CN100511827C - 铁电薄膜移相器及检测与优化其反射特性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁电薄膜移相器，为在共面线上装载铁电可调电容，该共面线结构包括一条传输线和两个位于传输线两侧的接地面，接地面和传输线共同附着在基片的同一平面上，接地面与传输线之间是等宽度的缝。本发明还公开了一种检测与优化铁电薄膜移相器反射特性的方法，保持所述传输线中相邻两段传输线的长度和不变，改变两段输线段间的装载可调电容的位置，然后通过计算机仿真查看这种结构的反射及传输特性曲线，主要关注其反射幅度的大小及工作带宽的宽窄，比较判断出具有反射损耗比较小且工作带宽又比较合适的最终结构。本发明可以增加移相器的工作频率带宽，在较高的频率范围内，有利于提高器件的品质因子。

Description

铁电薄膜移相器及检测与优化其反射特性的方法
技术领域
本发明属于微波工程领域，涉及一种阻抗匹配的铁电薄膜移相器及检测与优化其反射特性的方法。
背景技术
相控阵天线在雷达及通信领域有着广泛的应用，在高精度相控阵天线中，移相器部分的费用约占整个天线成本的40％。到目前为止，研究得最为广泛的移相器是基于铁氧体块材和半导体开关管制作的。由铁氧体块材制作的相控阵天线不容易加工此外其体积比较大，功耗大，并且波束扫描随控制信号的响应也比较慢。因此在某些要求波束快速扫描的领域有明显的不足。基于半导体开关管制作的相控阵天线，虽然可以满足快速波束扫描的要求，但在微波及毫米波频段，它会产生较高的损耗，导致其功率承载能力很有限。为了克服上述相控阵天线的缺点，从二十世纪六十年代以来，铁电材料已被研究应用于铁电调制器件的制作，与铁磁调制器件及半导体调制器件相比，基于铁电材料制作的调制器件具有以下优点：调制速度快，体积小及重量轻，并且由于它们利用外加电场改变介电常数，所以功耗也很低。
到目前为止，在微波调制器件应用领域研究最为广泛的铁电材料是钛酸锶钡薄膜(BaxSr1-xTiO3)，分子式中x/(1-x)是钡与锶组份的比例，其x值可从0变到1，相应的钛酸锶钡薄膜的居里转变温度点可以从纯钛酸锶薄膜的居里温度点(小于0K)到钛酸钡薄膜的居里温度点(约400K)，这样通过调整钡锶组份的方法可以选择钛酸锶钡薄膜的工作温区，通常当x取0.5时，钛酸锶钡薄膜常被用来制作在室温下工作的器件。
在由铁电薄膜材料制作的移相器中，通常采用两种结构形式：微带线结构和共面线结构。前者需要设计一个偏置电路用来给铁电薄膜施加外加电场，因此利用这种结构制作的移相器具有较大的尺寸，不利于器件的小型化；后者利用共面线结构的端口直接给铁电薄膜提供外加电场，这样的结构不需要额外的偏置电路，因此这种结构在铁电薄膜移相器制作方面已得到很多应用，尤其是以共面传输线单周期性装载铁电可调电容的方案报导得最多。采用共面线结构有下述优点：由于铁电薄膜只存在于制作可调电容的区域，其它地方的铁电薄膜均被腐蚀或者刻蚀掉，这样可以减少介电损耗比较大的铁电薄膜对整个器件损耗的影响；此外，由于介电常数比较大的铁电薄膜仅仅存在于制作铁电可调电容的区域，因此这种结构还有助于实现器件与外电路的阻抗匹配。但在这种单周期性装载铁电可调电容的结构中，随着频率的增加，其反射损耗变得越来越强，相应的其传输损耗也逐渐恶化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够减小反射损耗、改善其传输特性，同时增加其工作频率带宽且使其阻抗高度匹配的铁电薄膜移相器。
本发明的另一目的在于提供一种检测与优化铁电薄膜移相器的反射特性的方法。
为实现上述目的，本发明一种铁电薄膜移相器，所述铁电薄膜移相器为在共面线结构上装载铁电可调电容，该共面线结构包括一条传输线和两个位于传输线两侧的接地面，接地面和传输线共同附着在基片的同一平面上，接地面与传输线之间是等宽度的缝。
进一步，所述传输线上所装载的相邻两个铁电可调电容之间分别间隔有两段不等长度的传输线，且该两段不等长度的传输线相间地呈周期性排列。
进一步，所述的装载铁电可调电容为交叉指状电容或者平行板电容。
进一步，所述传输线和所述接地面由金属薄膜或者超导薄膜构成。
进一步，所用基片材料为氧化镁MgO或氧化铝Al2O3或铝酸镧LaAlO3。
进一步，在制作所述装载铁电可调电容的区域内均覆盖有一定厚度的铁电材料薄膜。
进一步，所述铁电材料薄膜为钛酸锶钡。
一种检测与优化铁电薄膜移相器反射特性的方法，首先保持所述传输线中相邻两段传输线的长度和不变，改变两段输线段间的装载可调电容的位置，然后通过计算机仿真查看这种结构的反射及传输特性曲线，主要关注其反射幅度的大小及工作带宽的宽窄，比较判断出具有反射损耗比较小且工作带宽又比较合适的最终结构。
与现有单周期性装载可调电容结构相比，本发明采用周期性装载可调电容单元，并且每个单元包含两个可调电容的办法来降低移相器的反射损耗，保证了在较宽的工作频段内，移相器的反射损耗始终被控制在一个较低的水平，并且其反射损耗的极值保持在同一幅度；另外在较高的工作频段内，由于其反射损耗的降低，相对应的其传输特性也有一定程度的提高，这有利于提高器件的品质因子。
附图说明
图1是本发明铁电薄膜移相器共面线结构的截面示意图；
附图说明
图1是本发明铁电薄膜移相器共面线结构的截面示意图；
图2是本发明铁电薄膜移相器的阻抗匹配理论模型示意图；
图3是本发明铁电薄膜移相器的结构的部分俯视图；
图4是本发明实施例1的Lsect1取不同长度时的计算机仿真得出的频率响应曲线；
图5是本发明实施例2的计算机仿真得出的频率响应曲线。
具体实施方式
图1中，铁电薄膜移相器的上层为导体薄膜30，中间是铁电薄膜介质20，下层是已知介电特性的常用介质基片10，基片由氧化镁(MgO)或氧化铝(Al2O3)或铝酸镧(LaAlO3)材料制成。铁电薄膜移相器为共面线结构，共面线结构是指上层共面导体薄膜30构成的几何结构。图3中，共面线结构包括一条传输线2和两个位于传输线2两侧的接地面(图中未示出)，接地面和传输线2共同附着在基片10的同一平面上，接地面与传输线2之间是等宽度的缝，该传输线2上双周期性装载铁电可调电容5，所装载的铁电可调电容5是交叉指状电容，也可以为平行板电容。在制作可调电容的区域内覆盖有一定厚度的铁电薄膜如钛酸锶钡薄膜，传输线2和接地面均由常规金属薄膜构成，如金或银或铜或铂薄膜，也可以用超导薄膜构成。
本发明中设计工作是利用微波仿真软件如sonnet在计算机上进行的，移相器是按常用平面工艺制作的，即按光刻、干法刻蚀、切割、组装等工艺步骤制作。在设计过程中，首先将相邻两段传输线2的长度固定，改变装载可调电容5CBST1的位置，然后通过计算机仿真查看这种结构的反射及传输特性曲线，主要关注反射损耗幅度的大小及移相器工作带宽的宽窄，修改装载铁电可调电容5CBST1的位置，利用仿真得出的反射及传输频率响应曲线，比较判断出具有反射损耗比较小且工作带宽又比合适的最终结构。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步地描述：
实施例1
图2和3中，传输线21Lsect1和传输线22Lsect2均为传输线2的其中一部分，保持Lsect1和Lsect2的总长度不变，改变夹在Lsect1和Lsect2之间的铁电可调电容5的位置，即连接在Lsect1末端的CBST1的位置。当铁电可调电容5CBST1从单周期性结构(即Lsect1＝Lsect2)增加Lsect1的长度时，从电路的输入端向右看，其输入阻抗会随着CBST1的位置的不同而不同，也就是说输入阻抗的输入阻抗相匹配。从电路的频率响应特性曲线上来看，即电路的反射损耗比较小。在图2和3中的所有的铁电可调电容没有区别，图2中的CBST1和CBST2完全相同，为了方便解释，二者仅仅标号不一样。
图4是本实施例1中，当Lsect1取不同长度式，器件的频率响应曲线。图中曲线B为Lsect1和Lsect2非别取660微米时电路的反射特性曲线；曲线C为Lsect1和Lsect2非别取700微米和620微米时电路的反射特性曲线；曲线D为Lsect1和Lsect2非别取740微米和580微米时电路的反射特性曲线；曲线E为Lsect1和Lsect2非别取780微米和540微米时电路的反射特性曲线；曲线F为Lsect1和Lsect2非别取820微米和500微米时电路的反射特性曲线。从图4中可以看出，显然当Lsect1取曲线D所对应的值(即Lsect1＝740微米，Lsect2＝580微米)时，在电路的整个工作频率范围内，其反射损耗的极值始终保持在同一幅度。这说明此时电路的阻抗匹配在整个工作频段内均做得很好。与采用单周期性装载铁电可调电容制作的移相器的频率响应曲线(如图4中的曲线B)相比，采用双周期性装载铁电可调电容制作的移相器的工作频率带宽明显拓宽了。
实施例2
图3中，在面积为5mm×10mm、表面镀有金导电薄膜的且在形成可调电容5的区域沉积有300nm厚的钛酸锶钡薄膜的氧化镁基片上，采用双周期性结构制作的如图3所示的移相器结构版图。图5是经过计算机仿真优化后得出移相器的频率响应曲线，其中，S11为移相器的反射损耗，S21为移相器的传输损耗。从图5中可以看出，其工作频率范围从直流一直延伸到14GHz，并且在整个工作频率范围内，其反射损耗的极值均小于-17dB，并且保持在同一幅度。本实施例中，仿真选取的MgO介电常数εr＝9.8，介电损耗1.6×10-5，沉积在氧化镁基片上的钛酸锶钡薄膜的厚度为300nm，介电常数300，介电损耗0.05。

Claims (7)

1、一种铁电薄膜移相器，其特征在于，所述铁电薄膜移相器为在共面线结构上装载铁电可调电容，该共面线结构包括一条传输线和两个位于传输线两侧的接地面，接地面和传输线共同附着在基片的同一平面上，接地面与传输线之间是等宽度的缝；传输线上周期性地装载有多个铁电可调电容，并且相邻的两个铁电可调电容将传输线分隔为两种不等长度的传输线，该两种不等长度的传输线为相间地呈周期性排列。
2、根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述的装载铁电可调电容为交叉指状电容或者平行板电容。
3、根据权利要求2所述的移相器，其特征在于，所述传输线和所述接地面由金属薄膜或者超导薄膜构成。
4、根据权利要求3所述的移相器，其特征在于，所用基片材料为氧化镁MgO或氧化铝Al2O3或铝酸镧LaAlO3。
5、根据权利要求4所述的移相器，其特征在于，在制作所述装载铁电可调电容的区域内均覆盖有一定厚度的铁电材料薄膜。
6、根据权利要求5所述的移相器，其特征在于，所述铁电材料薄膜为钛酸锶钡。
7、一种检测与优化权利要求1所述铁电薄膜移相器反射特性的方法，其特征在于，首先保持所述传输线中相邻两段传输线的长度和不变，改变两段输线段间的装载可调电容的位置，然后通过计算机仿真查看这种结构的反射及传输特性曲线，主要关注其反射幅度的大小及工作带宽的宽窄，比较判断出具有反射损耗比较小且工作带宽又比较合适的最终结构。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101335371B (zh) * 2007-06-27 2012-10-24 河南科技大学 一种铁电薄膜移相器及其制作方法
CN101794929B (zh) * 2009-12-26 2013-01-02 华为技术有限公司 一种提升传输带宽的装置
CN104241735B (zh) * 2013-06-20 2017-05-10 成都振芯科技股份有限公司 一种基于微机械电子技术的微波移相器
CN103956539B (zh) * 2014-04-29 2017-01-11 中国人民解放军国防科学技术大学 一种超低损耗的高频信号移相处理器件
CN108684137A (zh) * 2018-05-30 2018-10-19 郑州云海信息技术有限公司 一种优化pcb高速链路阻抗连续性的方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6078827A (en) * 1993-12-23 2000-06-20 Trw Inc. Monolithic high temperature superconductor coplanar waveguide ferroelectric phase shifter
CN1370338A (zh) * 1999-08-24 2002-09-18 帕拉泰克微波公司 电压可调共面相移器
US6559737B1 (en) * 1999-11-24 2003-05-06 The Regents Of The University Of California Phase shifters using transmission lines periodically loaded with barium strontium titanate (BST) capacitors

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6078827A (en) * 1993-12-23 2000-06-20 Trw Inc. Monolithic high temperature superconductor coplanar waveguide ferroelectric phase shifter
CN1370338A (zh) * 1999-08-24 2002-09-18 帕拉泰克微波公司 电压可调共面相移器
US6559737B1 (en) * 1999-11-24 2003-05-06 The Regents Of The University Of California Phase shifters using transmission lines periodically loaded with barium strontium titanate (BST) capacitors

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BaSrTiO3 Interdigitated Capacitors for Distributed PhaseShifter Applications. Y.Liu,A.S.Nagra,E.G.Erker,et al.IEEE Microwave and Guide Wave Letters,Vol.10 No.11. 2000 *
BST薄膜铁电移相器研究进展. 余慧春，徐爱兰，惠春.电子元件与材料，第24卷第3期. 2005 *

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