可扩展毫米波液晶可重构智能表面：基于延迟线架构

《International Journal of Microwave and Wireless Technologies》：Scalable mm-Wave liquid crystal reconfigurable intelligent surfaces based on the delay line architecture

　　

本文介绍了工作在60 GHz附近、规模扩展至750个辐射单元且具有宽带特性的液晶（LC）可重构智能表面（RIS）的设计、制造与表征。该RIS采用延迟线架构（DLA），将移相层与辐射层解耦，从而在4.6 μm的微米级薄液晶层条件下实现宽带宽、超过360°的连续相位控制以及快速响应。研究人员利用相同的单元结构及列向偏置，制备了120单元和750单元两种原型。测量结果表明，两种孔径均实现了±60°范围内的波束扫描，且-3 dB带宽超过9%，验证了所提架构的可扩展性。在测得每个单元仅纳瓦级功耗的基础上，仿真预测孔径效率高于20%。尽管实测效率分别降至9.2%和2.6%，详细分析证实该降低可归因于实验室环境中的工艺挑战。最后，将所采用的基于DLA的液晶RIS与传统方案进行综合对比，凸显了所提架构的优越潜力。

### 论文解读：基于延迟线架构的可扩展毫米波液晶可重构智能表面

#### 研究背景与问题

随着6G及未来通信标准的推进，可重构智能表面（Reconfigurable Intelligent Surfaces, RIS）被视为解决毫米波（mm-Wave）和太赫兹（THz）频段信号覆盖受限问题的关键技术。由于高频段路径损耗大、吸收增加、散射减少，传统通信方式难以保证可靠传输。RIS由按网格排列的辐射单元阵列和动态调控机制构成，可在远场将电磁波重定向至目标方向，在近场实现聚焦。大规模RIS（数百至数百万单元）是未来应用的方向。目前常见的调谐机制包括半导体器件（如PIN二极管、变容二极管），但每个辐射单元至少需要一只二极管，随着阵列规模增大，成本和功耗迅速上升。微机电系统（MEMS）虽具有低功耗和单片集成优势，但面临可靠性、响应速度和复杂制造工艺的挑战，限制了大规模应用。液晶（Liquid Crystal, LC）作为一种有前景的替代调谐机制，具有连续可调、透明、低功耗和突出的规模化潜力，但存在插入损耗中等、响应速度相对较慢及温度依赖等缺陷。

#### 研究内容与结论

针对上述问题，研究人员提出并实现了基于延迟线架构（Delay Line Architecture, DLA）的LC-RIS。与依赖于谐振单元失谐的传统谐振架构（Resonant Architecture, RA）不同，DLA先将入射电磁波耦合至可调LC移相器，再重新辐射至自由空间，从而允许同时优化低损耗、快响应和宽带宽。此前研究已展示了一个工作在60 GHz、含120个（12×10）单元的DLA基LC-RIS原型。为验证可扩展性，本研究将设计扩展至750个（25×30）单元，并采用相同的单元结构。此外，本研究还引入了一种新的测量方法以详细表征孔径效率，进行了制造公差建模（系统分析LC厚度变化的影响），并与现有LC-RIS实现进行了全面对比。

#### 关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：基于缺陷地结构倒置微带线（Defected Ground Structure Inverted Microstrip Line, DGS-IMSL）拓扑的LC移相器设计，以实现高相移密度和低插入损耗；利用液晶分子的介电各向异性实现连续相位调谐；采用孔径耦合贴片天线与延迟线移相器集成；通过列向偏置实现单平面波束扫描；使用标准光刻工艺制备两个原型（120和750单元），其中SU-8光刻胶作为间隔物控制LC层厚度（4.6 μm）；通过对比参考测量（金属板）来计算孔径效率；利用仿真模型分析制造公差（如LC厚度不均匀、金属层错位）的影响；并对偏置电压进行优化以补偿工艺缺陷。

#### 研究结果

**设计仿真结果**：仿真显示，所设计的单元在60 GHz时最大调谐范围为470°，满足波束扫描需求。在768单元（32×24）的仿真中，H面波束扫描至±33°时，共极化孔径效率峰值达到21.5%，主要损耗来源为金（28.6%）、液晶（21.4%）和玻璃（18.2%）材料损耗。

**波束扫描能力与带宽**：两个原型均实现了±60°的波束扫描范围，且-3 dB相对带宽分别达到9%（120单元）和9.5%（750单元），验证了设计的可扩展性。由于仅支持列向偏置，波束扫描仅在一个平面内实现，但该限制属于工艺问题，单元级偏置已在液晶显示中实现。

**功耗与响应时间**：单个LC-RIS单元平均功耗仅21.5 nW，若为10?单元的表面（2.5 m × 2.5 m，60 GHz半波长间距），总功耗约为21.5 mW。对于4.6 μm厚的LC层，单移相器的响应时间τ_on = 15 ms，τ_off = 72 ms。而750单元原型的整体响应时间约为250 ms，高于预期，推测源于取向层结构不理想，通过解决工艺缺陷可将响应时间降至几十毫秒量级。

**孔径效率**：通过测量RIS和金属板的S₂₁参数，并利用解析计算金属板雷达截面（RCS），计算得到RIS的孔径效率。120单元原型的仿真最大孔径效率为17.2%（考虑RF扼流圈），实测峰值为9.2%；750单元原型的仿真最大为15.7%，实测仅约2.6%。实测带宽也较仿真有所减小。分析表明，效率下降主要源于制造公差，尤其是LC层厚度不均匀（倾斜）以及上下玻璃基板之间的错位。

**制造公差影响**：通过测量背向散射功率分布发现，初始偏置电压下，120单元原型的波束存在角度偏移（实际指向约42°而非30°，仰角偏移28°），这归因于LC厚度向一角倾斜。仿真显示，LC厚度微小变化即可显著影响单元间相移。对于750单元原型，初始状态无清晰主波束，散射能量分散；通过优化偏置电压可将主瓣强度提升超过6 dB，但仍非理想聚焦。不均匀厚度主要源于多余胶水、SU-8间隔物不均匀和灰尘颗粒。仿真还表明，金属层错位（≤30 μm）主要影响带宽而非最大效率。包含这些公差影响的模型与120单元原型的测量结果吻合良好。

**对比分析**：与文献中近期RA基LC-RIS实现相比，DLA架构在带宽方面显著占优，因为RA的谐振特性导致相位分布频率依赖性较强。DLA原型采用更薄的LC层（4.6 μm），而RA型通常需要更厚的LC层（以获得足够相移），导致响应时间更慢。在损耗方面，本工作实测效率低于一些RA实现，但需注意：大多数RA实现使用更厚的LC层和更低损耗的玻璃（如石英）和铜导体，而本工作采用金和较高损耗玻璃（tan δ = 0.011 vs 0.0009-0.002）。唯一采用类似厚度LC的RA原型（第9号）其效率也低于本工作的小型原型。仿真表明，若采用低损耗材料并排除制造公差，效率可超过40%。此外，DLA可实现超过360°的相位范围，而多数RA实现相位范围小于360°。

#### 总结与讨论

本研究通过制造120和750单元两个60 GHz LC-RIS原型，验证了基于DLA的LC-RIS在规模扩展方面的可行性。尽管制造工艺缺陷影响了测量性能，但研究确认了以下两点：第一，LC-RIS的可扩展性——类似的工艺挑战已在大型LCD制造中得到有效解决，因此有望通过改进工艺实现大规模高性能RIS；第二，DLA相比传统RA在带宽、效率和响应时间之间的权衡中显示出更优潜力。讨论部分指出，LC厚度均匀性是大规模制造的关键难点，但这是纯工艺问题，而非原理性障碍。通过优化偏置电压可在实验室环境中补偿部分公差，但在实际部署中不现实。未来通过借鉴液晶显示行业的成熟工艺，可实现均匀的LC层，从而释放DLA架构的全部潜力。

#### 研究结论

本文展示了基于平面LC移相器（即延迟线架构）的两个60 GHz LC-RIS原型（120和750单元）。该RIS采用了4.6 μm的薄LC层，实现了±60°的波束扫描、超过9%的-3 dB带宽以及实测超过9%的孔径效率。尽管制造限制影响了性能，本工作证实了：I）LC-RIS的可扩展性——此类挑战已在大规模液晶显示制造中得到有效解决；II）基于延迟线架构设计LC-RIS相对于传统谐振架构的优越潜力，特别是在带宽、效率和响应时间之间的权衡方面。