液晶介电常数在微波至太赫兹频段测试技术

葛 忆，叶明旭，杨 军，邓光晟，尹治平，桑 磊

(1.合肥工业大学 计算机与信息学院，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学 光电技术研究院，安徽 合肥 230009)

液晶介电常数在微波至太赫兹频段测试技术

葛 忆1，叶明旭2，杨 军2，邓光晟2，尹治平2，桑 磊2

(1.合肥工业大学 计算机与信息学院，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学 光电技术研究院，安徽 合肥 230009)

基于液晶材料的器件成为毫米波及太赫兹波领域的重要方向之一，文中总结了毫米波太赫兹波液晶器件的研究进展，介绍了液晶移相器的基本原理及应用，分析了液晶介电常数的主要测试方法，如传输线/反射法、谐振腔法、自由空间法、时域法等，比较了不同方法的测试频率范围和优缺点，并给出了向列相液晶材料在微波毫米波及太赫兹波段的介电常数的主要测试结果。

介电特性；太赫兹；移相器；液晶材料；介电常数

液晶是一种介于固态和液态之间的物质，既具有固态光学特性又具有液态流动性，在平面显示领域的应用研究已经相对比较成熟，目前更多的研究转向太赫兹液晶器件。由于液晶优异的电性能、热性能、物理性能、机械性能及化学性能，液晶聚合物基板在微波器件中得到了广泛的应用[1]。液晶具有各向异性，能方通过改变外加电场或磁场实现调谐功能，并且具有易低压调制、功耗低等优点，可应用于移相器、滤波器、偏振片和开关[2-3]等。可调控太赫兹功能器件以及研究液晶分子在太赫兹(THz)波段的光电特性成为THz技术的研究热点之一。在设计可调液晶器件时，需要对液晶材料的特性进行系统的了解，因此对液晶材料介电性能的测量研究一直是个重要课题。

本文首先总结了毫米波太赫兹液晶器件的研究进展，从器件结构和理论阐述了液晶移相器的基本原理，介绍了其在反射阵列天线中的应用。综述了在微波到太赫兹频段液晶材料介电常数测试的主要方法，并对国内研究成果进行了总结分析，为工作于这方面研究的同行提供参考。

1 液晶介电常数电控调谐特性及应用

由于液晶材料的各项异性，当外加电场时，液晶分子的排列方向将随电场的大小有序改变，从而使得液晶材料的等效介电常数也发生改变。近年来，多个研究团队相继测量了液晶材料在X波段、Ka波段、W波段、太赫兹波段的介电常数，结果表明液晶材料在这些频段上的介电常数具有可变性。

基于介电常数可随偏置电场大小变化的特性，以液晶材料作为微波器件基板的一部分，可以实现电控线性可调的移相器[4]。图1是一个典型的液晶反射阵单元结构，反射单元自上而下由石英晶片、印刷电路、聚合物涂层、液晶材料、聚合物涂层、金属地、硅基板构成。其中石英晶片和硅基板之间的间隙构成了液晶盒，两者之间的距离就是液晶材料的厚度；印刷电路和金属地由微米级厚度的金、银、铜的金属薄层构成，在印刷电路上施加电压，其与金属地之间会形成电场，该电场将影响液晶分子的排列方向，从而改变液晶层的介电常数；聚合物层用于约束液晶分子在无偏置电场下的排列取向，该层较薄，对电磁场基本无影响；两层聚合物之间灌有液晶材料，当印刷电路上不施加电压时(偏置电压为0 V)，在聚合物涂层的约束下，液晶分子的排列方向平行于基板表面，此时液晶层的等效介电常数为ε⊥；当在印刷电路和接地之间添加低频AC偏置电压，在液晶区域产生沿Z方向变化准静电场，液晶分子的排列方向随电场大小而改变，当偏置电压大于某一门限Vth后，则液晶分子排列方向垂直于基板，此时液晶层的等效介电常数为ε∥；当偏置电压在0 V与Vth之间变化时，液晶层的等效介电常数也在ε∥和ε⊥之间变化，从而影响单元的反射相位值，达到相控目的。

图1 移相器单元结构图及剖面视图

基于液晶电控可调反射相移器，避免了可重构天线复杂的开关电路，特别适合大型相控反射阵天线，而且加工难度最低，制造成本最低廉。达姆施塔特工业大学(Technische Universität Darmstadt)的研究团队研究了基于液晶材料的反射阵列单元移相特性[5-6]，先后设计了工作频率在35 GHz和77 GHz的单谐振相控阵反射阵列天线，并对这些天线进行加工测试。实现了单谐振反射阵列单元在35 GHz频段的相移范围为290°，最小损耗为-8 dB，在77 GHz相移范围为280°，最大损耗为-16 dB。西班牙马德里理工大学的学者对Ka波段和F波段的单谐振反射阵列单元进行仿真设计和分析，并通过实物测试验证了天线性能[7-8]。同时该团队针对单谐振单元的缺点，考虑到液晶分子的各向异性和分析单元特性的精确有效的模型，提出3个并联偶极子的多谐振结构，通过对Ka及W波段的多谐振单元和单谐振单元的仿真和测试，多谐振单元可有效消除单谐振单元的缺点，并初步研究了太赫兹频段(340 GHz)多谐振反射阵列单元的移相特性[9]。2015年该团队完成了96～100 GHz可调液晶反射天线的制作与测试[10]。

2 微波波段介电常数的主要测试方法

研制液晶电控可调相移器，需要精确测量不同电压下ε值，在微波频段范围内，介电常数测量方法众多，技术也比较成熟，如同轴线法[11]，平面法[12]，波导法[13]，谐振器法[14]和谐振腔法[15]等。

同轴线法，平面法和波导法统称为传输/反射法，它是将被测样品填充在标准传输线内(如同轴线、波导等)，构成一个双端口网络，然后利用网络分析仪测得端口的S参数，再计算介质材料的介电参数。该方法设备简单，且易于实现宽带测量，但对低损耗介质材料的损耗正切测试误差较大，因此适用于宽频带，测试频率不高，损耗较大的介质材料测量。文献[11]中，Toshihisa等人利用同轴传输线法测得了100 MHz～40 GHz波段液晶的介电性能和各向介电异性。实验测试系统图如图2所示。实验将液晶填充在同轴线中通过加入偏压改变分子排序，进而测得5种不同的向列相液晶(BL006、BL011、BL048、BL005、MLC11000-100)的各向异性。

图2 测试液晶介电常数的系统图

谐振法大致又可分为谐振器法和谐振腔法。谐振腔法是将被测材料放入腔体，利用放入样品前后腔体的谐振频率和品质因数的变化来确定被测样品的复相对介电常数和损耗正切。在文献[16]中，用谐振腔微扰法测得了向列相液晶材料在9 GHz和35 GHz频率处的介电性能。文献[17]中，Mani等人利用贴片谐振器测得液晶材料E7的各向介电异性Δε=0.42。与传输/反射法相比，谐振法具有较高的灵敏度和测量精度，可用于高频测量，但它只能在单一频率点处或一系列离散的频率点处测量，不适合宽频带测量，且测量频率越高，对测试样品要求越高，样品尺寸也越小，越难加工。

在文献[18]中，马恒等利用矩形波导管和向量分析仪，测量了3种液晶材料(5 CB、122、MBBA)在Ka波段(26.5～40 GHz)的介电常数。实验表明，液晶材料在1 kHz频率下呈现正、负介电各向异性，但在Ka波段下均显示为正的介电各向异性。

3 毫米波波段的主要测试方法

在40～100 GHz此频段，液晶介电常数测量常用传输线法和谐振法。传输线法结构简单，便于制作，适用于宽频带测试，但测试精度较低，而谐振法主要适用于低损耗介质的测量，测量精度较高，但对样品要求很高，必须与谐振腔尺寸相适应，加工较难，成本高，且只能在单一频点或离散点进行测试，不适用于宽频带测试。

文献[19]和文献[20]均采用的是微带线传输线法。在文献[19]中，研究人员对两种向列相液晶材料MDA-00-3506和GT3-23001的介电性能在15～65 GHz进行了实验测量研究。在文献[12]中，S.Bulja等人采用微带线传输法对E7、K15、E44、E63和MDA-00-3506 5种不同的向列相液晶材料进行测量，测量频率范围为30～60 GHz。此实验结构原理如图3所示。表1总结了在频率为60 GHz时液晶材料的介电特性。

图3 为液晶材料测试装置

E7K15E44E63MDA-00-3506ε⊥2.782.862.812.782.78Δε0.470.350.590.450.59tan(δ⊥)0.00610.01090.02000.00760.0403tan(δp)0.00110.00020.00120.00060.0123

D.C.Thompson等人[21]利用微带环谐振器和分裂圆柱形谐振腔法测得LCP材料在30～110 GHz频段的相对介电常数εr=3.16±0.05。

分裂圆柱形谐振腔法[22]最初是由Kent等人[23]在谐振腔法测量的基础上提出的，但在该团队最早的理论模型中，假设电场和磁场能量全部被束缚在谐振腔内部，忽略辐射到腔体外的电磁能量，因而有一定的误差。为了获得精确解，Michael D.Janezic等人[24]提出了一种基于模式匹配方法的理论模型，如图4所示，假设有一个理想导体包裹在ρ=b处，此时便封闭了整个分裂圆柱体谐振腔。

与传统的闭场圆柱形谐振腔测量法相比，分裂圆柱形谐振腔法属于开场测量，是一种无损的非破坏性的测量方法。对待测样品无特殊的机械加工要求，只需待测样品是足够大的、表面均匀平整的平板。但简单的样品加工的代价是该方法具有复杂的理论计算公式[24]。

D.C.Thompson等人使用分成两半的圆形谐振腔、LCP基板和矢量网络分析仪。该分裂圆柱形谐振腔的工作模式为TE01,2q+1谐振频率分别在60 GHz和94 GHz附近。所用圆柱形谐振腔如图5所示。样品基板夹在两个半圆柱形谐振腔之间，矩形波导插入半圆谐振腔，信号通过矩形波导输入，耦合到谐振腔中，最后在经过矩形波导输出。由矢量网络分析仪测得对应模式的谐振频率和品质因数，再根据公式迭代计算，既能得到样品的复介电常数和损耗正切值。

图4 分裂圆柱形谐振腔测试法的横截面图

图5 分裂圆柱谐振腔的几何图形

实验表明，在腔体测量误差的允许范围内，上述两种测得的介电常数值是一致的，至于损耗正切，谐振腔法更为精准，其测得的值在60 GHz时为0.003 5～0.004 5，在97 GHz附近为0.004 2～0.004 9。

4 太赫兹波段的主要测试方法

随着航天、军事、医疗、通信等领域的不断发展，介质材料在太赫兹频段的应用越来越多，因此对介质材料在太赫兹频段介电性能的测试研究成为了相关研究人员的一项重要课题。目前主要所用的方法有自由空间法和时域法。

自由空间法[25-26]是利用发射天线将电磁波辐射到自由空间，当电磁波遇到测试样品时，会发生反射和透射现象，然后由接收天线接收发射和透射信号，再根据矢量网络分析仪测得的S参数计算出样品的复介电常数。此方法是非接触、非破坏性的测量，所测样品均为平板状，且尺寸要足够大。文献[25]中，研究人员在8～12 GHz的频率范围内对多种介质材料进行了测试，并且利用时域门技术，提高测试精度。在文献[26]中，Toshihide Tosaka等人利用该方法完成了在220～330 GHz的频率范围的复介电常数的测量。该实验的测试系统如图6所示。

图6 自由窨法测量复介电常数系统图

关于太赫兹波段液晶介电常数测量的方法，除了上述的自由空间法和谐振腔法，太赫兹脉冲谱技术(THz-TPS)也是常用的一种测试方法，并在1 THz以上的频率范围大多采用这种脉冲的时域法进行测量。Meriakri.V.V等人给出了0.06～2 THz液晶的介电性能测试结果[27]，基于材料的最小反射系数和相对于这个最小值对应的频率，得出了8CB液晶材料在频率为58～118 GHz时其复折射率的实部接近于1.65。Urszula Chodorow等人采用太赫兹脉冲谱技术在0.3～3 THz频率范围对十种向列相液晶的介电特性进行了测量[28]。

5 结束语

本文总结了太赫兹频段内液晶的光电特性及其应用，通过外加电场来改变液晶的双折射特性，从而实现对微波器件的传输特性进行有效调节。另外对近些年来基于液晶材料的太赫兹移相器的工作原理和研究进展进行了文献调研，重点总结了液晶材料介电性能在微波毫米波波段及太赫兹频段的测试方法，详细介绍了液晶材料介电常数的测量方法以及主要测试结果，对比分析了各方法的优缺点及应用频率范围。准确获取液晶材料的介电性能，为液晶在更高频段和更多领域的应用提供了保障。

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Techniques for the Measurement of Permittivity of Liquid Crystals at Millimeter-wave to Terahertz Frequencies

GE Yi1，YE Mingxu2，YANG Jun2，DENG Guangcheng2，YIN Zhiping2，SANG Lei2

(1. Computer and Information, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2. Optoelectronic Technology Research Institute, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

With the development of technology, devices based on liquid crystal materials have been increased considerably in the terahertz fields. This paper presents the research progress of terahertz(THz) liquid crystal devices, and the basic principles of liquid crystal phase shifter. In addition, several methods for the measurement of dielectric constants of liquid crystal are introduced, such as the transmission lines/reflection method, the resonant cavity method, the free-space method, the time domain method. The difference, involves range and relative merits, of those methods are compared. This overview also has revealed some experimental results of permittivity of the liquid crystal, which are measured at the different frequency ranges.

dielectric characterization; terahertz; phase shifter; liquid crystal material; permittivity

2016- 04- 25

葛忆(1990- )，女，硕士研究生。研究方向：基于液晶的太赫兹反射移相器。杨军(1978- )，男，博士，副研究员，硕士生导师。研究方向：毫米波太赫兹波器件。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.04.031

TN710;O753+.2

A

1007-7820(2017)04-123-05