贴片阵列被对齐以形成单元(cell)的二维阵列，每个单元包括被设置在与第二微带贴片阵列的微带贴片间隔开的相对位置处的第一微带贴片阵列的微带贴片，其中一定量的液晶位于第一微带贴片阵列的微带贴片与第二微带贴片阵列的微带贴片之间。微带贴片第二阵列的微带贴片的导电端子允许将控制电压施加至单元以控制所述一定量的液晶的介电值，从而允许选择性地调整单元的反射相位。

超颖表面可以包括处于第一基板上的网格状丝网，第一微带贴片阵列的每个微带贴片电连接至网格状丝网的相应点以提供公共电位。网格状丝网可以形成在第一基板的与其上形成有第一微带贴片阵列的面相反的面上，第一微带贴片阵列的每个微带贴片通过延伸穿过第一基板的相应镀制通孔电连接至网格状丝网。延伸穿过第二基板的相应导电端子也可以均是镀制通孔。

在一些配置中，第一基板的厚度和包含液晶的中间区域的厚度均小于入射波的预计最小工作波长的1/4。

根据另一方面是一种用于反射入射波以实现波束控制的超颖表面。超颖表面包括：丝网层；大体平行于丝网层的接地平面层；以及在丝网层与接地平面之间的多个单元，每个单元包括其间具有向列液晶层的一对微带贴片。

根据另一方面是一种波束控制方法。该方法包括：提供超颖表面以反射来自天线的入射波，超颖表面包括单元的二维阵列，其中每个单元包括一定量的液晶；向与超颖表面的多个单元相关联的控制端子施加电压，该电压确定每个单元内的液晶分子的取向；以及通过改变分子的取向来调节每个单元的谐振频率，从而调节入射波的相位。

提供超颖表面可以包括：提供具有中间基板层的第一印刷电路板(printedcircuitboard，pcb)，其中，中间基板层具有在基板层的一个面上形成的微带贴片的第一二维阵列以及在基板层的相反面上形成的网格状丝网，第一二维阵列的每个微带贴片通过延伸穿过中间基板层的导体电连接至丝网上的相应点；提供具有中间基板层的第二pcb，其中，中间基板层具有在基板层的一个面上形成的微带贴片的第二二维阵列，第二二维阵列的每个微带贴片具有延伸穿过第二基板的相应导电控制端子；以及在向列态液晶层介于第一pcb与第二pcb之间的情况下布置第一pcb和第二pcb，使得第一二维阵列的微带贴片各自与第二二维阵列的相应微带贴片对齐以形成单元的二维阵列。

附图说明

现在将通过示例的方式来参照示出本申请的示例实施方式的附图，并且在附图中：

图1是液晶可调谐超颖表面的顶视图；

图2是图1的液晶可调谐超颖表面的底视图；

图3是图1的液晶可调谐超颖表面的侧视截面图；

图4是图4的液晶可调谐超颖表面的单位单元的侧视截面图；

图5是图1的液晶可调谐超颖表面的单位单元的选择元素的顶视图；

图6是示出向列液晶的一般各向异性特性的图；

图7是液晶可调谐超颖表面的单位单元的等效电路的示意图；

图8是液晶可调谐超颖表面的单位单元的另一等效电路的示意图；

图9是液晶可调谐超颖表面的仿真反射幅度的图；以及

图10是液晶可调谐超颖表面的仿真反射相位的图；

图11是根据示例实施方式的方法的流程图。

在不同的图中可能已经使用了相似的附图标记来指代相似的部件。

具体实施方式

根据示例实施方式在图1至图5中示出了电子可调谐超颖表面100。超颖表面100是加载有液晶的可调谐片，其提供可以被电子地重配置以允许有效的天线波束控制的反射相位。超颖表面100是高阻抗表面并且包括上表面或面102(如图1所示)、下表面或面104(如图2所示)，并且包括用于反射波束控制天线应用的可寻址单元106的阵列。在示例实施方式中，单元106被布置成提供实现电小散射体阵列的二维周期性结构。单元106的尺寸被选择成使得单元阵列的周期性与超颖表面100预计反射的无线电波的工作波长相比相对小。在一些示例中，单元具有小于最小预计工作波长的四分之一的周期性。

现在将根据示例实施方式来描述超颖表面100的物理实现。图3示出了超颖表面100的一排单元106的侧视截面图，并且图4示出了如图3中的虚线框4所指示的单元106中的一个单元的放大侧视截面图。在所示实施方式中，超颖表面100包括分别限定上面102和下面104的上多层双面印刷电路板(printedcircuitboard，pcb)120和下多层双面pcb122。电子可调谐液晶(liquidcrystal，lc)146的子工作波长层位于上pcb120与下pcb122之间。

上pcb120具有中央非导电基板层(在图3和图4中以交叉影线示出)。网格状丝网118形成pcb120的顶层，并且导电微带贴片140的二维阵列形成pcb120的底层，其中导电微带贴片140中的每一个由绝缘槽或间隙148围绕。在所示实施方式中，每个微带贴片140通过从贴片140的中心延伸穿过pcb120基板层的导电镀制通孔(plated-throughhole，pth)过孔112电连接至丝网118的相应交叉点，使得丝网118为微带贴片140中的每一个提供共同的dc返回路径。图5示出了单个单元106的丝网118和微带贴片140层的顶视图(pcb120的基板层没有在图5中示出)。在示例实施方式中，可以通过形成穿过pcb120基板层的孔并且对孔进行镀制来提供pth过孔112，可以通过从pcb120的下表面上的导电层蚀刻间隙148来形成微带贴片140，以及可以通过对pcb120的上层上的导电层进行蚀刻来类似地形成网格状丝网118。

下pcb122具有中央非导电基板层(在图3和图4中以交叉影线示出)。导电微带贴片142的二维阵列形成下pcb122的顶层，其中每个导电微带贴片142均由绝缘槽或间隙148围绕，并且在形状和周期性上与上pcb微带贴片140对应；以及导电接地平面130形成了pcb122的底层。每个微带贴片142电连接至相应的导电镀制通孔(plated-throughhole，pth)过孔114，pth过孔114从贴片142的中心延伸穿过pcb122基板层至接地平面130层。接地平面130包括基板层上的开口阵列，开口在接地平面与pth过孔114之间形成圆形间隙，使得接地平面130与pth过孔114中的每一个电隔离，从而允许独一的控制电压被施加至每个pth过孔114。在示例实施方式中，可以通过形成穿过pcb122基板层的孔并且对孔进行镀制来提供pth过孔114，可以通过从pcb120的上表面上的导电层蚀刻出间隙148来形成微带贴片142，而可以通过对pcb120的下层上的导电层进行蚀刻以提供围绕pth过孔114中的每一个的绝缘开口来类似地形成接地平面130。

在上述示例实施方式中，通过穿过接地平面130能访问的pth过孔114将控制电压提供给下微带贴片142。其他实施方式可以具有不同的构造，包括可以集成到基板122中以向微带贴片142中的每一个提供导电控制端子的控制线层。

如上所述，上pcb120和下pcb122被定位成彼此相对间隔开，液晶中间层146位于上pcb120和下pcb122之间。上pcb微带贴片140和下pcb微带贴片142彼此对齐以形成单元区域144的阵列，其中每个单元区域144包含一定量的液晶146，从而提供可单独控制的lc单元区域144的阵列。

因此，如根据图4可以理解的，每个单位单元106包括位于上导电微带贴片140与下导电微带贴片142之间的区域144中的一定量的可调谐液晶146。上导电微带贴片140通过相应的导电路径(pth过孔112)连接至公共电位，即丝网118，并且下导电微带贴片142连接至控制端子(pth过孔114)，该控制端子允许将独一的控制电压从可调dc电压源160施加到微带贴片142。

超颖表面100具有可以取决于单元106的几何形状以及pcb120、122中使用的材料的介电特性的谐振频率。在示例实施方式中，微带贴片140、142具有矩形表面(例如正方形的)，该矩形表面具有小于最小预计工作波长的1/4的最大公称尺寸，然而也可以使用其他微带贴片构造。在示例实施方式中，微带贴片140、142可以具有小于超颖表面100的预计工作波长的四分之一波长的尺寸。在示例实施方式中，丝网118具有与微带贴片140的周期性和网格尺寸相对应的周期性和网格尺寸，其中网格交点出现在每个微带贴片140的中心点上方。

如上所述，在至少一些示例中，图1至图5中示出的超颖表面100提供了其中可以使用蚀刻来形成pcb板120、122的部件的结构。在装配期间，可以将液晶146放置在pcb120与pcb122之间，然后可以将pcb120和pcb122固定在一起。

在示例实施方式中，液晶146是在超颖表面100的预计工作温度范围处具有在固态晶体与液相之间的中间向列类凝胶状态的向列液晶。液晶的示例包括例如来自默克集团的gt3-23001液晶和bl038液晶。处于向列态的液晶146在微波频率处具有介电各向异性特征，其有效介电常数可以通过设置液晶146的分子相对于其参考轴的不同取向来调整。

特别地，参照图6，液晶146包括取向平行于施加的电场εr的棒状分子602。在微波频率处，如图6的三幅图像中所示，由于在微带贴片140与142之间施加静电场所引起的分子602的不同取向，液晶146可以改变其介电特性。因此，可以通过改变施加至贴片142的dc电压来调整每个单位单元106处的微带贴片140与142之间的介电常数。从而控制每个单独的单位单元106处的反射相位。可以对单位单元106全体地进行控制，使得超颖表面100表现得像与入射波相互作用并且产生具有跨其口径的不同相移的反射波的分布式空间移相器。通过改变每个单位单元106位置处的局部静电场，可以将入射波束电子地控制至任何2d方向。

总之，可以通过调节每个单元106处的dc电压来单独地且电子地调整每个单位单元106的谐振频率。由于反射相位是通过入射波相对于谐振频率的频率来确定的，因此可以调整超颖表面100以形成分布式2d移相器。因此，可以通过调节单位单元106的dc电压以为期望的反射波方向给出合适的相位分布来改变输入波的方向。

在示例实施方式中，超颖表面100具有相对高密度/小周期性的单元106并且超颖表面100可以在其表面阻抗以有效集总元件电路参数来定义的情况下被作为有效介质进行分析。在其中λ表示最小预计工作频率的示例实施方式中，顶pcb120相对薄，具有厚度h1<λ/20，并且单元区域144中的液晶146具有h2<λ/20的厚度(即，相对的微带贴片140与142之间的间隙)。厚度h1和h2可以彼此不同。在示例实施方式中，底pcb122具有有限的厚度h3<λ/4。每个单元106的相对的微带贴片120与122之间的窄间隙以及由小周期性导致的相邻单元106之间的小间隔间隙148为超颖表面100提供了等效片电容c，并且允许每个单元106被建模为如图7和图8所示的并联谐振电路700、800。就这一点而言，图7和图8示出了液晶单元106的等效电路，其中l和c1是作为底pcb122的有限厚度的结果的等效集总参数。

并联谐振电路800具有由下式给出的表面阻抗zs：

其具有典型的谐振频率：

其中cv是单元106的输入电容。

在l和cv是固定值的情况下，对于低于谐振频率的频率，超颖表面100以180度相移反射入射波，对于在谐振频率处的频率以0度相移反射入射波，并且对于高于谐振频率的频率以接近-180度相移反射入射波。由于可以通过入射波的相对于超颖表面100的谐振频率的频率来确定反射相位，因此可以通过改变单位单元106的等效输入电容cv来针对每个单独的单元106调节入射波的相移，其中等效输入电容cv是微带贴片120和122的几何形状以及液晶层146的厚度和介电常数的函数。

因此，可以通过改变单位单元106的微带贴片120与122之间的静电电压来独立地调整单位单元106的有效介电常数。单位单元106的有效介电常数的这种变化导致单元106的输入电容cv的变化。结果，可以单独地改变超颖表面100的各个位置处的相位差。在图9和图10中使用全波有限元em仿真器hfss来对单位单元106的结构进行仿真。针对液晶146的各种有效介电常数值εr，图9示出了仿真的反射振幅，并且图10示出了单位单元106的相位。

因此将理解的是，可以通过改变施加至单位单元106的dc电压来控制入射波在超颖表面100的表面处的反射相位，使得可以通过调节跨超颖表面100的单位单元106的dc电压分布来实现对em波的连续波束控制。

本公开内容可以在不脱离权利要求的主题的情况下以其他特定形式来实施。所描述的示例实施方式在所有方面都应被认为仅仅是说明性的而非限制性的。可以将来自一个或更多个上述实施方式的选定特征进行组合以产生未明确描述的替选实施方式，适合于这样的组合的特征应理解为在本公开内容的范围内。例如，虽然本文公开了单元106的特定尺寸和形状，但可以使用其他尺寸和形状。

尽管示例实施方式公开了单独可寻址的单元，然而其他实施方式可以具有可以按行或列或以多路复用方式寻址的单元。

虽然参考特定取向(例如，上和下)来描述示例实施方式，但是这仅仅是为了在描述参考图时方便和易于理解而使用。超颖表面可以具有任意取向。

所公开的范围内的所有值和子范围也被公开。此外，尽管本文公开和示出的系统、设备和过程可以包括特定数量的元件/部件，但是系统、设备和组件可以被修改为包括额外的或更少的这样的元件/部件。例如，尽管所公开的任何元件/部件可能被引用为单数的，但是本文公开的实施方式可以被修改为包括多个这样的元件/部件。本文描述的主题旨在涵盖和包含技术上的所有合适变化。