一种毫米波段液晶材料测试系统的制作方法

本实用新型涉及液晶材料领域，具体涉及一种毫米波段液晶材料测试系统。

背景技术：

液晶作为一种可调谐材料，是一种介于晶体和液态的物质，兼具液态的流动性和晶体的各向异性等性质，将液晶材料应用在微波频段，主要是通过表面取向、施加电场或磁场可改变其分子指向，从而改变其有效介电常数。液晶材料与其它电子调谐器件相比，具有更低的插入损耗，而且随着频率的提高，液晶材料损耗角正切值减小，具备高频段低损耗优势，其应用范围跨越微波频段直至光频段，因此在实现这些电控微波元件方面引起了相当大的关注。

现有基于液晶材料的微波器件当偏置电压加载或被移除时，在液晶分子附和能、驱动电压、液晶层厚度与取向状况等不同条件下其有效介电常数响应时间具有不同的量级。关于液晶材料应用于微波毫米波频段，现有主要研究是侧重材料物理特性研究，对液晶材料介电常数的测量方法以及液晶介电常数随入射电磁波频率、强度、偏置电压的变化关系及模型表征进行研究，液晶损耗角正切的压控特性以及电控调谐特性。因此，为了能够准确的探究液晶响应时间的影响因素，提升基于液晶材料的微波元件响应速度。本实用新型基于液晶材料压控偏转特性，提出通过采用微波谐振法对液晶材料在毫米波频段的响应时间进行测试系统及对应测试系统使用方法的设计，有助于优化液晶材料在毫米波频段可调谐应用。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是现有技术中存在的基于液晶材料的微波器件响应时间不可测的技术问题。提供一种新的毫米波段液晶材料测试系统，该毫米波段液晶材料测试系统具有测试简单、结果精准的特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种毫米波段液晶材料测试系统,所述毫米波段液晶材料测试系统用于测试液晶材料的响应时间，毫米波段液晶材料测试系统包括基于液晶材料的电感耦合方形谐振环整体结构，所述电感耦合方形谐振环整体结构通过同轴馈电接口构成电感耦合方形谐振环整体结构的输入端口与输出端口；

所述电感耦合方形谐振环整体结构的输入端口连接有t型偏置器的rf&dc端口，t型偏置器的dc端口连接有电源，t型偏置器的rf端口连接有矢量网络分析仪；所述电源还依次连接有函数发生器、数字示波器，数字示波器的另一接口依次通过rf检波器、高通滤波器后连接到电感耦合方形谐振环整体结构的输出端口。

本实用新型的工作原理：本实用新型采用微波谐振法对液晶响应时间进行测量，基于液晶材料的电感耦合方形谐振环整体结构中微带金属线与混晶材料紧密结合，电场集中作用在液晶材料中，可有效利用混晶材料的介电各向异性较大的特性，且倒置微带线具有结构简单、介质损耗小、加工容易、与其他微波器件连接方便等显著优点，从而为液晶材料在微波器件的可靠实现提供了可行的封装方法。基于液晶材料的电感耦合方形谐振环整体结构，利用谐振环产生连续谐振点，通过两端口同轴馈电接口加载偏置电压，使得液晶介电常数的改变影响谐振点的偏移，从而自偏移量在时域上的改变测出液晶材料的响应时间。

矢量网络分析仪一端接谐振器提供射频信号，函数发生器与电源在t型偏置器加载下为被测器件提供偏置电压，被测器件输出端与函数发生器接入数字检波器，从而观察时域上谐振峰值的位移量与时间的关系。

上述方案中，为优化，进一步地，所述电感耦合方形谐振环整体结构包含上下重叠的两层射频基板，顶层射频基板设置有预留接头孔与液晶注入孔，顶层射频基板的底面光刻有谐振电路；

下层射频基板中部设置有空腔的液晶槽，液晶槽位于液晶注入孔的下方，下层射频基板上表面通过设置的半固化片与顶层视频基板层压合为一体，下层射频基板的下表面进行表面镀金并钎焊到金属托板上；两层射频基板设置有用于工地的金属化通孔。

进一步地，所述金属化通孔设置在位于同轴馈电接口的同轴探针径向两侧的位置。可同时对中间基板的液晶槽起到良好的密封作用。

进一步地，两层射频基板的材料为rogers4350b。

进一步地，所述半固化片材料为fr-28。

本实用新型的测试系统可采用如下方法进行测试：

步骤一，定义上升响应时间衰减响应时间其中vth为阈值电压，vrem是去除偏置电压vb后的剩余电压，trise是归一化|s21|从最大调谐对比度的上升响应所需的时间，tdecay是归一化|s21|在偏置电压vb被去除后从下降响应所需的时间，t0与液晶材料的厚度d的平方成比例；

定义饱和电压vsat，偏置电压vb＝0时液晶材料分子的指向失n^→垂直于电场方向，为垂直状态，液晶材料介电率为ε⊥；偏置电压vb≥饱和电压vsat时，液晶材料分子的指向失n^→将平行于电场方向，为平行状态，液晶材料介电率为ε||；

步骤二，对基于液晶材料的电感耦合方形谐振环整体结构施加1khz方波信号作为偏置电压激励信号；

步骤三，通过用数字示波器测量射频检测器的输出值确定施加偏置电压时的上升时间τr，定义上升时间τr为谐振峰值从f⊥移到f||的位移时间；

步骤四，通过用数字示波器测量射频检测器的输出值确定无偏压加载时的衰减时间τd，定义衰减时间τd为谐振频率f||到f⊥的位移时间；

步骤五，计算出平行状态时，谐振频率f||对应的衬底介电常数为ε0ε′||；计算出垂直状态时，谐振频率f⊥对应的衬底介电常数为ε0ε′⊥。

进一步地，所述上升响应为最大调谐对比度的10％上升到90％，下降响应为最大调谐对比度的90％上升到10％。

液晶的响应时间/调谐速度一般取决于几个因素，包括液晶层厚度、液晶类型的粘度、环境温度和取向剂-聚酰亚胺表面预处理情况。当忽略回流和惯性作用，液晶指向失的旋转动力学可以用以下的埃里克森-莱斯利方程表示：

其中，γ1是旋转黏性，k11是扭曲弹性常数，v是所施加偏置电压的大小，vth为阈值电压，是lc的旋转角，均匀lc层沿z轴方向的厚度为d。

假设表面锚定强度足够大，底部和顶部边界层被固定在是lc与电极的取向(或摩擦)角。

在式中设定v＝0，经过代数变换，lc指向失的响应时间能够很容易的求出。响应时间/自由弛豫时间(t0)与初始的摩擦角无关。

t0＝γ1d²/π²k11

得到lc指向失的响应时间/自由弛豫时间，时间由盒间隙(d)和lc黏弹性系数(γ1/k11)决定，与摩擦角度无关。响应时间t0根据施加的偏置电压在上升和衰减过程中的时间过程中进一步计算出：

本实用新型的有益效果：本实用新型针对基于液晶材料设计的可重构器件，探究在毫米波频段的响应时间影响因素，优化可调谐应用设计方法，满足在电子信息技术中对液晶可重技术在毫米波系统中需求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1，实施例1中的示毫米波段液晶材料测试系统示意图。

图2，基于液晶材料的电感耦合方形谐振环整体结构示意图。

图3，基于液晶材料的电感耦合方形谐振环整体结构分层示意图。

图4，液晶材料倒置微带线结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

本实施例提供一种毫米波段液晶材料测试系统，所述毫米波段液晶材料测试系统用于测试液晶材料的响应时间，毫米波段液晶材料测试系统包括基于液晶材料的电感耦合方形谐振环整体结构，所述电感耦合方形谐振环整体结构通过同轴馈电接口构成电感耦合方形谐振环整体结构的输入端口与输出端口；

如图1，所述电感耦合方形谐振环整体结构的输入端口连接有t型偏置器的rf&dc端口，t型偏置器的dc端口连接有电源，t型偏置器的rf端口连接有矢量网络分析仪；所述电源还依次连接有函数发生器、数字示波器，数字示波器的另一接口依次通过rf检波器、高通滤波器后连接到电感耦合方形谐振环整体结构的输出端口。

其中，t型偏置器选用mm200132t型偏置器。电源为双极性电源，选用pbz60-6.7withlan智能型双极性电源。函数发生器为uni-t优利德任意/函数发生器utg6010b信号发生器。数字示波器为安捷伦毫米波段的数字示波器。rf检波器为毫米波段的rf检波器，高通滤波器采用频段覆盖毫米波的高通滤波器。上述设备装置均可采用现有的设备装置。

具体地，如图2和图3，所述电感耦合方形谐振环整体结构包含上下重叠的两层射频基板，顶层射频基板设置有预留接头孔与液晶注入孔，顶层射频基板的底面光刻有谐振电路；下层射频基板中部设置有空腔的液晶槽，液晶槽位于液晶注入孔的下方，下层射频基板上表面通过设置的半固化片与顶层视频基板层压合为一体，下层射频基板的下表面进行表面镀金并钎焊到金属托板上；两层射频基板设置有用于工地的金属化通孔。

如图4为基于液晶材料倒置微带线结构示意图。光刻的谐振电路结构如图4。该结构中微带金属线与混晶材料紧密结合，电场集中作用在液晶材料中，可有效利用混晶材料的介电各向异性较大的特性，且倒置微带线具有结构简单、介质损耗小、加工容易、与其他微波器件连接方便等显著优点，从而为液晶材料在微波器件的可靠实现提供了可行的封装方法。

优选地，如图3，所述金属化通孔设置在位于同轴馈电接口的同轴探针径向两侧的位置。可同时对中间基板的液晶槽起到良好的密封作用。

具体地，两层射频基板的材料为rogers4350b。

具体地，所述半固化片材料为fr-28。

本实施例的测试系统可以进行如下使用：

步骤一，定义上升响应时间衰减响应时间其中vth为阈值电压，vrem是去除偏置电压vb后的剩余电压，trise是归一化|s21|从最大调谐对比度的上升响应所需的时间，tdecay是归一化|s21|在偏置电压vb被去除后从下降响应所需的时间，t0与液晶材料的厚度d的平方成比例；

定义饱和电压vsat，偏置电压vb＝0时液晶材料分子的指向失n^→垂直于电场方向，为垂直状态，液晶材料介电率为ε⊥；偏置电压vb≥饱和电压vsat时，液晶材料分子的指向失n^→将平行于电场方向，为平行状态，液晶材料介电率为ε||；

步骤二，对基于液晶材料的电感耦合方形谐振环整体结构施加1khz方波信号作为偏置电压激励信号；

步骤三，通过用数字示波器测量射频检测器的输出值确定施加偏置电压时的上升时间τr，定义上升时间τr为谐振峰值从f⊥移到f||的位移时间；

步骤四，通过用数字示波器测量射频检测器的输出值确定无偏压加载时的衰减时间τd，定义衰减时间τd为谐振频率f||到f⊥的位移时间；

步骤五，计算出平行状态时，谐振频率f||对应的衬底介电常数为ε0ε′||；计算出垂直状态时，谐振频率f⊥对应的衬底介电常数为ε0ε′⊥。

具体地，所述上升响应为最大调谐对比度的10％上升到90％，下降响应为最大调谐对比度的90％上升到10％。

尽管上面对本实用新型说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本实用新型，但是本实用新型不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本实用新型精神和范围内，一切利用本实用新型构思的实用新型创造均在保护之列。