[行業(yè)動態(tài)]電磁調控液晶相控陣天線開展現(xiàn)狀
01、引言
電磁超材料（EM metamaterial）描述的是一類具有特殊性質的人工電磁結構材料，含義豐富，根據(jù)使用場合的不同，也稱之為左手材料、光子晶體、雙負材料、超構材料等。“負折射率”超材料概念于1968年由物理學家Veselago首次提出，由于缺乏實驗驗證，該概念不斷停留在理論假說上。直到美國杜克大學Smith教授團隊在微波頻率進行了實驗驗證，才開始了電磁超材料研究熱潮。電磁超材料因其獨特的電磁特性而受到極為廣泛的關注，并迅速開展成為涉及物理、化學、材料、信息等領域的前沿交叉學科，其應用范圍覆蓋了工業(yè)、軍事、生活等各個方面。隨著現(xiàn)代社會逐漸步入信息化，相關學科領域如通信、國防、電子技術及基礎自然科學等都取得了前所未有的開展機遇，電磁超材料技術研究正在由基礎理論研究轉向工程應用。從傳統(tǒng)的頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS）、電磁帶隙（Electromagnetic Band-Gap，EBG）、極化柵、人工磁導體等電磁超材料應用，到最近幾年加載電磁調控液晶、PIN二極管、MEMS開關或變容二極管等器件的新型電磁超材料產品問世，電磁超材料已在隱身、低散射截面、高性能天線、高分辨率的成像透鏡，甚至實現(xiàn)數(shù)學運算等領域展示出了巨大的開展?jié)摿?。電磁超材料研究及應用概述如圖1所示。
圖1 電磁超材料研究及應用示意
電磁調控液晶作為最受關注的電磁超材料之一，憑借優(yōu)異的電性能、熱性能、物理性能、化學性能和機械性能，尤其是各向異性、低驅動電壓、低功耗等方面的優(yōu)勢，其在微波、毫米波、太赫茲波乃至激光領域的應用成為電磁超材料研發(fā)和應用的重要方向之一，可廣泛應用于天線、移相器、濾波器、偏振片和開關等器件的設計，為電磁場及光學領域突破和解決傳統(tǒng)設計時所遇到的一些瓶頸給予了新的思路和解決方法。
02、電磁調控液晶技術開展概述
2.1 研究歷程概述
早期有關電磁調控液晶的研究集中于液晶的介電性能、各向異性以及對所施加電場和磁場的依賴性。介電測量是使用波導方法在單個微波頻率（~24 GHz）下進行的，實驗中使用的向列型和層列型液晶材料需要在較高的溫度（100～200 ℃）下才能表現(xiàn)出液晶相。這個階段液晶材料具有相對較高的溫度、較低的化學純度和特性的短期穩(wěn)定性，以及相對較大的介質損耗（約為0.1），均導致了1960年代到1970年代有關電磁調控液晶的研究大都基于單純學術興趣。
在1980年代，室溫液晶的化學設計和合成方面取得突破，1960年代至1970年代研究的“高溫”和“不穩(wěn)定”液晶被化學上穩(wěn)定的室溫液晶所替代，該液晶在微波頻率下具有高雙折射和介電常數(shù)可調性，這引起了更多電磁場領域學者的研究興趣。1990年代初以來，德國默克（Merck）、日本智索（Chisso）以及中國科研實驗室長春光學精密機械與物理研究所等液晶材料的生產廠商和研究組織針對電磁調控液晶應用需求展開了新產品的研制，陸續(xù)開發(fā)出具有高光學各向異性、低損耗角正切、快速響應時間、寬的相范圍、高清亮點和低熔點等優(yōu)點的新型液晶材料。同時現(xiàn)代網絡分析儀、晶圓技術、建模和微波仿真技術的顯著改進為微波毫米波乃至太赫茲頻率下液晶特性研究的爆炸式開展奠定了堅實的基礎。
2.2 應用領域概述
加載MEMS開關、PIN二極管或變容二極管等器件的電磁超材料雖然具有器件成熟、響應時間快等優(yōu)點，但在實際應用中存在明顯不足，例如僅能給予離散的調諧級別，具有更高的制造復雜性和成本，并且其性能指標在高頻段（幾十吉赫茲）時會顯著惡化等。其他陸續(xù)在可調的材料（例如鐵氧體和鐵電體）是微波、毫米波頻率調諧器件設計的絕佳選擇，但它們具有高介電損耗、高介電常數(shù)值以及非常高的工作電壓（通常需數(shù)百伏），尤其是在膜層厚度較大的情況下上述不足更加突出，因此限制了它們在毫米波應用中的整體性能。
與之相比，電磁調控液晶超材料不僅可以給予對電磁波的陸續(xù)在調諧，滿足低介電常數(shù)和色散要求，介電損耗在1～1000 GHz范圍內均可以接受，更吸引人的是該指標會隨頻率升高而降低，同時驅動偏置電壓較低，幾伏到幾十伏即可滿足工程應用。電磁調控液晶超材料在毫米波甚至太赫茲頻段具備更緊湊的器件尺寸、更快的切換時間以及更低的生產成本，同時性能也可得到進一步提升。上述特點使得電磁調控液晶超材料技術研究在眾多應用領域取得了突破，在學術界和工業(yè)界，電磁調控液晶已經成為國內外超材料領域的研究熱點之一，研究重點由構建和表征采用液晶的可調諧微波設備，包括移相器/延遲線、可調濾波器和諧振器、超材料或頻率選擇表面、貼片天線、相控陣天線、反射陣列、行波天線或透鏡天線等，逐漸轉向工程實用和產品開發(fā)。這其中，已有基于電磁調控液晶技術的移相器和相控陣天線產品面世并得到應用。
基于電磁調控液晶的器件示意如圖2所示。
圖2 基于電磁調控液晶的器件示意
03、電磁調控液晶天線技術分析
衛(wèi)星互聯(lián)網浪潮興起、5G商用、信息網絡與產業(yè)體系變革重塑、泛在連接構建萬物智聯(lián)新生態(tài)等主要趨勢都對微波、毫米波天線行業(yè)的技術革新提出了應用要求，傳統(tǒng)的機械驅動波束掃描天線不僅存在尺寸大、笨重、功耗大等應用局限，而且機械伺服結構還會帶來波束掃描速度慢、可靠性差等問題，已經無法滿足新的使用需求。各類新應用均要求天線可以實現(xiàn)電子波束掃描，還希望低成本、低功耗、高可靠性、平板化、輕量化等。
電磁液晶超材料可以運用于微波、毫米波乃至太赫茲波頻段的電調諧器件設計，具有體積小、便捷性高、功耗低、制造成本低等顯著特點；并且其填充介質液晶的損耗角正切隨著頻率的增大而減小，偏置電壓也相對較小，為低成本、低功耗相控陣天線設計給予了一個有效的解決方案。
3.1 基本原理
電磁液晶超材料經過初始取向后，其液晶分子可按一定規(guī)則排布。如圖3所示，順利獲得對該液晶超材料層施加偏置電壓，改變液晶分子排列方向，會使得平行于液晶分子長軸的介電常數(shù)與垂直于分子長軸方向的介電常數(shù)各不相同，從而形成液晶超材料等效介電常數(shù)εr在一定范圍內陸續(xù)在變化，即?ε=εr‖-?r?不再為零，這時就表現(xiàn)了介電各向異性。利用液晶的這個性質即可實現(xiàn)對電磁波相位等特性的陸續(xù)在調控。
本節(jié)將對基于上述基本原理，在電磁調控液晶相控陣天線領域研究較深入且技術成熟度較高的3種主要技術路線進行簡要分析。
圖3 液晶分子偏轉角度與偏置電壓的關系
（1）液晶諧振器開關移相技術
該技術原理是設計液晶高Q值的諧振器開關替代傳統(tǒng)加載PIN開關器件電磁超材料結構，實現(xiàn)射頻信號的通斷控制，天線輻射單元則以傳統(tǒng)電磁超材料結構原理按一定的規(guī)律周期排布，每相鄰兩個輻射單元存在一個相位差，順利獲得全息算法確定液晶諧振器“開關”狀態(tài)，進而選擇輻射單元控制波束指向。
該技術優(yōu)點是容易實現(xiàn)收發(fā)天線共面設計，但不足較為明顯。由于液晶本身性能導致開關隔離度不高，小尺寸周期單元排布導致互偶、相位模糊和輻射效率不高，因而存在天線掃描波束指向精度較差、效率較低（15%）、旁瓣電平較大和控制算法設計復雜等問題，同時該技術路線對電磁調控液晶材料特性要求較高。
（2）液晶延遲線移相技術
該技術原理是采用倒置微帶線三明治結構實現(xiàn)延遲線移相結構，順利獲得控制液晶介電常數(shù)的變化改變波導波長和S21參數(shù)，可順利獲得設計調整微帶線長度實現(xiàn)相位變化范圍，如圖4所示。
圖4 液晶延遲線移相技術原理示例
該技術優(yōu)點是工藝相對簡單，其不足主要表現(xiàn)在移相損耗較大（F o M：60°/d B），導致天線整體損耗偏大，因而效率不高（30%）；同時移相器尺寸相對較大，難于實現(xiàn)天線雙極化、收發(fā)一體化設計。
（3）液晶可變電容器移相技術
該技術原理是采用多層“三明治”結構實現(xiàn)可變電容器結構，順利獲得控制液晶介電常數(shù)的變化改變結構容值和阻抗，實現(xiàn)基于該可變電容結構的時頻響應、頻率選擇、移相控制、傳輸匹配等功能；順利獲得3D結構設計實現(xiàn)更佳的慢波效果，達到有效減小移相器尺寸和移相器損耗的目的，提升了移相器的品質因數(shù)。液晶可變電容器移相技術原理如圖5所示。
圖5 液晶可變電容器移相技術原理
該技術優(yōu)點是在有限空間內最大限度利用液晶可調能力，實現(xiàn)大范圍的液晶電磁控制，有助于降低單元尺寸（小于0.009λ02），同時降低液晶帶來的電磁調控損耗（FoM：大于100°/dB），提高輻射效率（40%），并使電磁調控時間大大縮短，達到毫秒級。該技術的不足是結構相對復雜，對加工工藝要求相對嚴格。
3.2 與CMOS低成本相控陣天線技術對比分析
采用成本更低的硅基CMOS工藝代替昂貴的GaAs、GaN工藝，犧牲一部分T/R組件性能（單通道功率小、效率低等）來換取成本的相對降低，天線集成度高，能夠使相控陣天線波束具有高精度、快速掃描的能力；但依舊基于射頻芯片集成電路生產線和工藝，生產難度較大，射頻板材、制造工藝等均受制于國外，批量生產和成本降低在很長一段時間內仍有難度，其大規(guī)模普及應用受成本、尺寸、重量、功耗、系統(tǒng)復雜度所限制。與之相比，電磁調控液晶相控陣天線在功耗、成本、一致性和量產可行性上都具備一定優(yōu)勢。二者的具體對比如見表1。
表1 低成本相控陣天線技術對比
04、 全球主要電磁調控液晶天線產品研制進展
低成本相控陣天線市場需求的日益明確，使越來越多國內外科研院所、天線設備廠商乃至顯示面板廠商對電磁調控液晶相控陣天線技術增大研發(fā)投入，卻因面臨材料、設計、工藝等障礙和壁壘大都止步于理論研究階段。
電磁調控液晶相控陣天線是跨學科融合技術，涉及微波電磁場、物理、化學、材料、微納工藝、計算機軟硬件、工程等多個學科，需突破傳統(tǒng)天線設計領域的微小電尺寸仿真和設計，設計思路和設計方法不同，模型構造復雜，精確仿真難度大。對各專業(yè)均有理解和融合思考能力的技術帶頭人才能有創(chuàng)新技術突破，不僅需要實現(xiàn)與眾不同的原理設計，還需具備工程可實施性。電磁調控液晶相控陣天線可以使用現(xiàn)有的TFT-LCD顯示面板生產線加工制造液晶相控陣天線面板，實現(xiàn)規(guī)?；a制造。但由于電磁調控液晶相控陣天線與傳統(tǒng)顯示從設計到應用有很大不同，所需的材料和工藝與現(xiàn)有生產線差別較大，每個工藝環(huán)節(jié)均需要反復嘗試和測試，加工時間周期長，迭代周期長，導致研發(fā)難度大。
現(xiàn)在，國內外僅有三四家廠商可給予具有自主知識產權的電磁調控液晶相控陣天線工程樣機，其主要進展及性能指標總結如下。
4.1 液晶諧振器開關移相技術代表產品
Kymeta公司已于2017年年底正式推出了全球首款基于液晶諧振器開關移相技術的液晶相控陣天線產品，并陸續(xù)交付用戶應用?，F(xiàn)在其正在召開第二代液晶相控陣天線u8的開發(fā)。
4.2 液晶延遲線移相技術代表產品
Alcan Systems公司于2020年6月發(fā)布產品開發(fā)計劃，其基于電磁調控液晶技術的Ka頻段衛(wèi)星通信天線將于2021年第4季度交付首批客戶，并表示該天線定價1 500歐元（完整終端價格估計為2 500歐元）。
4.3 液晶可變電容器移相技術代表產品
北京華鎂鈦科技有限公司于2018年1月推出了國內首臺基于液晶可變電容器移相技術的Ku頻段液晶相控陣天線工程樣機，并于2019年11月聯(lián)合液晶面板生產線實現(xiàn)Ku頻段液晶相控陣天線小批量試生產，其面向衛(wèi)星互聯(lián)網應用的液晶相控陣天線預計2021年實現(xiàn)量產。
上述3款產品主要技術指標對比見表2。
表2 液晶相控陣天線產品技術指標對比
4.4 低成本優(yōu)勢分析
自2017年美國Kymeta公司推出全球首款液晶相控陣天線并投入市場至今，液晶相控陣天線產品的低成本優(yōu)勢已經在生產、調測和應用等不同階段得到印證。
（1）生產成本及物料成本低
第一時間，天線液晶面板可基于現(xiàn)有液晶顯示面板成熟生產線基礎大規(guī)模生產，而現(xiàn)在55英寸LCD顯示面板出廠成本已經低于100美元。其次，所需射頻物料成本只有相同指標T/R組件相控陣天線的1/20到1/10，而且液晶相控陣天線成本也不像T/R組件相控陣天線成本一樣與通道數(shù)成比例增加，液晶相控陣天線面板越大，成本相對也越低。
（2）調測成本低
量產工藝成熟穩(wěn)定后，液晶相控陣天線液晶面板加工一致性可以保證所有天線整機射頻指標一致性，因而有效減少液晶相控陣天線出廠調測時間和難度，有效降低調測成本。
（3）應用成本低
從各廠商公開指標可以看出，液晶相控陣天線整機功耗較相同指標的T/R組件相控陣天線明顯降低，對于最終用戶來說，可以有效降低電費成本。
因此，無論從成本分析，還是各廠商已經公布的目標產品定價來看，電磁調控液晶超材料相控陣天線短期內產品售價降到10萬元以內幾乎沒有懸念，未來隨著應用普及更有望降到萬元級別。
4.5 技術開展趨勢分析
由于電磁液晶移相技術在小型化、輕重量、低成本、高性能等方面優(yōu)勢突出，未來，各廠商公司將基于該技術在新領域、新應用、新需求、新空間等開展方向繼續(xù)探索，形成更多、更新、更突出的技術優(yōu)勢，有望在以下技術領域取得新的突破和創(chuàng)新。
（1）多波束相控陣天線
隨著通信頻率向高頻開展，性能突出的高集成度多通道移相器陣列是實現(xiàn)多波束相控陣天線的基本需求。各廠商將結合自身技術優(yōu)勢，努力探索集成化空間，持續(xù)突破高性能技術，降低高集成系統(tǒng)中的互擾，提升液晶多波束相控陣天線穩(wěn)定性。
（2）低時延技術
液晶移相器與傳統(tǒng)硅基CMOS工藝T/R組件相比，液晶分子偏轉時延引入的系統(tǒng)響應時間過長問題不斷是液晶相控陣天線在快速響應系統(tǒng)中應用的瓶頸。各廠商將與材料及面板供應商一起探索快速響應液晶分子結構、超低液晶盒厚制成工藝等技術，加速解決響應時延問題，為該技術在更高需求的快速指向液晶相控陣天線應用給予支撐。
（3）有源液晶相控陣方案
作為液晶分子的支撐材料，玻璃基板具有其他傳統(tǒng)射頻基板不具備的高平整度優(yōu)勢，未來有望在基于玻璃結構的有源放大、濾波、信號處理等技術領域取得突破，與電磁液晶移相技術一起實現(xiàn)高性能有源液晶相控陣方案。
05、結束語
綜上所述，電磁調控液晶超材料相控陣天線不僅具有優(yōu)秀的性能指標，還可以利用現(xiàn)有液晶顯示面板生產線召開批量生產，因此具備良好的低成本產業(yè)化基礎，且其結構一致性高，面板結構穩(wěn)定，避免傳統(tǒng)T/R組件煩瑣的調試過程，縮短產品生產周期，未來有大規(guī)模降低成本的潛力，有望使產品價格降到消費者能接受的水平。以高、中、低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)為重要組成部分的天地一體化信息網絡，已成為我國十三五規(guī)劃綱要部署的重大項目和“新基建”的重點開展方向，帶動了國內低成本相控陣天線的研發(fā)熱潮，液晶相控陣和低成本T/R組件相控陣是現(xiàn)在有可能有助于相控陣天線的普及應用，進而有助于天地一體化信息網絡打開大規(guī)模用戶市場的兩條技術路線。從成本、大規(guī)模量產的角度，電磁調控液晶超材料相控陣天線更具優(yōu)勢，既有望解決衛(wèi)星互聯(lián)網、5G等領域核心器件產業(yè)化瓶頸，還可引領技術創(chuàng)新，同步跟進國際前沿技術，規(guī)避國際形勢風險對高端芯片產業(yè)鏈的影響，提升自主可控能力。
當然，電磁調控液晶超材料面臨一些不足。由于超材料單元的均一分布，現(xiàn)在電磁調控液晶超材料的τ值（相對介電常數(shù)可調率）還比較小，對波前的強度、偏振和相位等調控能力還比較弱，仍需深入研究；液晶材料的旋轉粘滯特性帶來的毫秒級波束切換響應時間問題，現(xiàn)在在期待液晶原料廠商的不斷更新迭代或者系統(tǒng)級方案，而液晶材料在零下40 ℃低溫結晶問題，盡管可以順利獲得成熟的盒內加溫技術解決，但液晶原料性能的改進和提高迫在眉睫。
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