МЕХАНИЗМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ В ДИАПАЗОНЕ СВЧ

April 23, 2012 by admin Комментировать »

Поплавко Ю. М. Национальный технический университет Украины КПИ Проспект Победы, 37, Киев – 03056, Украина Тел.: +38 044 4113905; e-mail: poplavko@ieee.org

Аннотация – Рассмотрены механизмы электрического управления величиной эффективной диэлектрической проницаемости 8эф с целью получения фазовращателей и перестраиваемых резонансных фильтров. Предполагается, что наиболее эффективным управлением с наименьшими вносимыми потерями является электромеханическое управление системой «СВЧ-диэлектрик – воздушная щель» посредством электрострикционного актюатора.

I.  Введение

Возможность управления электрическим полем (£) величиной диэлектрической проницаемости (в) в диапазоне СВЧ с целью создания электрически управляемых устройств обсуждается в литературе уже около 40 лет [1,2]. В этой области получены многие позитивные результаты и реализованы разные устройства, которые не вышли, тем не менее, за рамки лабораторных макетов. Однако в последние годы технология тонких сегнетоэлектрических пленок стала настолько совершенной, что появилась реальная надежда получения диэлектрических СВЧ приборов, конкурентно-способных по сравнению с полупроводниковыми и ферромагнитными промышленными приборами.

Для применения в технике СВЧ перспективны только сегнетоэлектрики с фазовым переходом типа смещения, причем они должны быть регулярными твердыми растворами и использоваться выше точки Кюри – то есть, в параэлектрической области. Ниже точки Кюри (в сегнетоэлектрической области) диэлектрические потери на СВЧ резко повышаются из- за полидоменной структуры, а при использовании сегнетоэлектриков с размытым фазовым переходом большой вклад в диэлектрические потери вносит диэлектрическая релаксация, происходящая в разу- порядоченной структуре этих сегнетоэлектриков. Исключением являются диэлектрики с электронной релаксацией, в которых потери существенно проявляются только на миллиметровых волнах; но для управления величиной в в таком случае необходимы очень высокие напряженности поля £

Представляются заманчивыми попытки получить управляемые на СВЧ диэлектрики с пониженными потерями за счет смесей параэлектриков с «линейными диэлектриками» – такими, как оксиды типа МдО [3] или полимеры [4]. В самом деле, в таких смесях более чем на порядок по величине снижаются как эффективная проницаемость вЭф (что благоприятно для согласования СВЧ устройств), так и эффективные диэлектрические потери 1д5Эф. Тем не менее, по мнению автора, эти смеси не имеют большой перспективы для применения. В них резко понижается (если не теряется вовсе) главный параметр – возможность динамического управления величиной

в. Механизм изменения в(£) в смесях может оказаться косвенным, инерционным – «квазистатическим», – действенным только при постоянном напряжении, тогда как для приборов СВЧ необходима быстрая модуляция величины в.

II.  Основная часть

Для «безынерционного» управления перспективны параэлектрические пленки толщиной 0.3-1 цм, с в = 300-1000, нанесенные на подложку с в « 10. Типичная характеристика в(£), используемая в пленочных устройствах СВЧ, показана на рис. 1. Как правило, чем тоньше пленка – тем меньше в и tg5, но ниже и управляемость Ав/вт. Таким образом, открываются большие технологические возможности для компромиссных технических решений.

Рис. 1. Управляемость Ле/ет пленок BST: ет при поле Ет характеризует рабочую точку при фазовой модуляции.

В большинстве работ в качестве основного параэлектрика для приготовления пленок и смесей используется «твердый раствор» BST = (Ba,Sr)Ti03. Однако BST, даже выше точки Кюри, обладает значительными потерями на СВЧ из-за того, что входящий в BST компонент – BaTi03 – характеризуется очень высоким затуханием “мягкого” решеточного фонона. Этот механизм потерь заметно сказывается на величине tg5 BST уже на сантиметровых волнах, но особенно повышает потери BST на миллиметровых волнах. Как показали наши исследования, более перспективным для применения является твердый раствор (Sr,Pb)Ti03=SPT, оба компонента которого характеризуются низко-затухающим мягким фононом.

Существенное снижение СВЧ потерь наблюдается в эпитаксиальных тонких пленках BST или SPT из-за «жесткого» влияния подложки (в качестве которой обычно используется монокристалл МдО). Следует отметить, что для согласования импеданса с СВЧ трактом величина вЭф в пленочном фазовращателе может быть снижена на порядок путем надлежащего выбора ширины и расположения электродов, поскольку пленка – лишь один из трех диэлектриков, в которых распространяется СВЧ волна (есть еще и подложка, и воздух над линией).

Поэтому необходимость разработки смесей BST с другими диэлектриками только с целью снижения вЭф не представляется целесообразной. Для смеси BST.MgO наилучший полученный результат: еЭф=120 и 1д5эф=0,012 при управляемости 10%. Однако динамические характеристики этого управления не исследовались ни в работе [3], ни в работе [4], где использовалась смесь BST.nonuMep. В статических характеристиках управление еЭф может оказаться “косвенным”, изменение еЭф может быть следствием электропроводности, объемнозарядной поляризации и даже изменением еЭф от температуры из-за нагревания смеси в сильном электрическом поле.

Как альтернатива смесям, большое управление СВЧ 8Эф, причем практически без вносимых потерь, можно получить в слоистых системах: за счет управления зазором А, показанном на рис. 2. Быстрое управление Л(Е) и, стало быть, управление еЭф(Е) производится электрострикционным актюатором.

Рис. 2. Эффективная диэлектрическая проницаемость еэф слоистой структуры (состоящей из двух пластин СВЧ диэлектриков с управляемой воздушной щелью Л) в стандартном волноводе при частоте 10ГГц; зависимость Л(Е) аналогична е(Е).

III.  Заключение

1.  Управляемые СВЧ диэлектрики, получаемые на основе смеси параэлектриков и различных оксидов (или полимеров) в принципе не могут обеспечить преимущественные характеристики по сравнению с базовым параэлектриком.

2. В технологии получения управляемых на СВЧ пленок наиболее перспективен твердый раствор (Sr,Pb)TiC>3, в котором ожидаются меньшие потери на СВЧ по сравнению с (Ba,Sr)TiC>3 (BST).

3. Как альтернатива применению параэлектриков предлагается устройство без вносимых потерь. Система «СВЧ-диэлектрик – управляемая воздушная щель» обеспечивает небольшую по величине, но значительно управляемую еЭф на СВЧ.

IV. Список литературы

[1]  Поплавко Ю. М., Некрасов М. М. Электрически управляемые сегнетоэлектрические устройства СВЧ. Радиотехника и электроника. 1962, V. 7, No. 8, С.1458-1462.

[2]  Gevorgian S. Do we really need ferroelectrics in paraelectric phase in electrically controlled microwave devices. IEEE, Microwave Theor. Tech. 2001, V. 49, No. 11, C. 2117-2123.

[3]  Sengupta L. C., Sengupta S. Breakthough advances in low loss tunable dielectric materials. Mat. Res. Innovat. 1999, V. 2,

C.    278-282.

[4]  Модельский Ю., Ящишин E. М. Фазовращатель на композитной подложке из сегнетоэлектрика. Conf. Ргос. CriMiCo’ 2003, С. 466-467.

THE NATURE OF DIELECTRIC PERMITTIVITY ELECTRIC CONTROL AT MICROWAVES

Poplavko Y. M.

National Technical University of Ukraine 37, Peremogi Ave., Kiev – 03056, Ukraine e-mail: poplavko@ieee.org

Abstract – Main mechanisms of electric control by the sef are discussed. It is supposed that the most effective low loss is to use a system “Microwave dielectric- air gap” which controlled by fast electrostrictive actuator.

I.  Introduction

The control of dielectric permittivity (s) by the bias electric field (Eb) at microwaves, and its application in a phase shifter has 40-year history [1, 2]. However, only recently ferroelectric thin film processing becomes perfect enough, and tuned microwave device based on paraelectric film can be competitive with the microwave ferrite and PIN diode. Nevertheless, there are still some problems with ferroelectric film microwave applications.

II.  Main part

Microwave tunable devices (like phase shifters or filters) need low loss dielectric material with electrically controlled permittivity s(E) by the acceptable voltage. To decrease the loss, tunable material (ferroelectric) should be used above its Curie point, i.e. in a paraelectric phase. For the purpose of matching with the microwave transmission lines, the value of s should be as small as possible. However, paraelectric materials such as (Ba,Sr)Ti03=BST might be effectively tuned only in the case of very big s~103 (in the temperatures range close to ferroelectric phase transition). Theoretical calculation shows that paraelectric tunability Ne = s’1ds/dE ~ s3. In the report this result is proved experimentally from BST films investigations, Fig. 1. It is shown also that the other composition, namely, (Sr,Pb)Ti03=SPT with lower loss is more prospective for microwave applications but with PST the fatal dependence Ne~ s3cannot be escaped.

To decrease the s and the loss, some authors elaborated the composite materials that are mixtures of BST with the low s dielectrics (ceramics [3] or polymers [4]). One composite (BST:MgO) has an acceptable effective permittivity and loss factor (seff~120, tan6~10"2). Its tunability is ~10% but at very high voltage (~20 kV/mm). However, the sef(Eb) dependence is proved only at direct bias voltage. The other published result is composite BST:polymer with unusually low (~10) but tunable Sef(Eb). For many reasons, author of this report expect that in those composites the only quasi-static tunabilty is possible because the bias voltage in any composite is applied to the microregions that have low s which is independent on Eb. However, heating or electric charge repartition in composite can provide some indirect effect of tunability that obviously should be very slow (quasi-static).

As alternative, in the Report, the other way of low-sef tunability is proposed, Fig. 2. Layered structure created from high-s dielectrics and piezo-controlled air slot. Filling various type waveguides, the structure is used as a tunable low loss wide-band phase shifter. Contemporary piezoelectric actuator is employed for fast variation of air slot width. This alteration results in considerable change in effective dielectric constant gef of the structure, Fig. 2. Used in layered structure high quality dielectrics insert practically no loss to the tunable system.

III.  Conclusion

It is possible to realize low loss phase shifters in the microwaves as well as in the millimeter waves using high quality microwave dielectrics. These structures are studied both in the waveguides and in some microstrip designs.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты