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Liquid Crystal Based Microwave Components with Fast Response Times: Material, Technology, Power Handling Capability

Gölden, Felix :
Liquid Crystal Based Microwave Components with Fast Response Times: Material, Technology, Power Handling Capability.
Technische Universität Darmstadt, Fachgebiet Mikrowellentechnik
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Liquid Crystal Based Microwave Components with Fast Response Times: Material, Technology, Power Handling Capability
Language: English
Abstract:

The present thesis is concerned with tunable microwave components based on Liquid Crystals (LC). Here, the fact is utilised that LC feature at GHz frequencies as well as at optical frequencies a dielectric anisotropy along a preferential direction. By means of an electric or magnetic control field, which superimposes the RF field, this preferential direction can be reoriented and thus the permittivity effective for the RF field can be controlled. After in a preceding doctoral work the applicability of LC was demonstrated in principle, the motivation of the present work is to advance the usage of LC for microwave applications, particularly for tunable phase shifters for reconfigurable phased arrays, further toward commercial applicability. To this end, both material aspects as well as component and fabrication aspects are considered. In order to improve the dielectric properties, i.e. loss and anisotropy and hence the tunability, numerous nematic mixtures were investigated with respect to their microwave performance. Certain components could be identified which feature both high tunability and low loss. Particularly these compounds based on Diphenylacetylene or on Quarterphenyles. By employing high precision measurements it is shown that the dielectric loss strongly depends on molecular relaxations. If these relaxations are reduced, materials with loss tangents down to 0.006 and relative tunabilities of up to 25 % at 30 GHz can be synthesised. For passively tunable materials, these are exceptional values. Two different approaches were pursued in order to reduce the so far for LC-based microwave devices with layer thicknesses of several 100 µm usual response times of several seconds. On the one hand, this is the stabilisation of the LC by means of a PTFE matrix which reduced the response times considerably down to 90 ms. On the other hand, a method resembling LC display assembly technology has been developed which allows realising thin LC layers also for microwave devices. Using the fabricated tunable capacitors it could be demonstrated that with a LC layer thickness of approx. 5 µm response times faster than 100 ms and with a layer thickness of approx. 1 µm response times faster than 5 ms can be achieved. Based on these tunable capacitors a tunable phase shifter is developed which features a phase shifter performance of up to 60 degrees per dB insertion loss at 20 GHz and a response time of faster than 340 ms. Additionally, for these devices resistive bias electrodes made of Indium-Tin-Oxide were employed. The power handling capability of such devices was investigated by means of single and two tone measurements. With the single tone measurements it could be shown that the device characteristic is influenced at high power levels by self-actuation effects, however only above a certain threshold power. With the two tone measurements it could be shown that these self-actuation effects cause increased intermodulation at small tone distances (<1 kHz). However, for tone distances larger than 100 kHz IP3 values of about 60 dBm can be achieved.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit steuerbaren Mikrowellenkomponenten auf Basis von Flüssigkristallen (engl. Liquid Crystal, LC). Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass LCs bei Frequenzen im GHz-Bereich wie auch bei optischen Frequenzen eine dielektrische Anisotropie entlang einer Vorzugsrichtung aufweisen. Durch das Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Steuerfeldes, das dem Hochfrequenzfeld überlagert ist, kann die Vorzugsrichtung reorientiert und damit die für das Hochfrequenzfeld effektive Permittivität verändert werden. Nachdem in einer vorangegangenen Promotionsarbeit die grundsätzliche Eignung von LCs für Mikrowellenanwendungen nachgewiesen werden konnte, ist die Motivation der vorliegenden Arbeit die Verwendung von LCs für Mikrowellenanwendungen, insbesondere für steuerbare Phasenschieber für rekonfigurierbare Gruppenantennen, weiter in Richtung eines kommerziellen Einsatzes voran zu treiben. Zu diesem Zweck werden sowohl Materialaspekte als auch Bauteil- bzw. Herstellungsaspekte betrachtet. Um die dielektrischen Eigenschaften, d.h. Verluste und die Anisotropie und damit die Steuerbarkeit, zu verbessern, wurden zahlreiche nematische Mischungen auf ihre Mikrowellenperformanz hin untersucht. Dadurch konnten bestimmte Komponenten identifiziert werden, die sowohl eine hohe Steuerbarkeit als auch niedrige dielektrische Verluste haben. Insbesondere sind dies auf Diphenylacetylen basierende Verbindungen sowie Quarterphenyl-Verbindungen. Mit Hilfe hochpräziser Messmethoden wird gezeigt, dass die Mikrowellenverluste stark von Molekülrelaxationen abhängen. Werden diese Relaxationen stark reduziert, können Materialien mit Verlustwinkeln von weniger als 0.006 und einer Steuerbarkeit von bis zu 25 % bei 30 GHz synthetisiert werden. Für ein passiv steuerbares Material sind dies herausragende Werte. Um die bei auf LC basierenden Mikrowellenbauelementen mit LC-Schichtdicken von einigen 100 µm bisher üblichen Schaltzeiten von einigen Sekunden zu reduzieren, wurden zwei unterschiedliche Ansätze verfolgt. Zum einen ist dies die Stabilisierung des LC durch eine PTFE-Matrix. Durch diese Maßnahme konnten die Schaltzeiten deutlich auf unter 100 ms reduziert werden. Zum anderen wurde eine an die Displayherstellung angelehnte Methode entwickelt um dünne LC-Schichten auch in Mikrowellenbauelementen verwenden zu können. Mit den dabei hergestellten steuerbaren Kapazitäten konnte demonstriert werden, dass bei Schichtdicken von etwa 5 µm Schaltzeiten von unter 100 ms, bei Schichtdicken von etwa 1 µm sogar unter 5 ms, realisiert werden können. Basierend auf diesen steuerbaren Kapazitäten wurde ein steuerbarer Phasenschieber entwickelt, der eine Phasenschiebergüte von bis zu 60 Grad pro dB Einfügeverlust aufweist bei einer Schaltgeschwindigkeit von besser als 340 ms. Für dieses Bauteil wurden weiterhin resistive Steuerelektroden aus Indium-Zinn-Oxid verwendet. Die Leistungsverträglichkeit von solchen Bauelementen wurde anhand von Ein- und Zweitonmessungen untersucht. Durch die Eintonmessungen konnte gezeigt werden, dass das Bauteilverhalten durch Selbstaktuierung bei hohen Leistungen beeinflusst werden kann, jedoch nur oberhalb einer bestimmten Schwellleistung. Mit den Zweitonmessungen wurde gezeigt, dass dieser Selbstaktuierungseffekt eine erhöhte Intermodulation bei kleinen Tonabständen (< 1 kHz) bedingt. Für Tonabstände größer als 100 kHz können jedoch IP3 Werte von nahe 60 dBm erreicht werden.German
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: ?? fb18_fukom ??
Date Deposited: 24 Jun 2010 13:59
Last Modified: 07 Dec 2012 11:57
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-22031
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Jakoby, Prof. Dr.- Rolf and Knoll, Prof. Dr.- Peter
Refereed: 18 December 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2203
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