DE102004029429B4 - Bauelemente für die Hochfrequenztechnik - Google Patents

Abstract

Steuerbares Bauelement für Hochfrequenzanwendungen, dadurch gekennzeichnet, dass es als steuerbares Medium ein Flüssigkristallmaterial enthält, dessen Phasenschiebergüte und/oder dessen Marterialgüte um 10 % oder mehr grösser ist als der entsprechende Wert eines ansonsten identischen Bauelements mit K15 und dadurch, dass das Flüssigkristallmaterial eine Flüssigkristallmischung ist, die eine oder mehrere Verbindungen mit terminaler -NCS Gruppe ausgewählt aus der Gruppe der Verbindungen

worin
C_nH_2n+1 geradkettige Alkylreste mit n C-Atomen bedeuten,
enthält.

Description

• Vorliegende Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft Bauelemente für die Hochfrequenztechnik, bzw. für die Höchstfrequenztechnik, insbesondere Mikrowellen-Bauelemente. Ganz besonders betrifft sie steuerbare Bauelemente, bevorzugt Mikrowellen-Bauelemente, die Flüssigkristalle, bevorzugt nematische Flüssigkristalle, als steuerbare Dielektrika verwenden. Besonders bevorzugt sind passiv steuerbare Bauelemente. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung die in diesen Elementen verwendeten Flüssigkristallmaterialien, sowie deren Verwendung in den Elementen, sowie ein Verfahren zur Herstellung der entsprechenden Bauelemente.
• Technisches Gebiet
• Analoge, passiv steuerbare Mikrowellenkomponenten können mit Hilfe nichtlinearer Dielektrika realisiert werden. Nichtlineare Dielektrika sind Werkstoffe, deren Dielektrizitätszahl ε_r stark von der wirksamen elektrischen Feldstärke im Material abhängt. Die interne elektrische Polarisation kann als Funktion eines äußeren elektrischen Feldes bzw. einer angelegten elektrischen Spannung geändert werden.
• Seit längerer Zeit sind werden große Forschungsanstrengungen auf dem Gebiet der Integration passiv steuerbarer Mikrowellenkomponenten mit Ferroelektrika unternommen [Wol1]. In der vorliegenden Anmeldung werden die Literaturstellen, wie vorstehend, in abgekürzter Form angegeben. Die verwendeten Abkürzungen sind in einer separaten Tabelle zusammengestellt.
• Bisher wurde meist die epitaktische Dünnfilmtechnologie auf einkristallinen Substratmaterialien wie MgO oder LaAlO₃ verwendet [Cha2], [Gev6], [Sen3], [Var2], [Yor1]. Gegenstand von Forschungsanstrengungen war einerseits die Optimierung von dünnen Schichten, die mittels chemischer (z.B. MOCVD) oder physikalischer (z.B. PLD) Verfahren oder der RF-Sputtertechnik auf hochreine, einkristalline Substrate aufgebracht werden und andererseits die schaltungstechnische Realisierung und Optimierung von steuerbaren Mikrowellenbauelementen wie Varaktoren und Phasenschieber für phasengesteuerte Antennen [Aci1], [Aci2], [Bab1], [Car3], [DeF1], [Erk1], [Kir1], [Koz1], [Liu1], [Rao1], [Rom1], [Rom2], [Sen5], [She1], [Sub3], [Sub4], [Van3], [Var1], [Var3], [Wil1].
• Mit hochreinen Ba_xSr_1-xTiO₃-(BST)-Dünnfilmen auf MgO Substraten wurde in [Car3] bei 31,34 GHz eine Phasenschiebergüte (auch Figure of Merit, „FoM“ genannt) zwischen ca. 30°/dB und 45°/dB bei Raumtemperatur demonstriert. Die FoM ist definiert als der Quotient aus differentieller Phasenverschiebung mit und ohne Steuerspannung bezüglich der Einfügeverluste des Bauelements. Mit koplanaren „Loaded-Line“-Phasenschiebern unter Verwendung von Interdigitalkondensatoren und Plattenkondensatoren mit BST-Dünnfilmen wurden im X-Band (Frequenzbereich um ca. 10 GHz) sogar Phasenschiebergüten von 50°/dB bis 80°/dB erreicht [Aci1], [Aci2].
• Andere Ansätze konzentrieren sich primär auf feinkörnige keramische Dickschichten von ferroelektrischen Materialsystemen in Verbindung mit hochreinen Al₂O₃-Substraten. Hierbei stehen Materialsysteme für Raumtemperatur-Anwendungen wie Ba_xSr_1-xTiO₃ und BaZr_yTi_1-yO₃ im Vordergrund. In diesem Zusammenhang werden uniplanare Schaltungen mit Bauelementen wie Interdigitalkondensatoren und Koplanarleitungen verwendet. Mit der in [Weil3] vorgestellten Koplanarleitungsanordnung auf einer dünnen ferroelektrischen Dickschicht wurde eine Phasenschiebergüte von 28°/dB bei 24 GHz und ca. 300 V Steuerspannung (Steuerfeldstärke 10V/µm) erzielt. Als wesentlicher Verlustmechanismus, der zur Minderung der Phasenschiebergüte beiträgt, werden die dielektrischen Verluste der ferroelektrischen Schicht genannt.
• Alternativ zu den Ferroelektrika gibt es Publikationen von Bauelementen, die als steuerbares Dielektrikum Flüssigkristalle (kurz LCs von engl. Liquid Crystals) einsetzen. Flüssigkristalle finden primär in optischen Flüssigkristallanzeigen (LCDs von engl. LC Displays) [Fin1], optischen Schaltern oder Amplitudenmodulatoren Anwendung [Chi1]. Hier macht man sich den Effekt der Anisotropie des optischen Brechungsindizes (Doppelbrechung) zu Nutze. Die Anisotropie des Flüssigkristalls betrifft aber auch die dielektrischen Eigenschaften, wobei das Mikrowellenverhalten von nematischen LCs noch wenig erforscht ist. Bislang sind jedoch, im Vergleich zu den optischen Eigenschaften, insbesondere die Anisotropie im Hochfrequenzbereich besonders im Mikrowellenbereich und die entsprechenden Verluste noch weitgehend unbekannt.
• Als typische Mikowellenanwendung wird das Konzept der invertierten Mikrostreifenleitung [Gup2] z.B. in [Dol1], [Mar1] bzw. [Weil1], [Weil2] zusammen mit dem kommerziellen Flüssigkristall K15 der Fa. Merck KGaA eingesetzt. [Weil2] erreicht damit Phasenschiebergüten von 12°/dB bei 10 GHz mit ca. 40 V Steuerspannung. Die Einfügeverluste des LCs, d.h. die Verluste, welche nur durch die Polarisationsverluste im Flüssigkristall bedingt sind, werden in [Weil1] mit näherungsweise 1 bis 2 dB bei 10 GHz angegeben. Außerdem wurde ermittelt, dass die Phasenschieberverluste primär durch die dielektrischen LC-Verluste und die Verluste an den dort verwendeten Wellenleiterübergängen bestimmt sind. [Kuk1] und [Kuk2] sprechen auch die Verwendung von polymerisierten LC-Folien und „Dual-Frequency Switching-Mode“-Flüssigkristallen in Verbindung mit planaren Phasenschieberanordnungen an.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung
• Der Vergleich der bekannten Flüssigkristallphasenschieber mit Phasenschiebern auf Basis von festen, ferroelektrischen Dickschichten oder Dünnfilmen zeigt, dass die letzgenannten eine um den Faktor zwei bis sieben geringere Phasenschiebergüte aufweisen und somit für Anwendungen in der Mikrowellentechnik kaum verwendbar sind. Die niedrige Güte wird in [Weil1] in erster Linie auf die vergleichweise geringe dielektrische Steuerbarkeit der flüssigkristallinen Einzelverbindung Pentylcyano-biphenyl (kurz 5CB, in der vorliegenden Anmeldung K15 genannt) zurückgeführt. Somit besteht ein Bedarf an Flüssigkristallmaterialien mit einer erhöhten Ansteuerbarkeit.
• Da der LC K15 völlig unzureichenden Mikrowelleneigenschaften aufwiest, wurden spezielle Flüssigkristallverbindungen und komplexe Flüssigkristallmischungen bezüglich ihrer Eignung für Anwendungen im Hochfrequenzbereich, insbesondere ihrer Anisotropie und Verluste im Mikrowellenbereich bei 8,3...8,75 GHz analysiert. Die Untersuchungen und ihre Ergebnisse werden im Weitern beschrieben.
• DE 693 14 001 T2 offenbart Diphenyldiacetylene und schlägt diese auch für Mikrowellenanwendungen vor. Die Verbindunge werden dort jedoch nicht auf eine entsprechende Eignung untersucht.
• DE 699 09 436 T2 und EP 1 126 006 A2 sind auf Isothiocyanat-Verbindungen gerichtet. Diese werden jedoch nur zur Anwendung in Flüssigkristallanzeigen vorgeschlagen.
• Beschreibung des verwendeten Störkörpermessverfahrens
• Als Resonator für die Störkörpermessungen wird ein Zylinderresonator gewählt. Der Aufbau besteht aus drei Teilen, einem Hohlzylinder und je einem Deckel und Boden, die den Zylinder oben und unten abschließen. Als Material ist Messing und die Innenseite der drei Teile wurde versilbert und poliert, um die Wandverluste des Resonators möglichst gering zu halten und somit eine hohe Güte zu erzielen. Die Boden- und Deckelplatte sind mit je 4 Schrauben mit der Hohlzylinderwand verbunden.
• Da die dielektrischen Materialparameter der zu untersuchenden Messproben im GHz - Bereich bestimmt werden sollen, wurden folgende Innenabmessungen für den Resonator gewählt:
• Radius α ≈ 13mm
• Höhe h ≈ 20mm
• Die Ein- und Auskopplung des Resonators erfolgt an zwei gegenüberliegenden, senkrecht stehenden Koppelschleifen, die mit Hilfe einer Bohrung mittig durch die Zylinderwand angebracht sind. Die Enden der Koppelschleifen wurden je an einem Innenleiter einer 3,5mm SMA-Buchse und mit der Zylinderwand verbunden. Mit dieser vertikal stehenden Koppelschleife kann unter anderem der TM₀₁₀ Mode angeregt werden (siehe Feldlinienbild ).
• Mit diesen Abmessungen ergibt sich für den TM₀₁₀ Mode eine Resonanzfrequenz von ca. 8,75 GHz für den leeren Resonator. Da dieser Mode der Grundmode ist, ist er bei Messungen dadurch leicht zu identifizieren, daß er der Mode mit der niedrigsten Resonanzfrequenz ist. Den Verlauf der Resonanzkurven der verschiedenen Moden für den leeren Resonator wird im Bereich von 1-26 GHz untersucht. Der TM₀₁₀ Mode ist die gekennzeichnete erste Resonanz.
• Flüssigkristalle besitzen eine dielektrische Anisotropie. Aufgrund ihres Aufbaus herrschen unterschiedliche Permittivitäten, abhängig vom Winkel zwischen dem Mikrowellenfeld und dem Direktor der Flüssigkristallmoleküle. Im folgenden wird Parallelität zwischen Mikrowellenfeld und Direktor mit ∥ und Orthogonalität mit ⊥ bezeichnet. Der Direktor von Flüssigkristallmolekülen kann mit elektrischen oder magnetischen Gleichfeldern beeinflusst werden. Zur Orientierung des Direktors wurde hier ein magnetischen Gleichfeld verwendet. Zur Bestimmung der vollständigen Orientierung wurden Messungen mit verschiedenen Feldstärken durchgeführt. Erreichen die Messungen einen Sättigungswert, so kann davon ausgegangen werden, dass eine vollkommene Orientierung der Molekühle vorherrscht. Für einen parallelen Direktor muss aufgrund des Modenbildes des TM₀₁₀-Modes ein magnetisches Gleichfeld von der Bodenplatte zur Deckelplatte angelegt werden. Für einen senkrechten Direktor wird ein Gleichfeld von einer Wand des Zylindermantels zur gegenüberliegenden Wand angelegt. Dazu wurde eine Spule mit einem Joch verwendet. Durch jeweilige Anordnung der Spule um den Zylinderresonator (horizontal für parallel; vertikal für senkrecht) wurden die eben beschriebenen Direktororientierungen eingestellt.
• Zur Bestimmung der komplexen Permittivität ist die Messung der Resonanzkurve erforderlich. Hierzu wird ein Netzwerkanalysator HP 8510B der Firma Hewlett Packard verwendet.
• Der Netzwerkanalysator misst den Transmissionsfaktor an - bis zu 801 - diskreten Stützstellen über den eingestellten Frequenzbereich. zeigt den seitlichen Querschnitt des Resonators mit der zentrierten Materialprobe.
• An gegenüberliegenden Seiten werden jeweils 3,5 mm SMA-Buchsen an den Zylinderresonator angeschraubt. Dünne Silberdrähte werden an den Innenleiter einer 3,5 mm SMA-Buchse angebracht und mit der Innenwand des Zylinders verbunden. Damit ist gewährleistet, dass der zu betrachtende TM₀₁₀-Mode angeregt wird.
• In die Mitte des Resonators wird die Materialprobe eingebracht. Durch diese Materialprobe wird die Resonanzfrequenz gegenüber der Messung ohne Materialprobe leicht verändert. Aus diesen Messungen können die Materialparameter ε_r und tan δ berechnet werden.
• Zur Messung der Flüssigkristalle wurde ein Teflonröhrchen wird mit dem zu untersuchenden Flüssigkristall gefüllt und in den Zylinderresonator eingebracht. Um die Genauigkeit der Messung zu erhöhen, sollten die Proben möglichst dünn sein, damit das Feld des Resonators nicht zu stark verändert wird und das max. E-Feld als konstant innerhalb der Probe angenommen werden kann. Jedoch können die Teflonröhrchen nicht beliebig dünn gewählt werden. Zum einen begrenzen es mechanische Fertigungstoleranzen, dass die Röhrchen beliebig dünn hergestellt werden können, zum anderen müssen die Röhrchen einen minimalen Durchmesser besitzen, um im Resonator stehen zu bleiben und nicht umzukippen.
• Das verwendete Teflonröhrchen wurde mit den folgenden Abmessungen hergestellt:
• Außenradius b = 3mm;Wand- bzw. Bodenstärke d = 0,2 mm Höhe h = 20 mm = Resonatorhöhe.
• Mit diesem Durchmesser der Teflonröhrchen ist gewährleistet, dass sich ein Verhältnis der beiden Radien $\frac{\text{Resonatorradius}}{\text{Probenradius}}\le 0.11$

  

  nicht überschritten wird.
• Bei jeder Messung wird das Teflonröhrchen senkrecht in den Resonator gestellt.
• Hierbei ist darauf zu achten, dass das Probenmaterial im Zentrum des Resonators steht (im Maximum des E-Feldes) und auch nicht durch Erschütterung während der Messung umfällt. Um bei den Messungen die Materialprobe möglichst genau im Zentrum zu platzieren wurde dafür eigens eine Kunststoffschablone angefertigt. Diese Kunststoffschablone hat einen Anschlag, so dass die Schablone nur in einer Position in den Resonator passt. In der Mitte ist eine Bohrung, die so groß ist, dass das Teflonröhrchen genau hindurch passt. Nach dem vorsichtigen herausziehen der Schablone bleibt das Teflonröhchen im Zentrum stehen.
• Danach wird der Resonator verschlossen.
• Da bei der Messung nur der TM₀₁₀-Mode ausgewertet wird, ist es notwendig, den Messbereich so zu legen, dass mindestens die -3 dB-Bandbreite des TM₀₁₀-Modes gemessen werden kann. Für eine ausreichende Auflösung der Resonanz darf der Frequenzbereich jedoch nicht viel größer als die 5-fache Bandbreite des TM₀₁₀-Modes gewählt werden.
• Bei der Messung der S-Parameter mit dem Netzwerkanalysator können durch die Zuleitungen und Leitungsübergänge systematische Fehler auftreten. Die Zuleitungen können durch ihre Dämpfung die Messung erheblich beeinflussen. Daher ist vor jeder Messung eine Kalibrierung durchzuführen.
• Bei einer Kalibriermessung werden anstelle des Prüfobjektes sogenannte Referenzobjekte (Standards), deren Verhalten eindeutig bekannt ist, eingesetzt. Die Referenzobjekte sind drei definierte Bauteile:
• - Kurzschluss,
• - offener Abschluss bzw.
• - definierter Abschluss (50 Ohm).
• Aus der Differenz zwischen dem gemessenen und bekannten Verhalten dieser Standards errechnet der Netzwerkanalysator die Fehlerkorrekturkoeffizienten.
• Des weiteren werden zur Kalibrierung noch Durchgangsmessungen der beiden miteinander verbundenen Zuleitungen vorgenommen.
• Eine Kalibrierung ist bei jeder Einstellung eines neuen Frequenzbereiches am Netzwerkanalysator vorzunehmen.
• Um die Genauigkeit eines Messverfahrens beurteilen zu können, ist es unerlässlich seine Fehler abzuschätzen.
• Die Fehler bei Messungen untergliedern sich in zufällige Fehler und systematische Fehler.
• Meist ist die gesuchte Größe nicht direkt messbar, sondern eine Funktion f = f(x, y,..) anderer messbarer Größen x, y,... und wird somit aus diesen berechnet.
• Die gesuchten Größen bei den durchgeführten Messungen sind ε'_r und tan δ_ε, die in den analytischen Gleichungen (1) bis (3) von verschiedenen messbaren Größen abhängen.
• Zur Bestimmung der Materialparameter werden nach [Par] folgende Formeln verwendet: $$\epsilon {\text{'}}_r=\mathrm{0,539}\cdot {\left(\frac{a}{b}\right)}^2\cdot \left(\frac{f_{r\mathrm{,1}}-f_{r\mathrm{,2}}}{f_{r\mathrm{,2}}}\right)+1$$

  

  $${\epsilon }_r^{\text{'}\text{'}}=\mathrm{0,2695}\cdot {\left(\frac{a}{b}\right)}^2\cdot \left(\frac{1}{Q_{L2}}-\frac{1}{Q_{L1}}\right)$$

  

  $$\text{tan}{\delta }_{\epsilon }=\frac{{\epsilon }_r^{\text{'}\text{'}}}{{\epsilon }_r^{\text{'}}}=\frac{\mathrm{0,2695}}{{\epsilon }_r^{\text{'}}}\cdot {\left(\frac{a}{b}\right)}^2\cdot \left(\frac{1}{Q_{L2}}-\frac{1}{Q_{L1}}\right)=\frac{\mathrm{0,2695}\left(\frac{1}{Q_{L2}}-\frac{1}{Q_{L1}}\right)}{\mathrm{0,539}\left(\frac{f_{r\mathrm{,1}}-f_{r\mathrm{,2}}}{f_{r\mathrm{,2}}}\right)+{\left(\frac{b}{a}\right)}^2}$$

  
• Zur Extraktion der dielektrischen Parameter der Flüssigkristalle in dem Teflonröhrchen müssen die Formeln zur Extraktion modifiziert werden, wobei die gemessenen Werte (ε', ε") als Effektivwerte interpretiert werden (Gleichung (4)).
• Aufgrund des sehr geringen Volumens des Bodens der Teflonhülse, wurde dessen Einfluss auf die Berechnungsformeln vernachlässigt. Die Teflonwand und die eingefüllte Flüssigkeit wurde als eine Parallelschaltung zweier axial geschichteter Dielektrika betrachtet.
• Die Aufspaltung zweier parallel geschalteter dielektrischer Materialien, die sich in einem konstanten E-Feld befinden, erfolgt nach folgenden Gleichungen, die aus der Gleichung für die Parallelschaltung von Kondensatoren gewonnen wurden: $${\underset{\_}{\epsilon }}_r{A}_r\to {\underset{\_}{\epsilon }}_{eff}{A}_{ges}={\underset{\_}{\epsilon }}_1{A}_1+{\underset{\_}{\epsilon }}_2{A}_2$$

  

  mit $$\begin{array}{l}\frac{A_1}{A_{ges}}=K_1\text{ und }\frac{A_2}{A_{ges}}=K_2\text{ folgt}\hfill \\ {\epsilon }_{eff}^{\text{'}}-j{\epsilon }_{eff}^{\text{'}\text{'}}=\left({\epsilon }_1^{\text{'}}{K}_1+{\epsilon }_2^{\text{'}}{K}_2\right)-j\left({\epsilon }_1^{\text{'}\text{'}}{K}_1+{\epsilon }_2^{\text{'}\text{'}}{K}_2\right)\hfill \end{array}$$

  
• Getrennt nach Real- und Imaginärteil ergibt sich aufgelöst nach ε'₁ und ε"₁: $${\epsilon }_1^{\text{'}}=\frac{{\epsilon }_{eff}^{\text{'}}-{\epsilon }_2^{\text{'}}{K}_2}{K_1}\text{ und }{\epsilon }_1^{\text{'}\text{'}}=\frac{{\epsilon }_{eff}^{\text{'}\text{'}}-{\epsilon }_2^{\text{'}\text{'}}{K}_2}{K_1}$$

  

  $$\text{tan }{\delta }_{{\epsilon }_1}=\frac{{\epsilon }_1^{\text{'}\text{'}}}{{\epsilon }_1^{\text{'}}}=\frac{{\epsilon }_{eff}^{\text{'}\text{'}}-{\epsilon }_2^{\text{'}\text{'}}{K}_2}{{\epsilon }_{eff}^{\text{'}}-{\epsilon }_2^{\text{'}}{K}_2}$$

  
• Wobei ε'₂ und ε"₂ die Materialkonstanten für das Teflonröhrchen sind (bekannt) und ε'₁ und ε"₁ die der eingefüllten Flüssigkeit (gesucht).
• A₁ ist die Zylindergrundfläche der Flüssigkeitssäule: (b-d)² · π
• A₂ ist die ringförmige Grundfläche der Teflonhülse: (b² - (b - d)²)· π
• A_ges ist die gesamte Grundfläche des Zylinderröhrchens: b²π
• Die Flüssigkeiten wurden bei den Messungen mit einer Glaspipette in das Teflonröhrchen eingefüllt. Wobei immer darauf zu achten ist, dass keine Luftblasen in dem Röhrchen eingeschlossen werden. Ebenfalls ist auf die exakte Zentrierung der Probe im Resonator zu achten.
• Für die Materialkonstanten für die Teflonhülse wurde der Literaturwert aus [Riz] verwendet:
  ε' = 2,05; tan δ_ε = 0.00015
• Um Abschätzen zu können wie groß die maximalen Fehlergrenzen sind, soll für die weitere Fehlerrechnung der Messergebnisse die Maximalfehlerbetrachtung (vollständiges Differential) angewendet werden. Die Formel für den Worst-Case- bzw. Maximalfehler lautete: $$\Delta f=\pm \left(\left|\frac{\partial f}{\partial x}\right|\Delta x+\left|\frac{\partial f}{\partial y}\right|\Delta y+\dots \right)$$

  
• Hierbei ist Δf der Maximalfehler; x, y,... die mit Fehlern behafteten Größen und Δx,Δy,.... die Abweichungen der Größen x, y,....
• Wendet man diese Formel zur Bestimmung des Maximalfehlers auf Gleichungen (2) und (3) an, so ergeben sich folgende Ausdrücke: $$\epsilon {\text{'}}_r=\mathrm{0,539}\cdot {\left(\frac{a}{b}\right)}^2\cdot \left(\frac{f_{r\mathrm{,1}}-f_{r\mathrm{,2}}}{f_{r\mathrm{,2}}}\right)+1$$

  

  $$\Delta {\epsilon }_r^{\text{'}}=\left|\frac{\partial {\epsilon }_r^{\text{'}}}{\partial a}\right|\Delta a+\left|\frac{\partial {\epsilon }_r^{\text{'}}}{\partial b}\right|\Delta b+\left|\frac{\partial {\epsilon }_r^{\text{'}}}{\partial f_{r\mathrm{,1}}}\right|\Delta f_{r\mathrm{,1}}+\left|\frac{\partial {\epsilon }_r^{\text{'}}}{\partial f_{r\mathrm{,2}}}\right|\Delta f_{r\mathrm{,2}}$$

  

  $$\begin{array}{c}\Delta {\epsilon }_r^{\text{'}}=\left|\mathrm{0,539}\left(\frac{f_{r\mathrm{,1}}-f_{r\mathrm{,2}}}{f_{r\mathrm{,2}}}\right)\frac{2a}{b^2}\right|\Delta \text{a}+\left|\mathrm{0,539}\left(\frac{f_{r\mathrm{,1}}-f_{r\mathrm{,2}}}{f_{r\mathrm{,2}}}\right)\frac{\left(-2\right)a^2}{b^3}\right|\Delta b+\left|\mathrm{0,539}{\left(\frac{a}{b}\right)}^2\left(\frac{1}{f_{r\mathrm{,2}}}\right)\right|\Delta f_{r\mathrm{,1}}\\ +\left|\mathrm{0,539}{\left(\frac{a}{b}\right)}^2\left(-1\right)\left(\frac{f_{r\mathrm{,1}}}{f_{r\mathrm{,2}}{}^2}\right)\right|\Delta f_{r\mathrm{,2}}\end{array}$$

  

  $$\text{tan}{\delta }_{\epsilon }=\frac{\mathrm{0,2695}}{{\epsilon }_r^{\text{'}}}{\left(\frac{a}{b}\right)}^2\left(\frac{1}{Q_{L2}}-\frac{1}{Q_{L1}}\right)$$

  

  $$\Delta \text{tan}{\delta }_{\epsilon }=\left|\frac{\partial \text{tan}{\delta }_{\epsilon }}{\partial {\epsilon }_r^{\text{'}}}\right|\Delta {\epsilon }_r^{\text{'}}+\left|\frac{\partial \text{tan}{\delta }_{\epsilon }}{\partial a}\right|\Delta a+\left|\frac{\partial \text{tan}{\delta }_{\epsilon }}{\partial b}\right|\Delta b+\left|\frac{\partial \text{tan}{\delta }_{\epsilon }}{\partial Q_{L2}}\right|\Delta Q_{L2}+\left|\frac{\partial \text{tan}{\delta }_{\epsilon }}{\partial Q_{L1}}\right|\Delta Q_{L1}$$

  

  $$\begin{array}{ll}\Delta \text{tan}{\delta }_{\epsilon }\hfill & =\left|-\frac{\mathrm{0,2695}}{{\epsilon }_r^{\text{'}2}}{\left(\frac{a}{b}\right)}^2\left(\frac{1}{Q_{L2}}-\frac{1}{Q_{L1}}\right)\right|\Delta {\epsilon }_r^{\text{'}}+\left|\frac{2\cdot \mathrm{0,2695}}{{\epsilon }_r^{\text{'}}}\frac{a}{b^2}\left(\frac{1}{Q_{L2}}-\frac{1}{Q_{L1}}\right)\right|\Delta a\hfill \\ \hfill & +\left|\frac{\left(-2\right)\cdot \mathrm{0,2695}}{{\epsilon }_r^{\text{'}}}\frac{a^2}{b^3}\left(\frac{1}{Q_{L2}}-\frac{1}{Q_{L1}}\right)\right|\Delta b+\left|\frac{-\mathrm{0,2695}}{{\epsilon }_r^{\text{'}}}{\left(\frac{a}{b}\right)}^2\left(\frac{1}{Q_{L2}{}^2}\right)\right|\Delta Q_{L2}\hfill \\ \hfill & +\left|\frac{\mathrm{0,2695}}{{\epsilon }_r^{\text{'}}}{\left(\frac{a}{b}\right)}^2\left(\frac{1}{Q_{L1}{}^2}\right)\right|\Delta Q_{L1}\hfill \end{array}$$

  
• Mit diesen Gleichungen wurden die Maximalfehler der untersuchten Probe bzw. des untersuchten Probenröhrchens mit Füllung bestimmt.
• Vorliegende Erfindung
• Die vorleigende Erfindung stellt verbesserte Bauelementen für den Hochfrequenzbereich bereit, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Flüssigkristallmedien eine Phasenschiebergüte und/oder eine Materialgüte aufweisen, die um 10 % oder mehr größer ist als der entsprechende Wert eines ansonsten identischen Bauelements mit der Einzelsubstanz K15 und, dass sie eine oder mehrere Verbindungen mit terminaler -NCS Gruppe ausgewählt aus der Gruppe der Verbindungen der Formeln

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  worin
  C_nH_2n+1 geradkettige Alkylreste mit n C-Atomen bedeuten, enthalten.
• Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
• Bevorzugte Bauelemente sind Phasenschieber, Varaktoren, Funk- und Radiowellenantenenarrays und andere
• In der vorliegenden Anmeldung, bedeutet, wenn nicht ausdrücklich anders angegeben, der Begriff Verbindungen sowohl eine Verbindung, als auch mehrere Verbindungen.
• Die in den erfindungsgemäßen Bauelementen verwendeten Flüssigkristallmedien weisen bevorzugt nematische Phasen von jeweils mindestens von -20°C bis 80°C, bevorzugt von -30°C bis 85°C und ganz besonders bevorzugt von -40°C bis 100°C auf. Insbesonders bevorzugt reicht die Phase bis 120°C oder mehr, bevorzugt bis140°C oder mehr und ganz besonders bevorzugt bis 180°C oder mehr. Hierbei bedeutet der Begriff eine nematische Phase aufweisen einerseits, dass bei tiefen Temperaturen bei der entsprechenden Temperatur keine smektische Phase und keine Kristallisation beobachtet wird und andererseits, dass beim Aufheizen aus der nematischen Phase noch keine Klärung auftritt. Die Untersuchung bei tiefen Temperaturen wird in einem Fließviskosimeter bei der entsprechenden Temperatur durchgeführt sowie durch Lagerung in Testzellen, mit einer Schichtdicke von 5 µm, für mindestens 100 Stunden überprüft. Bei hohen Temperaturen wird der Klärpunkt nach üblichen Methoden in Kapillaren gemessen.
• Ferner sind die in den erfindungsgemäßen Bauelementen verwendeten Flüssigkristallmedien durch hohe optische Anisotropien im sichtbaren Bereich gekennzeichnet. Die Doppelbrechung bei 589 nm beträgt bevorzugt 0,20 oder mehr, besonders bevorzugt 0,25 oder mehr, besonders bevorzugt 0,30 oder mehr, besonders bevorzugt 0,40 oder mehr und ganz besonders bevorzugt 0,45 oder mehr. Außerdem beträgt die Doppelbrechung bevorzugt 0,80 oder weniger.
• Ferner sind die in den erfindungsgemäßen Bauelementen verwendeten Flüssigkristallmedien durch hohe optische Anisotropien im Mikrowellenbereich gekennzeichnet. Die Doppelbrechung beträgt z.B. bei ca. 8,3 GHz bevorzugt 0,14 oder mehr, besonders bevorzugt 0,15 oder mehr, besonders bevorzugt 0,20 oder mehr, besonders bevorzugt 0,25 oder mehr und ganz besonders bevorzugt 0,30 oder mehr. Außerdem beträgt die Doppelbrechung bevorzugt 0,80 oder weniger.
• Die in den erfindungsgemäßen Bauelementen bevorzugt verwendeten Flüssigkristallmaterialien haben Phasenschiebergüten von 15°/dB oder mehr, bevorzugt von 20°/dB oder mehr, bevorzugt von 30°/dB oder mehr, bevorzugt von 40°/dB oder mehr, bevorzugt von 50°/dB oder mehr, besonders bevorzugt von 80°/dB oder mehr und ganz besonders bevorzugt von 100°/dB oder mehr.
• Die Materialgüte Δn(µ-wellen)/tan(δ) der in den erfindungsgemäßen Bauelementen bevorzugt verwendeten Flüssigkristallmaterialien beträgt 3 oder mehr, bevorzugt 4 oder mehr, bevorzugt 5 oder mehr, bevorzugt 10 oder mehr, bevorzugt 15 oder mehr, bevorzugt 17 oder mehr, besonders bevorzugt 20 oder mehr und ganz besonders bevorzugt 25 oder mehr.
• Bevorzugt weisen die eingestzten Flüssigkristalle eine positive dielektische Anisotropie auf. Diese ist bevorzugt 5 oder größer, bevorzugt 10 oder größer, besonders bevorzugt 20 oder größer und ganz besonders bevorzugt 30 oder größer.
• In einigen Ausführungsformen könne jedoch auch Flüssigkristalle mit einer negativen dielktrischen Anisotropie vorteilhaft verwendet werden.
• Die eingesetzten Flüssihkristalle sind Einzelsubstanzen oder Mischungen. Bevorzugt weisen sie eine nematische Phase auf.
• Die einzelnen Flüssigkristallverbindungen werden im wesentlichen aus den bekannten Verbindungen ausgewählt, oder sind in Analogie zu bekannten Verbindunge erhältlich.
• Bevorzugt werden Verbindungen oder Mischungen von Verbindungen verwendet, wobei die Verbindungen in der Regel zwei, drei oder vier mehrgliedrige, bevorzugt fünf- oder sechsgliedrige, besonders bevorzugt sechsgleidrige, Ringe enthalten. Die Verbindungen können aber auch mehrgliedrige Ringe und/oder annelierte Ringe, bevorzugt bivalente Naphthaline oder Phenanthrene, enthalten. Besonders bevorzugt sind Verbindungen, die Ringe, bevorzugt 1,4-Phenylenringe enthalten, die optional ein oder mehrfach substituiert sind. Bevorzugt sind die Ringe lateral durch Halogen (bes. F, Cl) aber auch durch Pseudohalogenide substituiert. Die aromatischen Ringe können optional heterocyclische, insbeondere N-heterocyclische Ringe, bevorzugt bivalentes Pyridin oder Pyrimidin, sein. Es können auch Verbindungen mit bivalenten Cyclohexyl-, Dioxan-, Tetrahydropyran, Thiazol, Thiadiazol, Oxazol- uns/oder Oxadiazolringen verwendet werden. In mindesten einer der terminalen Positionen befindet sich zumindest bei einigen Verbindungen die in den verwendeten Mischungen enthalten sind, eine polare Endgruppe, die bevorzugt NCS, CN, SCN, NCO, Halogen, bev. F oder Cl ein Pseudohalogenid, eine partiell oder vollständig fluorierte Alkyl- Alkoxy-, Alkenyl- oder Alkenyloxygruppe, worin auch eine oder mehrere, bevorzugt in der Regel nicht benachbarte, CH₂-Gruppen durch O, S und/oder C=O, ersetzt sein können, bevorzugt OCF₃, CF₃, und auch SF₅ oder SO₂CF₃ bedeuten. Die andere terminale Position kann ebenfalls einen Substituenten aus der zuletzt genannten Gruppe der dielektrisch positiven Substituenten enthalten, sie kann aber eine dielektrisch neutrale Gruppe wie z. B. und bevorzugt Alkyl, Alkenyl, Alkoxy, Alkenyloxy oder Oxaalkyl sein und ist dies auch bevorzugt.
• Werden flüssigkristalline Mischungen verwendet, so enthalten diese in der Regel auch dielektrisch neutrale Verbindungen, bei denen beide Enden des Moleküls bevorzugt, unabhängig voneinader, eine der zuletzt genannten dielektrisch neutralen Gruppen tragen.
• Die in der Regel bivalenten Ringe der Moleküle können direkt miteinander verbunden sein. Sie könne jedoch auch duch Brücken verknüpft sein. Bevorzugt enthalten die Verbindungen keine eine oder zwei, besonders bevorzugt keine oder eine Brückengruppe. Bevorzugt enthalten sie eine Brücke mit einer geraden Anzahl an Brückenatomen. Bevorzugt -C=CH-, -C=C-, -CO-O-, -O-CO-, -CF₂O- oder -O-CF₂-.
• Der Ausdruck „Alkyl“ umfaßt vorzugsweise geradkettige und verzweigte Alkylgruppen mit 1 bis 7 Kohlenstoffatomen, insbesondere die geradkettigen Gruppen Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Pentyl, Hexyl und Heptyl. Gruppen mit 2 bis 5 Kohlenstoffatomen sind im allgemeinen bevorzugt.
• Der Ausdruck „Alkenyl“ umfaßt vorzugsweise geradkettige und verzweigte Alkenylgruppen mit 2 bis 7 Kohlenstoffatomen, insbesondere die geradkettigen Gruppen. Besonders bevorzugte Alkenylgruppen sind C₂ bis C₇-1E-Alkenyl, C₄ bis C₇-3E-Alkenyl, C₅ bis C₇-4-Alkenyl, C₆ bis C₇-5-Alkenyl und C₇-6-Alkenyl, insbesondere C₂ bis C₇-1E-Alkenyl, C₄ bis C₇-3E-Alkenyl und C₅ bis C₇-4-Alkenyl. Beispiele weiterer bevorzugter Alkenylgruppen sind Vinyl, 1E-Propenyl, 1E-Butenyl, 1E-Pentenyl, 1E-Hexenyl, 1E-Heptenyl, 3-Butenyl, 3E-Pentenyl, 3E-Hexenyl, 3E-Heptenyl, 4-Pentenyl, 4Z-Hexenyl, 4E-Hexenyl, 4Z-Heptenyl, 5-Hexenyl, 6-Heptenyl und dergleichen. Gruppen mit bis zu 5 Kohlenstoffatomen sind im allgemeinen bevorzugt.
• Der Ausdruck „Fluoralkyl“ umfaßt vorzugsweise geradkettige Gruppen mit endständigem Fluor, d.h. Fluormethyl, 2-Fluorethyl, 3-Fluorpropyl, 4-Fluorbutyl, 5-Fluorpentyl, 6-Fluorhexyl und 7-Fluorheptyl. Andere Positionen des Fluors sind jedoch nicht ausgeschlossen.
• Der Ausdruck „Oxaalkyl“, bzw. Alkoxyalkyl umfaßt vorzugsweise geradkettige Reste der Formel C_nH_2n+1-O-(CH₂)_m worin n und m jeweils unabhängig voneinander 1 bis 6 bedeuten. Vorzugsweise ist n 1 und m 1 bis 6.
• Verbindungen mir einer Vinyl-Endgruppe und Verbindungen mit einer Methyl-Endgruppe haben eine geringe Rotationsviskosität.
• In der vorliegenden Anmeldung bedeuten die Begriffe dielektrisch positive Verbindungen solche Verbindungen mit einem Δε > 1,5, dielektrisch neutrale Verbindungen solche mit -1,5 ≤ Δε ≤ 1,5 und dielektrisch negative Verbindungen solche mit Δε < -1,5. Hierbei wird die dielektrische Anisotropie der Verbindungen bestimmt indem 10 % der Verbindungen in einem flüssigkristallinen Host gelöst werden und von dieser Mischung die Kapazität in mindestens jeweils einer Testzelle mit ca. 20 µm Schichtdicke mit homeotroper und mit homogener Oberflächenorientierung bei 1 kHz bestimmt wird. Die Meßspannung beträgt typischerweise 0,5 V bis 1,0 V, jedoch stets weniger als die kapazitive Schwelle der jeweiligen Flüssigkristallmischung.
• Als Wirtsmischung für die Bestimmung der anwendungsrelevanten physikalischen Parameter wird ZLI-4792, von von Merck KGaA, Deutschland, verwendet. Als Ausnahme wird bei der Bestimmung der dielektrischen Anisotropie von dielektrisch negativen Verbindungen ZLI-2857, ebenfalls von Merck KGaA, Deutschland, verwendet. Aus der Änderung der Eigenschaften, z.B. der Dielektrizitätskonstanten, der Wirtsmischung nach Zugabe der zu untersuchenden Verbindung und Extrapolation auf 100 % der eingesetzten Verbindung werden die Werte für die jeweilige zu untersuchende Verbindung erhalten.
• Die eingesetzte Konzentration der zu untersuchenden Verbindung beträgt 10 %. Ist die Löslichkeit der zu untersuchenden Verbindung hierzu nicht ausreichend wird ausnahmsweise die eingesetzte Konzentration solange halbiert, also auf 5 %, 2,5% usw. verringert, bis die Löslichkeitsgrenze unterschritten ist.
• In der vorliegenden Anmeldung bedeuten Hochfrequenztechnik und Höchstfrequenztechnik Anwendungen mit Frequenzen im Bereich von 1 MHz bis 1 THz, bevorzugt von .1 GHz bis 500 GHz, bevorzugt 2 GHz bis 300 GHz, insbesondere bevorzugt von ca. 5 GHz bis 150 GHz.
• Alle Konzentrationen in dieser Anmeldung sind, soweit nicht explizit anders vermerkt, in Massenprozent angegeben und beziehen sich auf die entsprechende Gesamtmischung. Alle physikalischen Eigenschaften werden und wurden nach „Merck Liquid Crystals, Physical Properties of Liquid Crystals“, Status Nov. 1997, Merck KGaA, Deutschland bestimmt und gelten für eine Temperatur von 20°C, sofern nicht explizit anders angegeben. Δn wird bei 589 nm und Δε bei 1 kHz bestimmt.
• Bei den Flüssigkristallmedien mit negativer dielektrischer Anisotropie wurde die Schwellenspannung als kapazitive Schwellung Vo in Zellen mit durch Lecithin homeotrop orientierter Flüssigkristallschicht bestimmt.
• Die in den erfindungsgemäßen Bauelementen verwendeten Flüssigkristallmedien können bei Bedarf auch weitere Zusatzstoffe und gegebenenfalls auch chirale Dotierstoffe in den üblichen Mengen enthalten. Die eingesetzte Menge dieser Zusatzstoffe beträgt insgesamt 0 % bis 10 % bezogen auf die Menge der gesamten Mischung bevorzugt 0,1 % bis 6 %. Die Konzentrationen der einzelnen eingesetzten Verbindungen betragen jeweils bevorzugt 0,1 % bis 3 %. Die Konzentration dieser und ähnlicher Zusatzstoffe wird bei der Angabe der Konzentrationen sowie der Konzentrationsbereiche der Flüssigkristallverbindungen in den Flüssigkristallmedien nicht berücksichtigt.
• Die Zusammensetzungen bestehen aus mehreren Verbindungen, bevorzugt aus 3 bis 30, besonders bevorzugt aus 6 bis 20 und ganz besonders bevorzugt aus 10 bis 16 Verbindungen, die auf herkömmliche Weise gemischt werden. In der Regel wird die gewünschte Menge der in geringerer Menge verwendeten Komponenten in den Komponenten gelöst, die den Hauptbestandteil ausmachen, zweckmäßigerweise bei erhöhter Temperatur. Liegt die gewählte Temperatur über dem Klärpunkt des Hauptbestandteils, so ist die Vervollständigung des Lösungsvorgangs besonders leicht zu beobachten. Es ist jedoch auch möglich, die Flüssigkristallmischungen auf anderen üblichen Wegen, z.B. unter Verwendung von Vormischungen oder aus einem sogenannten „multi bottle“ Systemen herzustellen.
• Die nachstehenden Beispiele dienen zur Veranschaulichung der Erfindung, ohne sie zu beschränken. In den Beispielen sind der Schmelzpunkt T(C,N), der Übergang von der smektischen (S) zur nematischen (N) Phase T(S,N) und Klärpunkt T(N,I) einer Flüssigkristallsubstanz in Grad Celsius angegeben. Die verschiedenen smektischen Phasen werden durch entsprechende Suffixe gekennzeichnet.
• Die Prozentangaben sind, soweit nicht explizit anders gekennzeichnet, vor- und nachstehend Massenprozente und die physikalischen Eigenschaften sind die Werte bei 20°C, sofern nicht explizit anders angegeben.
• Alle angegebenen Werte für Temperaturen in dieser Anmeldung sind °C und alle Temperaturdifferenzen entsprechend Differenzgrad, sofern nicht explizit anders angegeben.
• In der vorliegenden Anmeldung und in den folgenden Beispielen sind die Strukturen der Flüssigkristallverbindungen durch Abkürzungen, auch Acronyme genannt, angegeben, wobei die Transformation in chemische Formeln gemäß folgender Tabellen A und B erfolgt. Alle Reste C_nH_2n+1 und C_mH_2m+1 sind geradkettige Alkylreste mit n bzw. m C-Atomen. Die Codierung gemäß Tabelle B versteht sich von selbst. In Tabelle A ist nur das Acronym für den Grundkörper angegeben. Im Einzelfall folgt getrennt vom Acronym für den Grundkörper mit einem Strich ein Code für die Substituenten R¹, R², L¹ , L² und L³:

  Code für R1, R2, L1, L2, L3	R1	R2	L1	L2	L3
  nm	CnH2n+1	CmH2m+1	H	H	H
  nOm	CnH2n+1	OCmH2m+1	H	H	H
  nO.m	OCnH2n+1	CmH2m+1	H	H	H
  nmFF	CnH2n+1	CmH2m+1	F	H	F
  nOmFF	CnH2n+1	OCmH2m+1	F	H	F
  nO.mFF	OCnH2n+1	CmH2m+1	F	H	F
  nO.OmFF	OCnH2n+1	OCmH2m+1	F	H	F
  n	CnH2n+1	CN	H	H	H
  nN.F	CnH2n+1	CN	F	H	H
  nN.F.F	CnH2n+1	CN	F	F	H
  nF	CnH2n+1	F	H	H	H
  nF.F	CnH2n+1	F	F	H	H
  nF.F.F	CnH2n+1	F	F	F	H
  nCl	CnH2n+1	Cl	H	H	H
  nCl.F	CnH2n+1	Cl	F	H	H
  nCl.F.F	CnH2n+1	Cl	F	F	H
  nmF	CnH2n+1	CmH2m+1	F	H	H
  nCF3	CnH2n+1	CF3	H	H	H
  nOCF3	CnH2n+1	OCF3	H	H	H
  nOCF3.F	CnH2n+1	OCF3	F	H	H
  nOCF3.F.F	CnH2n+1	OCF3	F	F	H
  nOCF2	CnH2n+1	OCHF2	H	H	H
  nOCF2.F.F	CnH2n+1	OCHF2	F	F	H
  nS	CnH2n+1	NCS	H	H	H
  rVsN	CrH2r+1-CH=CH-CsH2s-	CN	H	H	H
  nEsN	CrH2r+1-O-CsH2s-	CN	H	H	H
  nAm	CnH2n+1	COOCmH2m+1	H	H	H
  nF.Cl	CnH2n+1	F	Cl	H	H

  Code für R1, R2, L1, L2, L3	R1	R2	L1	L2	L3
  nS	CnH2n+1	NCS	H	H	H
  nS.F	CnH2n+1	NCS	F	H	H
  nS.F.F	CnH2n+1	NCS	F	F	H

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  
• Beispiele
• Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern, ohne sie zu begrenzen. Vor- und nachstehend bedeuten Prozentangaben Gewichtsprozent. Alle Temperaturen sind in Grad Celsius angegeben. Fp. bedeutet Schmelzpunkt, Kp. Klärpunkt. Ferner bedeuten K = kristalliner Zustand, N = nematische Phase, S = smektische Phase und I = isotrope Phase. Die Angaben zwischen diesen Symbolen stellen die Übergangstemperaturen dar. Δn bedeutet optische Anisotropie (589 nm, 20°C).
• Vergleichsbeispiel 1
• K15 wurde bei 27,5°C bezüglich seienr Mikrowelleneigenschaften untersucht, wie im Abschnitt Störkörpermessverfahren beschrieben.
• Dielektrische Eigenschaften des Flüssigkristalls wurde bei Ausrichtung des Direktors des LCs mit einem magnetischen Feld bis zu 0,15 T jeweils parallel und senkrecht zum Mikrowellen-Meßfeld bestimmt. Die Daten sind in der Tabelle nach Beispiel 5 angegeben.
• Die bestimmte Materialgüte betrug 2,5.
• Beispiel 1
• Eine binäre Mischung aus 10% PVPU-3-S und 90% K15 (im Folgenden Mischung A-1 genannt) wurde wie bei Vergleichsbeispiel 1 beschreiben, bei 26,5°C, untersucht.
• Die bestimmte Materialgüte betrug 3,7.
• Beispiel 2
• Eine binäre Mischung aus 20% PPTU-4-S und 80% K15 (im Folgenden Mischung A-2 genannt) wurde wie bei Vergleichsbeispiel 1 beschreiben, bei 26,5°C, untersucht.
• Die bestimmte Materialgüte betrug 5,1.
• Beispiel 3, Mischung M 1

• Zusammensetzung			Physikalische Eigenschaften
  Verbindung		Konz. /Massen-%	T(N,I)	=	149,0 °C
  #	Abkürzung
  1	PGIP-3-N	4,0	ne(20°C, 589 nm)	=	1,9487
  2	CPU-4-S	6,0	Δn(20°C, 589 nm)	=	0,4083
  3	PVG-2O-S	8,0
  4	PVG-4O-S	8,0	ε∥(20°C, 1 kHz)	=	27,0
  5	PVG-5-S	10,0	Δε(20°C, 1 kHz)	=	+21,8
  6	BCH-2S.F.F	13,0
  7	BCH-5S.F.F	13,0
  8	PTG-3-S	4,0
  9	PTU-3-S	11,0
  11	CPVP-3-N	5,0
  12	PTP-3-S	3,0
  13	PMP-4-N	3,0
  14	PTPG-2-N	4,0
  15	UTPP-4-S	8,0
  Σ		100,0

• Beispiel 4, Mischung M 2

• Zusammensetzung			Physikalische Eigenschaften
  Verbindung		Konz. /Massen-%	T(N,I)	=	164,5 °C
  #	Abkürzung
  1	PPU-3-S	9,0	ne(20°C, 589 nm)	=	1,9332
  2	PPU-4-S	8,0	Δn(20°C, 589 nm)	=	0,3907
  3	PPU-5-S	5,0
  4	BCH-4S.F.F	12,0	ε∥(20°C, 1 kHz)	=	24,3
  5	BCH-5S.F.F	12,0	Δε(20°C, 1 kHz)	=	+19,9
  6	PNP-5-N	5,0
  7	K15	5,0
  8	PPYP-4N	7,0
  9	PGIP-3-N	6,0
  11	PGIP-4-S	5,0
  12	PVG-4-S	7,0
  13	PVG-5-S	8,0
  14	P(1)VP-N-S	5,0
  15	PVPU-3-S	6,0
  Σ		100,0

• Beispiel 5, Mischung M 3

• Zusammensetzung			Physikalische Eigenschaften
  Verbindung		Konz. /Massen-%	T(N,I)	=	143,5 °C
  #	Abkürzung
  1	PGIP-3-N	9,0	ne(20°C, 589 nm)	=	1,9320
  2	PVG-2O-S	9,0	Δn(20°C, 589 nm)	=	0,3934
  3	PVG-4O-S	8,0
  4	PVG-5-S	10,0	ε∥(20°C, 1 kHz)	=	27,0
  5	BCH-2S.F.F	10,0	Δε(20°C, 1 kHz)	=	+22,2
  6	BCH-4S.F.F	13,0
  7	BCH-5S.F.F	13,0
  8	PTG-3-S	4,0
  9	PTG-5-S	4,0
  11	PTU-3-S	11,0
  12	CPVP-3-N	6,0
  13	PMP-4-N	4,0
  14	PTPG-2-N	4,0
  Σ		100,0

• Die Mischungen der Beispiele 3 bis 5 (M1 bis M3) wurden bei einer Temperatur von 27,5°C untersucht. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.
• Tabelle der Ergebnisse

• Beispiel:	V1	1	2	3	4	5
  LC	A-0(K5)	A-1	A-2	M1	M2	M3
  c(K15) /%	100	90	80	entfällt
  T /°C	27,5	26,5+/-0,5		27,5+/-1,0
  Δn(589nm)				0,4083	0,3907 0,3934
  Freq. /GHz	8,3 ... 8,75
  ε(0=V)	2,8291	2,8035	2,8493	3,2190	3,0966	3,4547
  tan(δ)(0)	0,0355	0,0252	0,0251	0,0158	0,0137	0,0116
  ε∥	2,9301	3,0501	3,0267	3,6832	3,6614	3,6855
  tan(δ)∥	0,0243	0,0178	0,0198	0,0089	0,0070	0,0085
  ε⊥	2,5028	2,5331	2,5440	2,5597	2,5993	2,5866
  tan(δ)⊥	0,0777	0,0433	0,0584	0,0261	0,0215	0,0276
  ΔnµW	0,1297	0,1549	0,1447	0,3193	0,3012	0,3115
  tan(δ)av.	0,051	0,03055	0,0391	0,0175	0,01425	0,01805
  εav.	2,6452	2,7054	2,7049	2,9342	2,9533	2,9529
  εav. /tan(δ)av.	2,54	5,07	3,70	18,24	21,14	17,26

  Dielektrizitätszahl ε_r, dielektrischer Verlustfaktor tan δ, errechnete Anisotropie im Mikrowellenbereich Δn_µW =|√ε_{r par} - √ε_{r senkr}|, optische Anisotropie Δn_opt, Mittelwert von tan δ und ε_r, Materialgütefaktor Δn_µW / tan δ_mittel.
• Es ist deutlich erkennbar, dass die hohe optische Anisotropie der neuen LC-Mischungen, im Gegensatz zu K15, erfolgreich auch auf den unteren Mikrowellenbereich übertragen werden konnten. Dabei übertreffen die Anisotropiewerte Δn_opt der Mischungen M1, M2 und M3 den Wert für K15 und den höchsten bisher bekannten Wert für die Mikrowellenanisotropie eines Flüssigkristalles, Δn_MW = 0,22 bei 30 GHz [Lim1], [Lim2], deutlich. Die Anisotropie der Mischung M2 ist bereits außergewöhnlich hoch und fast so groß wie die Anisotropie bei λ = 589 nm. Die Anisotropie Δn_MW scheint bereits im unteren Millimeterwellenbereich gegen den optischen Anisotropie-Wert Δn_opt zu konvergieren. Die erreichte Materialgüte ist dabei ca. acht mal so groß, wie bei dem bisher in Mikrowellenschaltungen verwendeten K15.
• Diese Mischung ist geeignet, die Güte von LC-basierten Mikrowellenphasenschiebern bis weit über 50°/dB hinaus zu erhöhen, womit diese zu den technologisch aufwändigen Schaltungen auf Basis hochreiner Dünnfilme auf Monokristallinen Substraten konkurrenzfähig wären und die Ergebnisse von Phasenschiebern mit ferroelektrischen Dickschichten sogar deutlich übertreffen. Zudem liegt das ε_{r mittel} in der gleichen Größenordnung wie bei Standard - Substratmaterialien für Mikrowellenschaltungen [Rog1], womit aufwändige Anpassungen von Leitergeometrien wie z.B. bei den ferroelektrischen Dickschichten (ε_r ≈ 200...450) entfallen.
• Beispiel 6 und Vergleichsbeispiel 2
• Es wurde ein Phasenschieber in invertierter Mikrostreifentechnologe mit der Flüssigkristallmischung M1 hergestellt. Zum Vergleich wurde der gleiche Phasenschieber mit K15 hergestellt.

  LC	K15		M1
  Freq. / GHz	10	20	10	20
  Spann./V	diff. Phasenverschiebung /°
  0	0	0	0	0
  5	28	58	75	210
  10	30	62	123	241
  30	35	62	132	270

• Tabelle der Literaturstellen:

• [Aci1]	B. Acikel, Y. Liu, A.S. Nagra, T.R. Taylor, P.J. Hansen, J.S. Speck und R.A. York: Phase Shifters using (Ba,Sr)TiO3 thin films on Sapphire and Glass Substrates. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., 2001, S. 1191-1194.
  [Aci2]	B. Acikel, T.R. Taylor, P.J. Hansen, J.S. Speck und R.A. York: A New X Band 180° High Performance Phase Shifter using (Ba,Sr)TiO3 Thin Films. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., 2002, S. 1467-1469.
  [Bab1]	R.W. Babbitt, T.E. Koscica und W.C. Drach: Planar Microwave Electro-optic Phase Shifter. Microwave Journal, Juni 1992, S. 63-79.
  [Bar1]	N.S. Barker und G.M. Rebeiz: Optimization of Distributed MEMS Transmission-Line Phase Shifters - U-Band and W-Band Designs. IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 48, No. 11, S. 1957-1966, Nov. 2000.
  [Bet1]	K. Bethe: Über das Mikrowellenverhalten nichtlinearer Dielektrika. Dissertation, RWTH Aachen, 1969.
  [Car3]	C.M. Carlson, T.V. Rivkin, P.A. Parilla, J.D. Perkins, D.S. Ginley, A.B. Kozyrev, V.N. Oshadchy, A.S. Pavlov, A. Golovkov, M. Sugak, D. Kalinikos, L.C. Sengupta, L. Chiu, X. Zhang, Y. Zhu und S. Sengupta: 30 GHz Electronically Steerable Antennas Using BaxSr1-xTiO3-Based Room-Temperature Phase Shifters. Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol. 603, S. 15-25, 2000.
  [Cha2]	W. Chang, J.S. Horwitz, A. C. Carter, J.M. Pond, S.W. Kirchoefer, C.M. Gilmore und D.B. Chrisey: The effect of annealing on the microwave properties of Ba0.5Sr0.5TiO3 thin films. Appl. Phys. Lett., Vol. 74, No. 7, S. 1033-1035, Februar 1999.
  [Chi1]	V.G. Chigrinov: Liquid Crystal Devices. Physics and Applications. Artech House, Boston, 1999.
  [Dio1]	G.F. Dionne, D.E. Oates, D.H. Temme und J.A. Weiss: Ferrite-Superconductor Devices for Advanced Microwave Applications. IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 44, No. 7, S. 1361-1368, Juli 1996.
  [Dol1]	D. Dolfi, M. Labeyrie, P. Joffre und J.P. Huignard: Liquid Crystal Microwave Phase Shifter. Electronics Letters, Vol. 29, No. 10, S. 926-928, Mai 1993.
  [Bar1]	N.S. Barker und G.M. Rebeiz: Optimization of Distributed MEMS Transmission-Line Phase Shifters - U-Band and W-Band Designs. IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 48, No. 11, S. 1957-1966, Nov. 2000.
  [DeF1]	F. De Flaviis, N.G. Alexopoulos und O.M. Stafsudd: Planar Microwave Integrated Phase Shifter Design with High Purity Ferroelectric Material. IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 45, No. 6, S. 963-969, Juni 1997.
  [Erk1]	E.G. Erker, A.S. Nagra, Y. Liu, P. Periaswamy, T.R. Taylor, J. Speck und R.A. York: Monolithic Ka-Band Phase Shifter Using Voltage Tunable BaSrTiO3 Parallel Plate Capacitors. IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Vol. 10, No. 1, S. 10-12, Januar 2000.
  [Fin1]	U. Finkenzeller: Flüssigkristalle für optische Displays. Spektrum der Wissenschaft, August 1990, S. 54-62.
  [Gev6]	S.S. Gevorgian und E.L. Kollberg: Do We Really Need Ferroelectrics in Paraelectric Phase Only in Electrically Controlled Microwave Devices, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 49, No. 11, S. 2117-2124, 2001.
  [Gup2]	K.C. Gupta, R. Garg, I. Bahl und P. Bhartia: Microstrip Lines and Slotlines, 2nd ed., Artech House, Boston, 1996.
  [Kir1]	S.W. Kirchoefer, J.M. Pond, H.S. Newman W.-J. Kim und J. S. Horwitz: Ferroelectric-Ferrite Tunable Phase Shifters. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., 2000, S. 1359-1362.
  [Kou1]	S.K. Koul und B. Bhat: Microwave and Millimeter Wave Phase Shifters. Volume I: Dielectric and Ferrite Phase Shifters. Artech House, Boston, 1991.
  [Kou2]	S.K. Koul und B. Bhat: Microwave and Millimeter Wave Phase Shifters. Volume II: Semiconductor and Delay Line Phase Shifters. Artech House, Boston, 1991.
  [Koz1]	Kozyrev, A. Ivanov, V. Keis, M. Khazov, V. Osadchy, T. Samoilova, O. Soldatenkov, A. Pavlov, G. Koepf, C. Mueller, D. Galt und T. Rivlin: Ferroelectric Films: Nonlinear Properties and Applications in Microwave Devices. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., 1998, S. 985-988.
  [Kuk1]	T. Kuki, H. Fujikake, H. Kamoda und T. Nomoto: Microwave Variable Delay Line Using a Membrane Impregnated with Liquid Crystal. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig. 2002, S. 363-366, Juni 2002.
  [Kuk2]	T. Kuki, H. Fujikake, T. Nomoto: Microwave Variable Delay Line Using Dual-Frequency Switching-Mode Liquid Crystal. IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 50, No. 11, S. 2604-2609, November 2002.
  [Lim1]	K.C. Lim, J.D. Margerum und A.M. Lackner: Liquid crystal millimeter wave electronic phase shifter. Appl. Phys. Lett., 62 (10), S. 1065-1067, März 1993.
  [Lim2]	K.C. Lim, D.J. Margerum, A.M. Lackner und L.J. Miller: Liquid crystal-based composite material having enhanced microwave birefringence. European Patent Application, Publ.-No. 0472404A2, S. 1-17, Februar 1992.
  [Liu1]	Y. Liu, A.S. Nagra, E.G. Erker, P. Periaswamy, T.R. Taylor, J. Speck und R.A. York: BaSrTiO3 Interdigitated Capacitors for Distributed Phase Shifter Applications. IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Vol. 10, No. 11, S. 448-450, November 2000.
  [Mar1]	N. Martin, N. Tentillier, P. Laurent, B. Splingart, F. Huert, PH. Gelin, C. Legrand: Electrically Microwave Tunable Components Using Liquid Crystals. 32nd European Microwave Conference, S. 393-396, Milan 2002
  [Par]	Parkash, A.; Vaid, J.K. und Mansingh, A.: Measurement of Dielectric Parameters at Microwave Frequencies by Cavity-Perturbation Technique. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-27, No. 9, September 1979, S. 791-795.
  [Rao1]	J.B.L. Rao, D.P. Patel und Vladimir Krichevsky: Voltage-Controlled Ferroelectric Lens Phased Arrays. Ferroelectric Materials For Phased Array Applications. IEEE Trans. Antennas and Propagation., Vol. 47, No. 3, S. 458-468, März 1999.
  [Reb1]	G.M. Rebeiz und J.B. Muldavin: RF MEMS Switches and Switch Circuits. IEEE Microwave Magazine, Vol. 2, No. 4, S. 59-71, Dezember 2001.
  [Reb2]	G.M. Rebeiz, G.-L. Tan und J.S. Hayden: RF MEMS Phase Shifters. IEEE Microwave Magazine, Vol. 3, No. 2, S. 72-81, Juni 2002.
  [Riz]	Rizzi, P.A.: Microwave Engineering. Englewood Cliffs: Prentice-Hall International Editions 1988.
  [Rog1]	Rogers Corp., High Frequency Circuit Materials and Laminates: http://www.rogers-corp.com .
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Claims (11)

1. Steuerbares Bauelement für Hochfrequenzanwendungen, dadurch gekennzeichnet, dass es als steuerbares Medium ein Flüssigkristallmaterial enthält, dessen Phasenschiebergüte und/oder dessen Marterialgüte um 10 % oder mehr grösser ist als der entsprechende Wert eines ansonsten identischen Bauelements mit K15 und dadurch, dass das Flüssigkristallmaterial eine Flüssigkristallmischung ist, die eine oder mehrere Verbindungen mit terminaler -NCS Gruppe ausgewählt aus der Gruppe der Verbindungen

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   worin C_nH_2n+1 geradkettige Alkylreste mit n C-Atomen bedeuten, enthält.
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelbrechung des Flüssigkristall-materials bei 20 °C und 589 nm 0,22 oder mehr beträgt.
3. Bauelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelbrechung des Flüssigkristallmaterials im Mikrowellenbereich 0,13 oder mehr beträgt.
4. Bauelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkristallmaterial eine oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe der Verbindungen PVG-n-S, PVG-nO-S, P(1)VP-n-S, PTP-n-S, PTG-n-S, PTU-n-S, CPU-n-S, PGIP-n-S, PPU-n-S, PVPU-n-S, PPTU-n-S, UTPP-n-S, wie in Anspruch 1 angegeben, enthält.
5. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkristallmaterial eine oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe der Verbindungen PVG-n-S, PVG-nO-S, P(1)VP-n-S, PTP-n-S, PTG-n-S, PTU-n-S, wie in Anspruch 1 angegeben, enthält.
6. Bauelement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkristallmaterial eine oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe der Verbindungen PVPU-n-S, PPTU-n-S, UTPP-n-S, wie in Anspruch 1 angegeben, enthält.
7. Bauelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Alkylgruppen der Verbindungen des Flüssigkristallmaterials 1 bis 7 Kohlenstoffatome aufweisen.
8. Bauelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Alkylgruppen der Verbindungen des Flüssigkristallmaterials 2 bis 5 Kohlenstoffatome aufweisen.
9. Bauelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Phasenschiebergüte von 15°/dB und/oder eine Marterialgüte von 3,5 oder mehr aufweist.
10. Verfahren zum Betrieb eines steuerbaren Bauelements für die Hochfrequenztechnik nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flüssigkristallmaterial angesteuert wird, das entsprechende Eigenschaften aufweist,.
11. Verfahren zur Herstellung eines steuerbaren Bauelements für die Hochfrequenztechnik, dadurch gekennzeichnet, dass in das Bauelement ein Flüssigkristallmaterial, wie in mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 beansprucht, eingefüllt wird.

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