通过耦合馈电倒置微带线测量液晶材料介电常数的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开提供了一种通过耦合馈电倒置微带线测量液晶材料介电常数的装置和方法，装置包括三块介质板，第一块介质板构建倒置微带线、偏压延伸线、耦合电容片和用于馈电的共面波导；第二块介质板设置矩形空腔用于装载注入的待测液晶材料；第三块介质板作为地，在倒置微带线和地之间施加偏压，对处于空腔中的液晶分子的长轴向进行调制。本发明专利技术利用了倒置微带线的谐振特性，并通过电容耦合与对其进行馈电的共面波导间接相连。避免了倒置微带线和共面波导通过过孔直接相连导致的将偏压引入射频链路的问题，从而可以施加较大的偏压对液晶材料进行各向异性的调制，实现在较大的动态范围内对液晶材料介电常数及各向异性范围的精确量化。量化。量化。

【技术实现步骤摘要】
通过耦合馈电倒置微带线测量液晶材料介电常数的装置和方法


[0001]本专利技术涉及一种对向列型液晶的介电常数进行精确测量的方法，属于微波工程


技术介绍

[0002]向列型液晶因其具备的各向异性和在毫米波和太赫兹波段的低损耗特征，在毫米波和太赫兹频段的应用有很广泛的前景。对液晶材料的介电常数进行精准测量是对液晶器件进行设计与分析的关键，而目前现有的测量方法存在测量灵敏度低，测量精度低，测量装置结构复杂、成本高，测量效率低等问题。基于倒置微带线的谐振器结构因其频率响应具有高灵敏度的特点并具有简洁的结构，对工艺的要求低，容易制作和实施。本专利技术能够用较简单的工艺更精准地测量液晶材料介电常数，并利用基于耦合的方式进行馈电，测量更大的动态范围，弥补了其它测量方法的局限。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：针对上述现有技术的不足，本专利技术提供一种通过耦合馈电倒置微带线测量液晶材料介电常数的装置和方法，能够实现在较大的动态范围内对液晶材料介电常数及各向异性范围的精确量化。
[0004]技术方案：
[0005]一种通过耦合馈电倒置微带线测量液晶材料介电常数的装置，包括三块介质板，第一块介质板构建倒置微带线和用于馈电的共面波导；第二块介质板的中间设置矩形槽，形成空腔用于液晶的注入；第三块介质板作为地，在倒置微带线和地之间施加偏压，对处于空腔中的液晶分子轴向进行调制。
[0006]进一步的，所述第一块介质板设置耦合电容片，用于间接连接倒置微带线和共面波导。
[0007]进一步的，所述第一块介质板设置偏压延伸线，用于调节液晶材料分子偏转方向的偏压通过所述偏压延伸线直接连接到倒置微带线的中间位置。
[0008]进一步的，所述偏压延伸线的宽度发生渐变以抑制射频侧漏。宽度沿着45度方向向外扩展，直至线宽比原来靠近倒置微带线端一侧变宽2倍。
[0009]进一步的，在共面波导与倒置微带线之间的耦合电容通过改变耦合电容片的大小进行调节，从而对不同频率段的材料特性进行测量。
[0010]进一步的，倒置微带线需要具备足够的宽度，接近液晶腔宽度的1/6，但小于液晶腔宽度的1/2。
[0011]基于上述装置的一种通过耦合馈电倒置微带线测量液晶材料介电常数的方法，包括如下步骤：
[0012]步骤1：根据需要测量的频率点，确定倒置微带线的初始长度；
[0013]步骤2：根据测量的要求，如50欧姆端口，确定共面波导的结构尺寸；
[0014]步骤3：设置耦合电容片的初始大小；
[0015]步骤4：优化耦合电容片的尺寸大小，通过全波仿真方法对倒置微带线的长度和宽带进行微调，微调的标准为实现整个结构的谐振频率工作在需要测量的频点；
[0016]步骤5：根据上述设计制造和组装整个装置，并验证装置在空腔条件下的谐振频率；
[0017]步骤6：在空腔中注入液晶；
[0018]步骤7：分别测试在外置偏压为0V和V
max
时装置的反射系数，获得两种谐振频率，V
max
>V
th
,V
th
为液晶材料分子发生偏转的临界电压，V
max
为液晶材料分子发生偏转的饱和电压；
[0019]步骤8：利用谐振频率和介电常数的关系(公式(1))获得所测液晶材料的介电常数值。
[0020]其中c为光速，L为倒置微带线的长度，ΔL为考虑了边缘效应的长度微调值，ε
re
为等效介电常数，f
r
为该装置的谐振频率。
[0021]进一步的，利用了倒置微带线的谐振特征，步骤1中所述倒置微带线的长度初始值通过如下的表达式获得：
[0022][0023][0024][0025][0026][0027]其中c为光速，L为倒置微带线的长度，ΔL为考虑了边缘效应的长度微调值，ε
re
为等效介电常数，w为倒置微带线的宽度，b为液晶层的厚度，C
i
是常数系数，ε
r
为第一块板的相对介电常数。
[0028]进一步的，通过共面波导和耦合的方式实现对倒置微带线的馈电，步骤2中所述共面波导的结构尺寸为：
[0029][0030][0031][0032][0033][0034]其中，wt为共面波导中间导线线宽，wg为共面波导两边地线线宽，g为共面波导中间导线至地线间距，ε
r
为基板材料的相对介电常数，k、k＇、ε
re
为中间变量，Z为波导传输线特征阻抗。
[0035]进一步的，步骤3中耦合电容片的初始大小为：
[0036]rc＝0.6w
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0037]其中rc为电容片的半径，w为倒置微带线的宽度。
[0038]有益效果：本专利技术解决利用向列型液晶进行具有可调性的微波器件设计的根本问题，即对其介电常数在不同频率和不同状态下进行精确量化作为进一步设计的依据。其重要特点是利用了倒置微带线的谐振特性，并通过电容耦合与对其进行馈电的共面波导间接相连。避免了倒置微带线和共面波导通过过孔直接相连导致的将偏压引入射频链路的问题，从而可以施加较大的偏压对液晶材料进行各向异性的调制，实现在较大的动态范围内对液晶材料介电常数及各向异性范围的精确量化。
[0039]三层板的结构设计使整个装置可以利用很成熟的电路板技术进行制作和封装，容易在更高频段如毫米波段制作高精度的可调微波器件。
[0040]由于这种结构的谐振点很明显，并与周围的频率在S参数上有显著的差异，因此测量的精度较其它不是基于谐振的方法更高。
[0041]本专利技术能够使测量精度保持在10％以内，比现有的大部分基于其它方法的测量有更高的稳定度。装置的加工工艺要求较低，通过对加工的若干个样品的分析，通过各样品所得测量参数的差别在5％之内。相比于比较其它借助较昂贵设备进行的测量，其测量精度和稳定度有显著的优势。
附图说明
[0042]图1基于倒置微带线的整体结构示意图，(a)为第一层介质板的俯视图，(b)为基于倒置微带线谐振器的三层板结构全局斜视图。
[0043]图2为谐振频率随用于馈电的耦合电容的物理尺寸变化的示意图。
[0044]图3为所测样品的谐振频率随外加偏置电压的变化图。
具体实施方式
[0045]下面结合附图对本专利技术作进一步说明：
[0046]本方案以基于倒置微带线的谐振特性对作为谐振器一部分的介质基板材料的电磁特性进行精确的测量。整个结构简单易实施，为了对倒置微带线进行馈电，引入了共面波导并通过耦合电容与倒置微带线相连。耦合电容的引入使整个装置在微带线和地之间可以施加较大偏置电压而不会通过馈线进入测量仪器，因此可以容忍更大的测量范围。三层板的结构设计使整个装置可以利用很成熟的电路板技术进行制作和封装，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通过耦合馈电倒置微带线测量液晶材料介电常数的装置，其特征在于，包括三块介质板，第一块介质板构建倒置微带线和用于馈电的共面波导；第二块介质板设置矩形空腔用于装载注入的待测液晶材料；第三块介质板作为地，通过在倒置微带线和地之间施加偏压，对处于空腔中的液晶分子的长轴向进行调制；长轴转向引起的器件谐振频率的变化通过表达式用来对液晶材料的介电常数进行预估。2.根据权利要求1所述的一种通过耦合馈电倒置微带线测量液晶材料介电常数的装置，其特征在于，所述第一块介质板设置耦合电容片，用于间接连接倒置微带线和共面波导。3.根据权利要求1所述的一种通过耦合馈电倒置微带线测量液晶材料介电常数的装置，其特征在于，所述第一块介质板设置偏压延伸线，用于调节液晶材料分子偏转方向的偏压通过所述偏压延伸线直接连接到倒置微带线的中间位置。4.根据权利要求3所述的一种通过耦合馈电倒置微带线测量液晶材料介电常数的装置，其特征在于，所述偏压延伸线的宽度发生渐变以抑制射频侧漏，其宽度沿着45度方向向外扩展，直至线宽比原来靠近倒置微带线端一侧变宽2倍。5.根据权利要求2所述的一种通过耦合馈电倒置微带线测量液晶材料介电常数的装置，其特征在于，在共面波导与倒置微带线之间的耦合电容通过改变耦合电容片的大小进行调节，从而对不同频率段的材料特性进行测量。6.基于权利要求1所述装置的一种通过耦合馈电倒置微带线测量液晶材料介电常数的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据需要测量的频率点，确定倒置微带线的初始长度；步骤2：设计基于所选的介质基板的共面波导的结构尺寸；步骤3：设置耦合电容片的初始大小；步骤4：优化耦合电容片的尺寸大小，并对倒置微带线的长度和宽带进行微调；步骤5：根据上述设计制造和组装整个装置，并验证装置在空腔条件下的谐振频率；步骤6：在空腔中注入液晶；步骤7：分别测试在外置偏压为0V和V
max
时装置的反射系数，获得两种谐振...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永伟，邢慧娟，彭昊锋，谢慧琳，朱家奇，施佺，吕先洋，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：