應用于微波領域的液晶材料調查研究

關鍵詞： 微波器件 液晶材料 低介電損耗 微波領域

中圖分類號： O753+.2 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）16-0116-04

微波作為一種高頻率的電磁波，具有傳播穩定、受干擾小等特點，是通信技術發展中重要的研究對象。微波移相器是微波K 波段（4～40 GHz）通信技術領域中的關鍵器件[1]，在雷達系統、衛星天線、通信系統、電子對抗系統等航空、軍用和民事領域具有廣泛的應用。但隨著現代通信技術的快速發展，通信頻率擁堵現象日益突出，要求通信器件具有更高的可調頻性、更寬的頻帶和多功能性。傳統的鐵氧體、二極管移相器輻射單元天線以及用其制作的微波器件體積大、容量小和調諧速度慢、制作工藝復雜、成本高，很難滿足現代通信發展需要[2]，以5G 移動通信、無線聯網、無線傳感網、衛星通信為代表的現代通信技術的迅速發展，對高性能、寬頻帶、小型化和低功耗等微波元器件的需求日益迫切。近20 年來，人們開始尋找新材料，研究性能更優異的低電壓、快速調諧、寬調諧帶、小型化和可移動的微波通信器件以彌補上述缺陷，促進微波通信技術的發展。

向列相液晶是一種有機物，具有液體的流動性和晶體有序性及各向異性，在電磁和光等外場作用下介電常數（ε）和雙折射率（△n）連續變化，并且微波介電損耗隨著頻率的增加呈現下降趨勢，這與傳統移相器的損耗規律不同；液晶通過外加偏置電壓可實現介電常數連續變化，當微波在液晶介質中傳播時，變化的介電常數可改變微波相位，從而實現微波相位的連續可調諧作用。液晶制作的器件還具有制造成本低、容易工業化等優點，因此液晶是一種優秀的微波移相器用調諧介質材料。

液晶材料由于其介電常數可調、功耗低、電控掃描等優勢，適合制作高方向性微波智能天線陣列[3-6]。利用現有成熟的液晶顯示器件的生產技術，有望實現基于液晶材料的相控陣天線器件大批量、低成本制造，在微波中繼通信、衛星通信等領域展現出廣闊的應用前景[5]。然而，目前商用液晶材料存在微波頻段介電損耗大，介電各向異性低等缺點，導致微波器件可調諧范圍小和介電插損高，成為制約微波器件研究和發展的瓶頸。目前找到合適的液晶材料是各機構的研究重點。

1 國外微波領域液晶材料研究發展

德國Darmstadt 大學在這一領域的研究處于世界領先地位，其研究工作涵蓋可調濾波器、可重構天線、可調頻率選擇器及可調移相器等重要領域。1993 年，LIM K. C 等人采用商用液晶K15，根據電控雙折射效應，施加16 V 偏電壓，在10.5 GHz 頻率上獲得20°的相移，實現了微波相位可調。2002 年，德國報道了一種平面集成液晶可調移相器，得到18 GHz 頻率附近53°的相移，受到世界同行普遍重視。2004 年，法國采用液晶BL037 研制出矩形貼片天線，通過施加偏電壓得到4.74～4.6 GHz 之間140 MHz 的頻移，可調頻量達到5.5%。2013 年，西班牙研制出工作頻率96～104 GHz 的53×54 三個偶極子單元反射陣列式貼片天線，實現165°的相位改變。德國在2015 年研制出可調二維波束偏轉液晶相控陣列刷貼天線，實現17.5 GHz 頻段300°移相量，可調偏壓15 V，回波損耗低于15 dB。

近年來，德國Merck 公司報道了異硫氰基?多環芳乙炔基類高△n 值混合液晶材料，其△n 值達到0.25～0.30 左右，對微波器件的介電性能有所改善，但介電損耗依然較大。HERMAN J 等人在2013 年[7]和2015 年[8]分別報道了異硫氰基?側向乙基四苯二乙炔類液晶化合物（△n≥0.6），微波相移量明顯增加，但介電損耗偏大，材料熔點高。2013 年，REUTER M 等人報道了高頻對-F、-CN、-NCS 等不同端基吸波的影響。2017 年，DZIADUSZEK J 等人報道了端基為NCS、CN、F、OCF3等側向氟代聯苯乙炔類系列化合物配制的△n=0.45 液晶組合物，分析比較了這些端基對GHz 和THz 波段介電各向異性的影響作用。2018 年，KOWERDZIEJ R[9]等人報道了含氟二苯乙炔異硫氰酸酯類液晶組合物在6GHz 頻段的光可調諧性隨溫度的變化情況，發現這類液晶對微波相位可調制性（τ）和介電性能（△n）隨溫度變化不明顯，表明異硫氰基和乙炔基等結構單元對微波比較穩定。MICHAEL W 等[10]以二苯乙炔類與環己烷二聯苯類液晶化合物按不同比例配制混晶，其在19GHz 下的垂直電損耗為0.012。最近，LAPANIK V 等人在KOWERDZIEJ R 工作的基礎上，采用異硫氰基?多芳環類混合液晶材料，不僅降低了介電損耗，還增大了微波移相量，揭示了分子結構中基團、橋鍵的穩定性對介電損耗的影響作用，但其材料熔點仍在0 ℃以上，亦不能滿足戶外使用要求。

液晶材料在微波領域中探討方面，各機構也十分重視專利的申請。本文對世界范圍的專利進行調查，以微波、液晶、合成（制備）為檢索詞在Dialog 數據庫中查找到相關的專利376 篇，其中大部分為中國專利（見圖1）。而從申請數量來看，申請專利最多的機構為默克公司，其液晶材料多為含有不同取代基的乙炔類族化合物。根據文獻顯示，該機構在微波器件應用的液晶材料領域已進行了廣泛研究，領先于其他機構。

日本科學家與默克公司也進行了聯合研究，除此之外并無突破性的進展。美國在該方面無明顯研究報道。

2 國內微波領域液晶材料發展

國內起步較晚，目前研究主要集中于適用于高頻組件的液晶化合物的發現，高頻器件的研究較少。以“（微波or 高頻）and 液晶and 相關機構”作為檢索式，查得相關機構的專利申請情況見表1。

最早開始研究的是默克專利股份有限公司（簡稱“默克公司”），該公司于2011 年開始相關專利的申請。默克公司總部在美國，其研究專業涉及醫藥化工、半導體、顯示等領域。液晶介質及其在高頻組件中的應用相關專利的申請屬于該公司在中國的布局，也顯示該領域的研究價值。2011 年和2013 年，默克相繼在上海建立液晶應用實驗室和液晶中國中心，為推進顯示材料業務運營中國本地化戰略，實驗室配備了最新研發實驗設備，并組建了各國專家組成的研發團隊，為中國市場提供高質量材料和更快速的響應服務。

默克公司早期研究的液晶化合物多屬于含有不同取代基的二苯乙炔類化合物，其介電各向異性較低，且介電損耗較大。該公司近年來研究的多為芳香族異硫氰酸酯類化合物，該類化合物具有優異的穩定性且同時具有高介電各向異性、適宜快速切換時間、適宜向列相范圍、高可調諧性和低介電損耗等特性。

京東方科技集團股份有限公司（簡稱“京東方”）是2018 年開始對該領域進行研究，其研究內容大多是關于高頻器件的應用。值得一提的是，京東方在2019 年擊敗LG 成全球最大液晶屏供應商。該公司有強勁的研發能力，并且該公司也與其他機構（西安近代化學研究所）開展了液晶化合物制備的聯合研究，有望成為國內該領域的領頭羊。

武漢輕工大學從2019 年開始研究適用于高頻組件的液晶化合物，研究的內容包括乙炔類、含異硫氰基等液晶化合物，并研究其微波K 頻段的介電性能，但目前也并未發現理想的液晶化合物；其他機構如石家莊誠志永華顯示材料有限公司、江蘇和成顯示科技有限公司、煙臺顯華化工科技有限公司、蘇州美嘉寫智能顯示科技有限公司液晶化合物的合成與微波器件的應用等方面進行了部分研究，但因公開的資料較少，未能窺得其研究體系。

此外，國內關于微波材料在微波器件應用方面的研究也正在進行中。曹智慧[11]在可調微波濾波器、可調波微漏波天線、可調微波陣列天線等取得了不錯的研究成果。王瑀[12]、梁知清[13]、朱凱[14]在太赫茲陣列天線、移相器、微波毫米波平面相控陣天線等方面也進行了大量的研究。

3 微波器件液晶材料制備發展趨勢及相關建議

現有研究發現，目前微波用液晶材料在實際應用中主要存在以下幾個問題：首先，光學各向異性△n 值偏小，導致移相量不充分；其次，由于液晶分子中結構基團的吸波和可極化作用，導致液晶材料的介電損耗偏大；最后，為了保證微波頻段下較高介電各向異性值，所采用的液晶分子本身所具有的大的π 電子共軛體系導致單體液晶材料具有高熔點和高黏度，將其添加到配方中導致混合液晶材料的熔點和黏度上升，一定程度上影響器件的工作溫度范圍和響應速度。因此，亟待開發出同時具有高調諧率、低介電損耗、低熔點以及低黏度的微波液晶材料。

微波器件用液晶材料的開發屬于近年來的新興研究領域，國內外均未見有成熟的批量化商業化產品。各研究機構可努力突破超高性能微波液晶材料開發以及器件應用瓶頸，盡早實現微波液晶批量化推廣應用。