CN110082605A - 一种基于谐振法的液晶介电常数测量装置 - Google Patents

一种基于谐振法的液晶介电常数测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于谐振法的液晶介电常数测量装置，包括从上到下依次设置的上介质基板、介质板和金属底板；上介质基板与介质板固定连接，介质板与金属底板可拆卸连接；上介质基板的上表面的两个对侧边缘均设置有两个SMA接头，两个SMA接头之间均设置有耦合微带线，上介质基板的下表面中心设置有谐振贴片；上介质基板的上表面边缘还设置有金属圆形贴片，金属圆形贴片对应的上介质基板上设置有金属通孔，金属圆形贴片通过金属通孔中的导线与谐振贴片连接；介质板的中心设置有液晶腔体，其面积小于谐振贴片的面积；金属底板上设置两个金属圆孔，两个所述金属圆孔与液晶腔体相通。该测量装置具有结构简单，成本低且测量的灵敏度和精确度高的特点。

Description

一种基于谐振法的液晶介电常数测量装置
技术领域
本发明属于液晶器件技术领域，具体涉及一种基于谐振法的液晶节点常数测量装置。
背景技术
对液晶材料在微波频段的介电常数进行精确测量是进行液晶微波器件设计与分析的关键。现有的对液晶材料在微波频段的介电常数测量方法主要有三类：相移法、谐振法以及谐振微扰法，下面进行具体介绍。相移法是将待测液晶灌入一段传输线中，根据外加电场的改变所对应的相移变化，计算出液晶的介电常数。谐振法的原理是其谐振特性会随着外加电场的改变而改变，根据变化计算得出结果。谐振微扰法同样根据系统前后谐振特性的改变得出结果。
近年来向列向液晶材料在微波频段的应用越来越广，其介电特性可连续调谐的特征引起业界广泛关注。液晶材料本身作为微波领域的新型介质材料，对其性质功能的研究是设计基于液晶材料的各类微波器件的基础。近年来对于微波毫米波频段液晶材料的研究主要有测量各类液晶材料的介电特性。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。
在微波领域中液晶介电常数的测试方法主要有自由空间法，同轴线法，平面法，波导法，谐振法以及谐振微扰法。平面法，平面法和波导法这三种方法称为传输/反射法，该方法是将待测样品放入一段传输线内，这段传输线构成一个二端口网络，我们通过得到这个端口的S参数然后再计算出待测液晶样品的介电常数，该测试方法的测试结构简单，一般适用于宽频带测量,对样品的要求不高，并可以实现无损测量。谐振法一般分为谐振器法和谐振腔法，通过将被测液晶样品放入腔体，并利用腔体前后的谐振频率和品质因数的变化来计算出被测样品的介电参数。与传统的传输反射法相比，谐振腔法有着较高的测量精度，但是只能在单一频点或者一些离散的数个频点进行测量，并不适合于宽频带测量，而且对样品的要求较高，此样品需要与谐振腔的尺寸相适应，加工难度大且成本也相对较高。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于谐振法的液晶介电常数测量装置解决了现有液晶介电常数测量时样品要求高且不适合宽频带测量的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于谐振法的液晶介电常数测量装置，包括上介质基板、介质板和金属底板；
所述上介质基板、介质板和金属底板从上到下依次设置，所述上介质基板与介质板固定连接，所述介质板与金属底板可拆卸连接；
所述上介质基板的上表面的两个对侧边缘均设置有一对SMA接头，所述两个SMA接头之间均设置有耦合微带线，所述上介质基板的下表面中心设置有谐振贴片；
所述上介质基板的上表面边缘还设置有金属圆形贴片，所述金属圆形贴片对应的上介质基板上设置有金属通孔，所述金属圆形贴片通过金属通孔中的导线与谐振贴片连接；
所述介质板的中心设置有用于填充液晶的液晶腔体，所述液晶腔体的面积小于谐振贴片的面积，所述谐振贴片覆盖于液晶腔体的上表面；
所述金属底板上设置两个金属圆孔，两个所述金属圆孔与液晶腔体相通。
进一步地，所述上介质基板和介质板均为厚度为0.254mm的罗杰斯4350B。
进一步地，所述谐振贴片的尺寸为9mm×9mm。
进一步地，两个所述耦合微带线的宽度均为1.1mm。
进一步地，所述金属底板的上表面和谐振贴片的上表面均设置有取向膜。
进一步地，两个所述金属圆孔用于为向液晶腔体填充液晶提供注射空间，并通过环氧树脂在液晶注射完成后将金属圆孔封装。
进一步地，两对所述SMA接头通过同轴电缆与矢量网络分析仪连接。
进一步地，所述金属圆形贴片与外接电源正极连接，所述金属底板与外接电源负极连接。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种基于谐振法的液晶介电常数测量装置，用来测量液晶材料在微波段的介电常数，利用本发明测量装置对液晶的介电常数进行测量时，即便液晶层的等效介电常数只有非常小的变化，传输系数曲线也会发生明显的偏移，这就意味着该测量装置有着极高的敏感度，可实现精确测量。因此该测量装置具有结构简单，成本低且测量的灵敏度和精确度高的特点。
附图说明
图1为本发明提供的基于谐振法的液晶介电常数测量装置结构示意图。
图2为本发明提供的基于谐振法的液晶介电常数测量装置加载偏置电压时的结构图。
图3为本发明提供的实施例中液晶器件的S参数仿真与实际测量结果对比示意图。
图4为本发明提供的实施例中对液晶材料加电时其液晶介电常数与电压的变化关系示意图。
其中：1、耦合微带线；2、金属圆形贴片；3、谐振贴片；4、液晶腔体；5、金属圆孔；6、上介质基板；7、介质板；8、金属底板；9、SMA接头；10、导线。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1-2所示，一种基于谐振法的液晶介电常数测量装置，包括上介质基板6、介质板7和金属底板8；
上介质基板6、介质板7和金属底板8从上到下依次设置，上介质基板6与介质板7固定连接，介质板7与金属底板8可拆卸连接；
上介质基板6的上表面的两个对侧边缘均设置有一对SMA接头9，两个SMA接头9之间均设置有耦合微带线1，上介质基板6的下表面中心设置有谐振贴片3，该谐振贴片3由其上表面的耦合微带线1进行微波传输；
上介质基板6的上表面边缘还设置有金属圆形贴片2，金属圆形贴片2对应的上介质基板6上设置有金属通孔，金属圆形贴片2通过金属通孔中的导线10与谐振贴片3连接；
介质板3的中心设置有用于填充液晶的液晶腔体4，液晶腔体4的面积小于谐振贴片3的面积，所述谐振贴片3覆盖于液晶腔体4的上表面；
金属底板8上设置两个金属圆孔5，两个金属圆孔5与液晶腔体4相通。上述上介质基板6和介质板7均为厚度为0.254mm的罗杰斯4350B，该罗杰斯基板是高频基板陶瓷结构，不容易造成电路短路；
谐振贴片3的尺寸为9mm×9mm；该尺寸的谐振贴片与谐振器的频率(1-12GHz)直接相关；
两个耦合微带线1的宽度均为1.1mm；该宽度是结合微带线特性阻抗0Ω以及微带线计算工具计算得出的；
上述金属底板8的上表面和谐振贴片3的上表面均设置有取向膜，该取向膜可选用聚酰亚胺，用来给液晶分子配向。
两个金属圆孔5用于为向液晶腔体4填充液晶提供注射空间，并通过环氧树脂在液晶注射完成后将金属圆孔5封装，使液晶材料封装在液晶腔体4中，便于后续对其介电常数进行测量，后续测量其他液晶材料的介电常数时，可直接将金属底板8更换。开两个孔的目的是在一个孔注入液晶而另一个孔可有效的排除液晶腔体4内的空气，以防止液晶材料中混有空气使得测量结果误差偏大，等液晶住满后可通过UV胶将孔封住。
该液晶介电常数测量装置的两对SMA接头10通过同轴电缆与矢量网络分析仪连接，通过矢量网络分析仪对测量装置输出的数据进行处理，进而得到液晶材料介电常数数据。
该液晶介电常数测量装置外接有电压源，实现加载电压可调，其上的金属圆形贴片2与外接电源正极连接，金属底板8与外接电源负极连接。压差的变化使得液晶层的等效介电常数参数发生变化，液晶层的不同等效介电常数将会对液晶器件的谐振频率产生偏移，这种影响可通过测量装置的输出微波的传播吓唬反映出来。
在本发明的一个实施例中，提供了该装置的工作过程：矢量网络分析仪对液晶在微波频段的介电常数进行测量时，其中的微波源输入到该装置中，微波能够与测量装置的谐振贴片发生耦合，产生谐振；同时可以调整谐振贴片与金属底板之间的压差，使得液晶的等效介电常数发生变化，液晶层不同的等效介电常数会对谐振结构的谐振产生不同的影响，这种影响能够通过测量装置输出的微波的传输系数曲线反映出来，通过获取液晶两个极限状态；水平取向与垂直取向下的传输系数曲线，计算出液晶长轴方向和短轴方向的介电常数，实现对液晶材料在微波频段介电常数各项异性的测量。
在本发明的另一个实施例中，提供了该测量装置仿真测试和实际测试实验过程和结果：
结合实验条件和现有的工艺水平，本发明采用的液晶介电常数测试方法是谐振法；液晶谐振器在液晶两端加载不同的电压会对应不同的谐振频率，在HFSS仿真软件中会对液晶谐振器中谐振贴片下方的液晶介电常数进行设置，由此可以得出液晶介电常数和谐振频率之间的拟合关系和实际的测试结果即可得出待测液晶材料的介电常数。
通过仿真模拟发现，利用本发明测量装置对液晶的介电常数进行测量时，即便液晶层的等效介电常数只有非常小的变化，传输系数曲线也会发生明显的偏移，这就意味着该测量装置有着极高的敏感度，可实现精确测量。
为了保证测试结果的准确性，首先对测试方法进行验证，现将图1中谐振贴片下的腔体用罗杰斯4350B基本替代，来比较测试结果与仿真结果的一致性。
通过注射的方式将液晶通过金属圆孔注射到液晶腔体中，并有效地防止液晶中有气泡产生。并通过图2中的外加电压源给液晶加上偏置电压通过测试发现当外加电压大于28V，谐振器的谐振频率不再发生任何改变，即此时液晶分子已经是完全偏转的状态，并测得液晶介电常数对应的值为平行于液晶分子长轴时的介电的值；附图3是液晶的介电常数与偏置电压的关系曲线图。
由于在金属接地板上打了两个小圆柱形的孔，可以很方便地将液晶材料注射进空腔中去，等再次测量其他液晶材料时，我们将下基板替换，再将液晶灌入器件里就可以重新测量，这样的话也不影响偏置电压的加入。
我们的仿真结果与测试的结果相互拟合，并得出了液晶介电参数与对应的电压之间的关系，如附图4所示，在液晶没有加电的情况下液晶的介电参数为2.36，此时液晶的分子在聚合物聚酰亚胺的作用下使得液晶分子平行于基板的表面，因此此时测得是当电压加到5V时液晶的介电参数2.42，电压加到10V对应的液晶介电常数为2.58，等到液晶加到28V的时候介电为3.22，超过28V在继续加电压的时候发现液晶的介电参数不再发生改变，因此28V为此液晶的饱和电压。液晶的介电受到众多因数的影响，如温度、电场、聚酰亚胺取向剂等，因此我们测得的值一般是小于液晶的实际介电的值，为了测试更加精确需要扣除这些因数的影响。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种基于谐振法的液晶介电常数测量装置，用来测量液晶材料在微波段的介电常数，利用本发明测量装置对液晶的介电常数进行测量时，即便液晶层的等效介电常数只有非常小的变化，传输系数曲线也会发生明显的偏移，这就意味着该测量装置有着极高的敏感度，可实现精确测量。因此该测量装置具有结构简单，成本低且测量的灵敏度和精确度高的特点。

Claims (8)

1.一种基于谐振法的液晶介电常数测量装置，其特征在于，包括上介质基板(6)、介质板(7)和金属底板(8)；
所述上介质基板(6)、介质板(7)和金属底板(8)从上到下依次设置，所述上介质基板(6)与介质板(7)固定连接，所述介质板(7)与金属底板(8)可拆卸连接；
所述上介质基板(6)的上表面的两个对侧边缘均设置有一对SMA接头(9)，所述两个SMA接头(9)之间均设置有耦合微带线(1)，所述上介质基板(6)的下表面中心设置有谐振贴片(3)；
所述上介质基板(6)的上表面边缘还设置有金属圆形贴片(2)，所述金属圆形贴片(2)对应的上介质基板(6)上设置有金属通孔，所述金属圆形贴片(2)通过金属通孔中的导线(10)与谐振贴片(3)连接；
所述介质板(7)的中心设置有用于填充液晶的液晶腔体(4)，所述液晶腔体(4)的面积小于谐振贴片(3)的面积，所述谐振贴片(3)覆盖于液晶腔体(4)的上表面；
所述金属底板(8)上设置两个金属圆孔(5)，两个所述金属圆孔(5)与液晶腔体(4)相通。
2.根据权利要求1所述的基于谐振法的液晶介电常数测量装置，其特征在于，所述上介质基板(6)和介质板(7)均为厚度为0.254mm的罗杰斯4350B。
3.根据权利要求1所述的基于谐振法的液晶介电常数测量装置，其特征在于，所述谐振贴片(3)的尺寸为9mm×9mm。
4.根据权利要求1所述的基于谐振法的液晶介电常数测量装置，其特征在于，两个所述耦合微带线(1)的宽度均为1.1mm。
5.根据权利要求1所述的基于谐振法的液晶介电常数测量装置，其特征在于，所述金属底板(8)的上表面和谐振贴片(3)的上表面均设置有取向膜。
6.根据权利要求1所述的基于谐振法的液晶介电常数测量装置，其特征在于，两个所述金属圆孔(5)用于为向液晶腔体(4)填充液晶提供注射空间，并通过环氧树脂在液晶注射完成后将金属圆孔(5)封装。
7.根据权利要求1所述的基于谐振法的液晶介电常数测量装置，其特征在于，两对所述SMA接头(9)通过同轴电缆与矢量网络分析仪连接。
8.根据权利要求1所述的基于谐振法的液晶介电常数测量装置，其特征在于，所述金属圆形贴片(2)与外接电源正极连接，所述金属底板(8)与外接电源负极连接。
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