论文标题： High-Efficiency Circularly Polarized Phased Array Based on 5 μm-Thick Nematic Liquid Crystals: Design, Over-The-Air Calibration, and Experimental Validation

期刊：Engineering

作者：吴鑫宇, 万丰硕, 冯洪源, 金世超, 郭翀, 魏禹, 刘敦歌, 杨钰茜, 蔡龙珠, 蒋之浩, 洪伟

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.08.013

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近日，东南大学毫米波国家重点实验室洪伟教授团队在液晶相控阵领域取得重要进展，相关成果发表于中国工程院院刊《Engineering》。该研究提出一种基于 5 μm 厚向列相液晶的高效圆极化相控阵（LCPA）设计，通过创新的结构与算法，显著提升了相控阵性能，为毫米波应用带来新契机。

液晶相控阵在 5G 通信、物联网等领域需求迫切，但现有技术面临诸多挑战。极化方式受限、通道数少、液晶层厚、校准困难等问题制约其发展。此次研究成果有效解决了这些问题，推动了液晶相控阵技术的进一步发展。

该研究设计的液晶相控阵包含 16 个相移辐射通道，每个通道由圆极化堆叠贴片天线和新型液晶移相器组成。创新的周期性加载差分线（LDL）结构，使液晶移相器在 5 μm 超薄液晶层下实现超 360° 相移范围，品质因数达 78.3 (°)•dB^-1，相比传统结构优势明显。

研究团队提出相态遍历法（SEM）实现空口自动校准，成功提取各通道相位电压曲线，克服了以往校准方法的局限性，确保波束扫描精度。这一方法为液晶相控阵的精确控制提供了关键技术支持。

实验结果表明，该相控阵在 25.5 - 26.0 GHz 频段性能卓越，反射系数低于 -15 dB，轴比小于 3 dB，波束偏移小于 3°，增益波动小于 2.2 dB，总效率达 34%，实现了 -40° 至 +40° 的圆极化波束扫描，峰值增益 12.5 dBic，扫描损耗小于 2.5 dB。

图. K 波段圆极化液晶相控阵子系统示意图和应用场景。ε_//和 ε_⊥：与液晶分子长轴平行和正交的相对介电常数；x、y、z：直角坐标系的坐标轴。

该成果在多个领域具有广泛应用前景，如车载通信、流水线监控、地质探测等。未来，阵列规模扩展至二维后，有望为卫星通信、雷达和成像等毫米波应用提供低成本、高增益、二维波束扫描的解决方案。

该研究成果为液晶相控阵技术发展提供了重要技术支撑，具有显著的创新性和实用性，对相关领域技术进步具有重要推动作用。该研究得到国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、中央高校基本科研基金资助项目和东南大学至善学者计划资助项目的资助。

文章信息：

High-Efficiency Circularly Polarized Phased Array Based on 5 μm-Thick Nematic Liquid Crystals: Design, Over-The-Air Calibration, and Experimental Validation

基于5 μm厚向列相液晶的高效圆极化相控阵设计、校准和实验验证

作者：

吴鑫宇, 万丰硕, 冯洪源, 金世超, 郭翀, 魏禹, 刘敦歌, 杨钰茜, 蔡龙珠, 蒋之浩, 洪伟

引用：

High-Efficiency Circularly Polarized Phased Array Based on 5 μm-Thick Nematic Liquid Crystals: Design, Over-The-Air Calibration, and Experimental Validation, Xin Yu Wu,Fengshuo Wan,Hongyuan Feng,Shichao Jin,Chong Guo,Yu Wei,Dunge Liu,Yuqian Yang,Longzhu Cai,Zhi Hao Jiang,Wei Hong, Engineering, https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.08.013

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https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.08.013

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