WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Рассматривается альтернативный «электрический» способ управления волноведущими структурами на основе сегнетоэлектрических материалов.

Формируются требования к сегнетоэлектрическим пленкам с точки зрения их применения в СВЧ электронных устройствах. Сравнения показывают, что пленки титаната бария-стронция (Ba,Sr)TiO3 – БСТ являются наиболее пригодным материалом для управляемых СВЧ устройств. Пленки БСТ отличаются отсутствием частотной дисперсии вплоть до частоты ~ 100 ГГц и сравнительно малыми диэлектрическими потерями. Рассмотрены примеры реализации волноведущих структур на основе сегнетоэлектрических пленок, конструкции фазовращателей, фазированных антенных решеток, их эксплуатационные параметры.

Отмечаются достоинства и недостатки «электрического» и «магнитного» способа управления волновыми процессами в волноведущих структурах.

Обсуждается возможность построения СВЧ устройств на основе слоистых структур феррит-сегнетоэлектрик (ЖИГ/БСТ), в которых обеспечиваются дополнительные возможности управления фазовыми характеристиками и групповым временем задержки СВЧ сигналов. Анализируются ранее проведенные исследования феррит-сегнетоэлектрических структур, теоретические и экспериментальные зависимости волновой дисперсии.

В заключении делаются выводы по проведенному литературному обзору и уточняются задачи диссертационного исследования.

Во второй главе приводится результаты исследования процессов распространения электромагнитных волн в щелевых линиях.

Для решения задач распространения электромагнитных волн в щелевых линиях применялся полноволновый анализ, включающий следующие стадии:

(a) – определение Фурье-образов касательных компонент векторов электрического и магнитного полей на щелевых линиях;

(б) – составление системы интегральных уравнений для напряженностей касательных полей на щелях - Ex, Ez, Hx и Hz;

(в) – применение метода Бубнова – Галеркина, позволяющего преобразовать интегральные уравнения в систему алгебраических уравнений;

(г) – расчет постоянной распространения посредством приведения определителя системы уравнений к нулю.

На основе результатов электродинамического анализа были разработаны оригинальные вычислительные программы для расчета параметров резонаторов и характеристик СВЧ устройств на основе МЩЛ структур.

Для уменьшения управляющего напряжения необходимо уменьшать ширину щели. Это приводит к увеличению эффективности замедления, но в щелевой линии возрастает затухание волны, поэтому выбор оптимальной ширины щели не имеет однозначного решения.

Для обеспечения однозначности выбора параметров щелевой линии и снижения управляющего напряжения была предложена оригинальная конструкция линии, представляющая собой слоистую структуру, показанную на рис. 1. На поверхность диэлектрической подложки (3) осаждается слой платины, на котором формируется пленка БСТ (2). Противоположный электрод платины наносится на поверхность БСТ. Пленка линейного диэлектрика (1) осаждается на слой БСТ, и на ее поверхности формируется сравнительно широкая щелевая линия. В такой «сэндвич» щелевой линии управляющие электроды выполнены в виде тонких слоев платины, причем для снижения емкости управляющие электроды с обеих сторон пленки не должны перекрываться. В рассматриваемой конструкции осуществляется многопараметрический y ', мм-d0 2,w Внешние электроды 1, d2,2 x 2, d2,Pt 3, dэлектроды 1,500 100 150 Рис. 1. Рис. 2.

поиск требуемых электродинамических характеристик щелевой линии.

Следует обратить внимание на нелинейный характер зависимостей постоянной распространения от диэлектрической проницаемости пленки БСТ (рис. 2), который связан со сложной структурой электромагнитного поля в трехслойной диэлектрической топологии. На рис. 2 приведены дисперсионные кривые для определенного набора параметров щелевой линии, 1 – 1 = 100, d1 = 0,5 мкм, 2 – 1 = 10, d1 = 1 мкм, 3 – 1 = 10, d1 = 0,5 мкм.

Выбор топологии должен быть направлен на снижение вклада потерь в электродах линии в суммарные потери при соответствующем наборе физических и размерных параметров. Уменьшение зазора приводит к возрастанию электродных потерь. На описанную конструкцию щелевой линии автором получен патент.

Другим вариантом щелевой линии является многощелевая линия (МЩЛ), поперечное сечение которой показано на рис. 3. На подложку (2) осаждается слой сегнетоэлектрика (1), на поверхности которого формируется МЩЛ, содержащая несколько парциальных щелей и узких электродов, расположенных между широкими крайними электродами. Основная электромагнитная мода в многощелевой линии близка к поверхностной ТЕ-волне, теоретически существующей в волноводной структуре с бесконечной решеткой емкостных электродов.

Вклад омических потерь узких парциальных электродов в затухание щелевой моды относительно невелик в сравнении с аналогичным вкладом электродов «обычный» щелевой линии, который определяется продольным током в ее электродах. Рассчитанные зависимости постоянной распространения ', показанные на рис. 4, где w0 = w1 = l = 5 мкм, кривая 1 соответствует = 600, 2 – = 800, 3 – = 1000, 4 – = 2000, подтверждают прогнозы относительно характеристик МЩЛ.

', мм-y w0 w1 w1,dl d1,1 1,x d2,1,dЧисло 4 6 щелей d Рис. 3. Рис. 4.

Например, при шести щелях в многощелевой линии • w = w = l = 0.005 мм при = 1000 = 2.1- j 8 10-3, что очень близко к зна• чению = 1.96 - j 6.7 10-3 щелевой линии с шириной щели w = 0.05 мм.

Для подключения МЩЛ к генератору используется полосково-щелевой переход или согласующие линии в виде экспоненциального перехода (линии Вивальди). В работе предложена методика расчета формы согласующего щелевого перехода, который обеспечивает согласование в широком диапазоне частот, что позволяет создавать СВЧ устройства, такие как фазовращатели с плавным изменением фазы в широком частотном диапазоне.

В третьей главе рассматриваются методы исследований и результаты измерений СВЧ характеристик сегнетоэлектрических пленок и МЩЛ фазовращателей.

Основным требованием, предъявляемым к методикам измерения свойств пленок или перестраиваемых устройств на их основе, является высокая точность значений диэлектрической проницаемости () и диэлектрических потерь (tg) при изменении в широком диапазоне управляющих напряжений (U). Подача на сегнетоэлектрическую плёнку управляющего электри ческого поля требует применения металлических электродов. Однако, пленки металла могут искажать параметры плёнки БСТ, поэтому необходимо использовать и безэлектродные методики определения характеристик пленок.

Измерения диэлектрических параметров пленок БСТ проводились в широком диапазоне частот от 1 МГц до 100 ГГц. Для измерения применялись как известные, так и оригинальные, специально разработанные методики. В частности, для рабочего диапазона частот 20 – 40 ГГц был предложен метод щелевого резонатора, учитывающий влияние металлических электродов на свойства пленок БСТ. Для сравнения использовались результаты измерений в частично-заполненном волноводном резонаторе.

На рис. 5 а) показан резонатор на основе отрезка щелевой линии, короткозамкнутой на обоих концах. Длина резонатора – l, ширина – w, элемент согласования –. Резонатор помещается в прямоугольный волновод сечением 7.2 3.4 мм (см. рис. 5 б). Постоянная распространения щелевой линии и n длина резонатора связаны следующим соотношением =.

l На рис. 5 в) показан МЩЛ резонатор (1), имеющий 4 парциальные щели.

а) 4 1 3 l б) в) w E Рис. 5.

Резонатор связан с внешней щелевой согласующей линией (2) через элемент согласования (3). С противоположной стороны резонатор имеет электродинамическую «закоротку» на СВЧ, позволяющую одновременно прикладывать постоянное напряжение смещения на резонансную структуру и измерять ее управляемость в режиме на отражение.

Значение частичной добротности, определяемой потерями в электродах, равно 0 Q =, Q0 =, 2 = 0 tg + q ( ) - где q =.

Если из эксперимента известна собственная добротность, то tg сегнетоэлектрической пленки вычисляется по формуле -tg = Q0 - q.

( ) Таким образом, полученное соотношение позволяет исключить возможные потери в электродах резонатора при вычислении tg сегнетоэлектрической пленки.

Экспериментальное значение добротности Qэкс определялось по спаду АЧХ на уровне 3 дБ (см. рис. 6). Значение нагруженной добротности может быть пересчитано в собственную добротность при известном экспериментальном значении коэффициента прохождения Т (дБ) на резонансной частоте Qэкс по формуле Q0 =.

T 1-S21, дБ S11, дБ - - - - - - F, ГГц 30 31 32 29,5 30,0 30,5 F, ГГц Рис. 6. Рис. 7.

Для МЩЛ резонатора длиной l = 2 мм, состоящего из трех электродов и четырех зазоров между ними (рис. 5 в), которые имеют равную ширину 0,мм (полная ширина щели - 0,35 мм), изготовленного на основе БСТ пленки толщиной ~ 1,0 мкм и диэлектрической проницаемости = 1100, значение Qфактора составило ~ 30 на частоте 32,38 ГГц. Для аналогичного щелевого резонатора, имевшего ширину щели 0,35 мм, длину 2 мм, изготовленного на той же пленке БСТ, измерения Q-фактора показали практически одинаковое значение ~ 30 на частоте 33,41 ГГц (рис. 6). Таким образом, полученный результат позволил сделать вывод о равенстве СВЧ потерь в щелевом и МЩЛ резонаторе, что является подтверждением первого научного положения диссертационной работы.

Подавая управляющее напряжение на электроды МЩЛ можно изменять диэлектрическую проницаемость и резонансную частоту резонатора. На рис.

7 показана «электрическая» перестройка МЩЛ резонатора вследствие изменения диэлектрической проницаемости пленки БСТ. Перестройка резонансной частоты составила ~ 190 МГц при напряжении смещения 1 кВ (В/мкм). С приложением напряжения смещения добротность резонатора возрастала, что свидетельствовало об уменьшении диэлектрических потерь (tg) в пленке.

На основе МЩЛ топологий были разработаны конструкции фазовращателей отражательного и проходного типа. Планарная топология МЩЛ фазовращателя была интегрирована с согласующим и излучательным элементами, которые имели форму экспоненциальной щелевой линии (линии Вивальди).

Для реализации проходных фазовращателей потребовалось применить электромагнитно-прозрачные электроды из платины. На рис. 8 показана топология проходного МЩЛ фазовращателя (парциальные электроды внутри щели не отображены из-за их малой ширины). На рис.8 отдельно вынесен «электромагнитно-прозрачный» электрод, соединяющий поочередно парциальные электроды внутри щелевой линии, на которые подавалась смещение. На соседние электроды прикладывался потенциал корпуса прибора. На рис. 9 приведена микрофотография, показывающая вид платиновых и медных электродов в месте соединения фазовращательной и излучательной частей интегрального устройства.

БСТ Cu Pt МЩЛ линия передачи Рис. 8. Рис. 9.

Для экспериментального исследования СВЧ - характеристик фазовращателей была разработана специальная конструкция приборного макета. Плоскость перпендикулярная поверхности планарной структуры соответствовала Н-компоненте электромагнитного поля. Диаграмма направленности излучателя в Н-плоскости приведена на рис. 10. Сплошной линией показана диаграмма направленности при нулевом смещающем поле, а пунктирной линией – при 10 В/мкм (200 В).

Важно отметить, что форма диаграммы направленности практически не изменялась при приложении смещающего напряжения. Наблюдался только незначительный рост излучаемой мощности при приложении смещающего напряжения. Это объясняется тем, что СВЧ потери в сегнетоэлектрических линиях передачи уменьшаются при приложении смещающего электрического поля, поэтому в эксперименте наблюдалось небольшое увеличение излучаемой мощности.

Измерения дифференциального фазового сдвига и вносимых потерь показали, что интегральная МЩЛ структура фазовращателя-излучателя вносит СВЧ потери не более 10 дБ, которые практически не меняются при изменении частоты. Зависимость дифференциального фазового сдвига от приложенного напряжения смещения приведена на рис. 11. Она имеет характер, близкий к линейному. Фазовый сдвиг составил около 270 градусов при приложении смещающего напряжения ~ 250 В, что соответствовало напряженности электрического поля 12,5 В/мкм.

90, град 180 50 100 150 200 U, В 225 Рис. 10. Рис. 11.

Таким образом, проведенные исследования подтвердили то, что МЩЛ структура пригодна для создания электрически управляемых СВЧ устройств, таких как резонаторы и фазовращатели.

В четвертой главе рассматривается структура феррит-сегнетоэлектрик как основа принципиально новых СВЧ устройств с магнитным и электрическим управлением.

Для анализа слоистой структуры феррит – сегнетоэлетрик применялся метод полноволнового анализа, основные этапы которого приводятся в разделе 2 (см. с. 9). Ранее анализ подобной слоистой структуры «металл – диэлектрик – феррит – сегнетоэлетрик – металл» был проведен в работах В.Е.

Демидова и Б.А. Калиникоса (ПЖТФ. – 1999. – т. 24. – вып. 21. – С. 86-93) иным способом. Полученные в обеих работах дисперсионные зависимости соответствуют друг другу, что подтверждает адекватность обоих аналитических подходов.

Выведенные ранее дисперсионные уравнения имеют достаточно громоздкий вид и не вполне удобны для аналитического описания дисперсионных свойств электромагнитно-спиновых волн. Поэтому в данной работе использовалась хорошо отработанная методика полноволнового анализа. Расчет граничной структуры феррит-сегнетоэлектрик на основе полноволновой методики послужил начальным этапом для анализа более сложной структуры феррит – щелевая линия – сегнетоэлектрическая пленка.

Для получения эффективного электрического управления структурой феррит-сегнетоэлектрик, как известно из литературы, необходимо применение сегнетоэлектрических слоев толщиной в сотни микрон. Однако, наличие такого слоя требует использовать высокое управляющее напряжение – более 1000 В – для создания необходимого электрического поля. Кроме того, значительная емкость такой структуры становится причиной сравнительного большого времени переключения – до 10 мкс.

b w y ГГГ подложка U 1, dB ф, dпленка 3, d3 z ЖИГ 4, d5, dСВЧ выход B Подложка СВЧ сапфир вход (а) (б) Рис. 12.

Устранить отмеченные недостатки можно, заменив толстый слой сегнетоэлектрика щелевой линией на основе сегнетоэлектрической пленки (рис.

12). Структура электромагнитного поля основной моды щелевой линии соответствует структуре поля ПМСВ в ферритовом резонаторе (волноводе), поэтому возможно формирование гибридной электромагнитно-спиновой волны. Учитывая это обстоятельство, в качестве объекта дальнейшего исследования была выбрана слоистая структура феррит – щелевая линия – сегнетоэлектрическая пленка.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»