РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 52, № 11, с. 1402-1406
НОВЫЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ ^^^^^^^^^^ СИСТЕМЫ И ЭЛЕМЕНТЫ
УДК 621.316:53752
ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ НА ЩЕЛЕВОЙ ЛИНИИ, НАГРУЖЕННОЙ ВАРАКТОРАМИ НА ОСНОВЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПЛЕНОК ТИТАНАТА БАРИЯ-СТРОНЦИЯ © 2007 г. Вас. М. Мухортов, С. И. Масычев, Ю. И. Головко, А. В. Чуб, Вл. М. Мухортов
Поступила в редакцию 10.08.2006 г.
Реализован монолитный фазовращатель на щелевой линии передачи, периодически нагруженной сегнетоэлектрическими варакторами на основе наноразмерных пленок Ва0 2ТЮ3. Установлено, что при уменьшении толщины наноразмерной сегнетоэлектрической пленки, на основе которой реализованы варакторы, от 36 до 18 нм коэффициент качества фазовращателя в полосе частот от 12 до 13.5 ГГц возрастает более чем в два раза.
ВВЕДЕНИЕ
Фазовращатели (ФВ) используются в схемах фазовой и частотной модуляции СВЧ-сигналов, в контрольно-измерительной аппаратуре различного назначения, в качестве элементов фазированных антенных решеток с электрическим управлением луча.
Основными характеристиками ФВ являются дифференциальный фазовый сдвиг, уровень вносимых потерь, ширина рабочей полосы частот, допустимая передаваемая мощность, массогаба-ритные параметры, время переключения.
Достоинства сегнетоэлектрических (СЭ) ФВ -их невысокая стоимость по сравнению с полупроводниковыми и ферритовыми аналогами, более высокое быстродействие и возможность работы при повышенных уровнях СВЧ-мощности без существенной деградации диэлектрических свойств тонких пленок [1].
Среди разработанных к настоящему времени конструкций СЭ ФВ наибольшим коэффициентом качества К (отношением дифференциального фазового сдвига к уровню вносимых потерь) обладает ФВ на основе линии передачи, периодически нагруженной варакторными диодами на основе тонких пленок Ва8гТЮ3 [2]. На частоте 10 ГГц при напряжении смещения 17.5 В коэффициент качества ФВ этого типа, реализованного на копланар-ном волноводе (КПВ), равен К = 80 град/дБ [3]. Таким же высоким коэффициентом качества обладает только ФВ отражательного типа, но максимальное значение К для этого устройства получено на частоте 1.85 ГГц при напряжениях смещения, достигающих 100 В [4]. На более высоких частотах характеристики ФВ отражательного типа с ростом рабочей частоты заметно ухудшаются.
Недостатком ФВ, реализованного на КПВ, является его сравнительно большая длина. Так, на частоте 10 ГГц длина ФВ на КПВ, обеспечиваю-
щего фазовый сдвиг 240 град, равна 17.5 мм, а его площадь превышает 60 мм2. Альтернативой конструкции ФВ на основе КПВ является конструкция ФВ, в которой в качестве распределенной линии передачи используется щелевая линия (ЩЛ) [2]. Эту линию можно рассматривать как планар-ный вариант двухпроводной линии передачи (в то время как КПВ является трехпроводной линией). Как правило, разработчики редко используют ЩЛ из-за легко возбуждаемых в ней паразитных типов колебаний. Кроме того, при значениях волнового сопротивления ~50 Ом потери в ЩЛ существенно увеличиваются, однако они резко уменьшаются, если волновое сопротивление линии увеличить до 100 Ом [2]. В результате этого ЩЛ наиболее привлекательна для использования в конструкциях распределенных ФВ.
Для ЩЛ, как и КПВ, изменяя геометрию (т.е. меняя ширину зазора между полосковыми проводниками и их ширину), можно легко получать требуемые значения волнового сопротивления. В то же время, чтобы избежать возбуждения паразитных мод, достаточно соблюдать условие, при котором суммарная ширина линии передачи должна быть меньше толщины подложки [2]. Фиксируя эту ширину на максимально допустимом значении, можно минимизировать омические потери в проводниках ЩЛ. При этом можно увеличивать волновое сопротивление путем уменьшения ширины полосковых проводников и увеличения зазора между ними.
Методики расчета ФВ на основе как КПВ, так и ЩЛ идентичны и подробно описаны в [2]. Фазовращатель на ЩЛ обладает более низким по сравнению с ФВ на КПВ коэффициентом качества, но при этом имеет значительно меньшие геометрические размеры. На частоте 10 ГГц при коэффициенте качества К = 49 град/дБ площадь ФВ этого типа не превышает 10 мм2, т.е. в шесть раз меньше, чем у аналогичного ФВ на КПВ [2]. В на-
(а)
0 ГУУУЛ ГУУУЛ Л/УУЛ ГУУУЛ _г_тг\_0
Ь0Д1
1 £ I ^ II I (б)
СоД^ СВарД1 :
1Г-)
о
10.7
(в)
о
J
о
7
120
440
180
Рис. 1. Эквивалентная схема распределенной линии передачи, периодически нагруженной шунтирующими варактора-ми (а), топология фазосдвигающей цепи (б), фрагмент секции фазосдвигающей цепи (в).
I
стоящее время по совокупности таких параметров, как коэффициент качества, массогабарит-ные показатели и простота изготовления, конструкцию ФВ на основе ЩЛ, нагруженной СЭ-варакторными диодами, следует признать оптимальной.
В работах [2, 3] толщина использованных СЭ-пленок не менее 300 нм, а сами пленки находятся в параэлектрической фазе. В данной работе приведены СВЧ-характеристики ФВ на основе ЩЛ, в конструкции которого впервые использованы на-норазмерные пленки Ва0.^г02ТЮ3, находящиеся в СЭ-фазе.
1. ТОПОЛОГИЯ ФАЗОВРАЩАТЕЛЯ
Распределенная линия передачи при подключении к ней шунтирующих емкостей становится периодической структурой с полосами пропускания и запирания в определенных частотных диапазонах, которую называют синтетической линией [5]. Эквивалентная схема синтетической линии приведена на рис 1а. Погонные, т.е. приходящиеся на единицу длины линии, индуктивность и емкость обозначены как Ь0 и С0, соответственно. Расстояние между соседними шунтирующими линию переменными конденсаторами (варакторами) с погонной емкостью Свар обозначено через Д1.
Для частот ниже так называемой частоты Брэгга эта структура ведет себя подобно линии передачи с переменными фазовой скоростью и волновым сопротивлением [2]. Изменение емкости
СЭ-варактора Свар позволяет управлять фазовой скоростью СВЧ-сигнала и волновым сопротивлением линии передачи. Изменение расстояния между шунтирующими конденсаторами Д1 позволяет управлять частотой Брэгга, которая должна быть существенно выше рабочей частоты ФВ.
При подключении шунтирующих конденсаторов волновое сопротивление распределенной линии передачи уменьшается. Для реализации ФВ погонную емкость конденсаторов Свар, нагружающих линию, выбирают такой, чтобы волновое сопротивление при их подключении снизилось до значения, близкого к 50 Ом, но несколько превышающего его, что позволит уменьшить как потери на отражение, так и потери в самой ЩЛ.
На рис. 16 приведена топология фазосдвигающей цепи, в которой использована ЩЛ, периодически нагруженная СЭ-варакторами на основе на-норазмерной пленки Ва0.^г02ТЮ3. Цепь состоит из 14 идентичных секций, к которым подключаются шунтирующие СЭ-конденсаторы, и двух оконечных секций, позволяющих присоединить устройство к 50-омному СВЧ-тракту. Размеры цепи, указанные в миллиметрах, приведены на рис. 16. Толщина подложки MgO, на которой реализована фазосдвигающая цепь, равна 0.5 мм.
Данная конструкция позволяет увеличивать сдвиг фазы до требуемых значений (например, 180 или 360 град) путем увеличения числа секций. Расчет геометрических размеров СЭ-варакторов, обеспечивающих требуемые значения емкости шунтирующих линию конденсаторов, проведен
при помощи программы Maple. Синтез топологии единичной секции ФВ, а затем и многосекционной фазосдвигающей цепи, имеющей в заданной полосе частот минимальные вносимые потери при максимальном фазовом сдвиге, осуществлен при помощи программы Microwave Office. Центральная частота рабочей полосы фазосдвигающей цепи была задана равной 12.5 ГГц, а частота Брэгга - 30 ГГц.
Фрагмент единичной секции фазосдвигающей цепи, содержащей распределенную индуктивность и шунтирующий СЭ-варактор, приведен на рис. 1в. Геометрические размеры указаны в микрометрах. Емкость варактора, выполненного в виде планарного конденсатора на основе нано-размерной СЭ-пленки, для фазосдвигающей цепи с рабочей частотой 12.5 ГГц перестраивается в пределах от 0.13 до 0.043 пФ при изменении напряжения смещения от 0 до 30 В. Коэффициент перестройки планарных конденсаторов, входящих в состав данного ФВ, изменялся от 2.63 до 3.07 при изменении напряжения смещения от 0 до 30 В. Технологический разброс значения величины зазора составил от 0.88 до 1.35 мкм.
2. НАНОРАЗМЕРНЫЕ ПЛЕНКИ ТИТАНАТА СТРОНЦИЯ-БАРИЯ
На возможность использования наноразмер-ных (толщина h < 50 нм) СЭ-пленок в конструкциях СВЧ-устройств указано в работе [6]. При этом отмечалось, что использование нанораз-мерных СЭ-пленок приведет к снижению диэлектрических потерь при использовании пленок Ва0.^г02ТЮ3, которые при рабочих температурах (~300 К) находятся в СЭ-фазе. Как показано в [6], наноразмерные пленки по своим свойствам радикально отличаются от более толстых пленок в связи с формированием в них нового типа доменной структуры, которая обусловлена сильным влиянием механических напряжений в системе сегнето-электрическая пленка - подложка. При толщине пленки более 100 нм в ней действуют двумерные напряжения сжатия за счет различия в коэффициентах теплового расширения пленки и подложки. При толщине менее 50 нм напряжения сжатия сменяются растягивающими напряжениями за счет несоответствия параметров решетки пленки и подложки. При толщине пленки от 6 до 50 нм следует ожидать появления новых свойств, обусловленных возникновением новых доменных фаз [6].
Технология осаждения пленок Ва0.^г02ТЮ3 на полированные срезы (100) MgO и методы контроля процессов роста пленок приведены в [6, 7]. Принципиальное отличие способа осаждения от известных аналогов состоит в том, что монокристаллические пленки с атомарно-гладкой поверхностью формируются из наночастиц сложного оксида, образующихся в плазме высокочастотного разряда за счет нестандартной конструкции рас-
пылительного узла и режимов создания плазмы. Именно этот результат позволил создать пленки с наноразмерной толщиной, пригодные для проведения исследований. Они характеризуются атомарно-гладкой морфологией поверхности, плотность винтовых дислокаций не превышает 107 см-2, высокое структурное совершенство и слоевой механизм роста позволили провести полный рентгеностр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.