ES2201797T3 - Varactores sintonizables por tension y dispositivos sintonizables que incluyen tales varactores. - Google Patents
Varactores sintonizables por tension y dispositivos sintonizables que incluyen tales varactores.Info
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Abstract
Varactor dieléctrico sintonizable por tensión (10) que comprende un sustrato (12) que tiene una primera constante dieléctrica y tiene una superficie en general planar (14); una capa ferroeléctrica sintonizable (16) situada sobre la superficie en general planar del sustrato, teniendo la capa ferroeléctrica sintonizable una segunda constante dieléctrica que es mayor que dicha primera constante dieléctrica; y electrodos primero y segundo (18, 20) situados sobre una superficie de la capa ferroeléctrica sintonizable que es la superficie opuesta a la superficie en general planar del sustrato, estando dichos electrodos primero y segundo separados formando un entrehierro (22) entre ellos; estando dicho varactor dieléctrico sintonizable por tensión caracterizado por el hecho de que la capa ferroeléctrica sintonizable comprende una cerámica de material compuesto de titanato de bario y estroncio.
Description
Varactores sintonizables por tensión y
dispositivos sintonizables que incluyen tales varactores.
Esta solicitud se acoge a la Solicitud de Patente
Provisional Estadounidense Nº 60/104.504 presentada el 6 de
octubre de 1998.
La presente invención se refiere en general a
varactores sintonizables por tensión a temperatura ambiente y a
dispositivos sintonizables que incluyen tales varactores.
Las antenas de elementos en fase constan de un
gran número de elementos que emiten señales de fase controlada
para formar un haz de radio. La señal de radio puede ser orientada
electrónicamente mediante la manipulación activa del ajuste relativo
de fase de los elementos de antena individuales. Este concepto de
la orientación electrónica del haz es de aplicación tanto a los
transmisores como a los receptores. Las antenas de elementos en fase
son ventajosas en comparación con sus equivalentes mecánicas con
respecto a su velocidad, precisión y fiabilidad. La sustitución de
las antenas de exploración cardánica por sus equivalentes de
exploración electrónica puede proporcionar una más rápida y precisa
identificación del blanco. Con un sistema de antena de elementos
en fase pueden ser también llevados a cabo con rapidez y precisión
complejos ejercicios de seguimiento.
Para orientar el haz en las antenas de elementos
en fase se usan variadores de fase ajustables. Las patentes
anteriores en este campo incluyen los variadores de fase
ferroeléctricos de las Patentes Estadounidenses Núms. 5.307.033,
5.032.805 y 5.561.407. Estos variadores de fase incluyen una o
varias líneas de microcinta sobre un sustrato ferroeléctrico en
calidad de los elementos de modulación de fase. La permitividad del
sustrato ferroeléctrico puede ser variada a base de variar la
intensidad de un campo eléctrico sobre el sustrato. La
sintonización de la permitividad sobre el sustrato redunda en
desplazamiento de fase cuando una señal de RF (RF =
radiofrecuencia) pasa a través de la línea de microcinta. Los
variadores de fase ferroeléctricos de microcinta que están
descritos en esas patentes adolecen de elevadas pérdidas de los
conductores y de problemas de adaptación de impedancia debido a la
alta constante dieléctrica de los sustratos ferroeléctricos.
Las comunicaciones futuras emplearán técnicas de
salto de frecuencia en banda ancha para que pueda ser transferida
dentro de la banda una gran cantidad de datos digitales. Un
componente decisivo para estas aplicaciones es un filtro
sintonizable de acción rápida y de bajo coste. Los datos digitales
podrían ser distribuidos o codificados dentro de una banda de
frecuencias en una secuencia determinada por la circuitería de
control del filtro sintonizable. Esto permitiría a varios usuarios
transmitir y recibir dentro de una gama común de frecuencias.
Los varactores pueden ser utilizados
independientemente, o bien pueden ser integrados en filtros
sintonizables de bajo coste. Estos varactores y filtros pueden ser
usados a numerosas gamas de frecuencias, incluyendo las frecuencias
situadas por encima de la banda L, en una miríada de aplicaciones
comerciales y militares. Estas aplicaciones incluyen (a) los
filtros sintonizables de banda L (1-2 GHz) para
sistemas de redes de área local inalámbricas, sistemas de
comunicaciones personales y sistemas de comunicación por satélite,
(b) varactores y filtros sintonizables de banda C
(4-6 GHz) para saltos de frecuencia para
comunicaciones por satélites y sistemas radáricos, (c) varactores
y filtros de banda X (9-12 GHz) destinados a ser
usados en sistemas radáricos, (d) dispositivos de banda K_{u}
(12-18 GHz) destinados a ser usados en sistemas de
televisión por satélite, y (e) filtros sintonizables de banda
K_{A} para comunicaciones por satélite.
Los varactores comunes que son usados actualmente
son diodos hechos a base de silicio y GaAs. El rendimiento de
estos varactores viene definido por la relación de capacidad,
C_{máx}/C_{\text{mín}}, por la gama de frecuencias y por el
factor de calidad o factor Q (1/tan \delta) a la gama de
frecuencias especificada. Los factores Q para estos varactores
semiconductores para frecuencias de hasta 2 GHz son habitualmente
muy buenos. Sin embargo, a frecuencias de más de 2 GHz, los
factores Q de estos varactores empeoran rápidamente. De hecho, a 10
GHz los factores Q para estos varactores son habitualmente de tan
sólo aproximadamente 30.
Han sido descritos varactores que utilizan una
cerámica ferroeléctrica en forma de película delgada como elemento
sintonizable por tensión en combinación con un elemento
superconductor. Por ejemplo, la Patente Estadounidense Nº 5.640.042
describe un varactor ferroeléctrico de película delgada que tiene
una capa de sustrato de soporte, una capa superconductora a alta
temperatura depositada sobre el sustrato, un ferroeléctrico en forma
de película delgada depositado sobre la capa metálica, y una
pluralidad de medios conductores metálicos que están dispuestos
sobre el ferroeléctrico de película delgada y son puestos en
contacto eléctrico con líneas de transmisión de RF en dispositivos
sintonizadores. En la Patente Estadounidense Nº 5.721.194 está
descrito otro condensador sintonizable que utiliza un elemento
ferroeléctrico en combinación con un elemento superconductor.
Kozyrev A. et al., "Ferroelectric Films:
Nonlinear Properties And Applications In Microwave Devices",
IEEE MIT-S International Microwave Symposium Digest,
US, Nueva York, NY, IEEE, 7-12 junio 1998, páginas
985-988, describen un varactor sintonizable por
tensión que tiene una capa dieléctrica sintonizable sobre un
sustrato y electrodos sobre la capa dieléctrica opuestos al
sustrato.
\newpage
Hay necesidad de varactores que puedan funcionar
a temperaturas superiores a las que son necesarias para la
superconducción y a frecuencias de hasta 10 GHz y más, manteniendo
al mismo tiempo elevados factores Q. Hay además necesidad de
dispositivos de microondas que incluyan tales varactores.
Un varactor dieléctrico sintonizable por tensión
incluye un sustrato que tiene una primera constante dieléctrica y
una superficie en general planar, una capa ferroeléctrica
sintonizable situada sobre la superficie en general planar del
sustrato, teniendo la capa ferroeléctrica sintonizable una segunda
constante dieléctrica que es mayor que la primera constante
dieléctrica, y electrodos primero y segundo situados sobre una
superficie de la capa ferroeléctrica sintonizable que es la
superficie opuesta a la superficie en general planar del sustrato.
Los electrodos primero y segundo están separados formando un
entrehierro entre los mismos. Una tensión de polarización aplicada
a los electrodos varía la capacidad del varactor entre una entrada y
una salida del mismo. La capa dieléctrica sintonizable incluye una
cerámica compuesta de titanato de bario y estroncio.
La invención incluye también variadores de fase
que incluyen los varactores anteriormente mencionados. Una
realización de tales variadores de fase incluye un acoplador de
anillo híbrido que tiene una entrada de RF y una salida de RF,
microcintas primera y segunda situadas sobre el acoplador de
anillo híbrido, una primera terminación reflectiva situada junto a
un extremo de la primera microcinta, y una segunda terminación
reflectiva situada junto a un extremo de la segunda microcinta,
incluyendo cada una de las terminaciones reflectivas primera y
segunda uno de los varactores sintonizables.
Otra realización de tales variadores de fase
incluye una microcinta que tiene una entrada de RF y una salida de
RF, adaptadores radiales primero y segundo que parten de la
microcinta, un primer varactor situado dentro del primer adaptador
radial, y un segundo varactor situado dentro del segundo adaptador
radial, siendo cada uno de los varactores primero y segundo uno de
los varactores sintonizables anteriormente mencionados.
Los varactores ferroeléctricos planares de la
presente invención pueden ser usados para producir un
desplazamiento de fase en varios dispositivos de microondas y en
otros dispositivos tales como filtros sintonizables. Los
dispositivos de la presente son de diseño singular y presentan una
baja pérdida de inserción incluso a frecuencias de más de 10 GHz.
Los dispositivos utilizan elementos dieléctricos peliculares o
masivos sintonizables de baja pérdida.
Podrá lograrse una plena comprensión de la
invención a la luz de la siguiente descripción de las
realizaciones preferidas considerada en conjunción con los dibujos
acompañantes, en los cuales:
La Fig. 1 es una vista superior en planta de un
varactor dieléctrico planar sintonizable por tensión construido
según la presente invención;
la Fig. 2 es una vista del varactor de la Fig. 1
en sección practicada según la línea 2-2;
las Figs. 3a, 3b y 3c son gráficos que ilustran
la capacidad y la tangente de pérdida de varactores sintonizables
por tensión construidos según la invención a varias frecuencias de
funcionamiento y para varias anchuras de entrehierro;
la Fig. 4 es una vista superior en planta de un
variador de fase con terminaciones reflectivas analógicas y con un
acoplador híbrido de anillo híbrido, que incluye varactores
construidos según la presente invención;
la Fig. 5 es un gráfico que ilustra el
desplazamiento de fase producido por el variador de fase de la
Fig. 4 a varias frecuencias y tensiones de polarización;
la Fig. 6 es una vista superior en planta de un
variador de fase de circuito de línea cargada con un varactor
planar construido según la presente invención;
la Fig. 7 es una representación del circuito
equivalente del variador de fase de la Fig. 6;
las Figs. 8a, 8b y 8c son gráficos que ilustran
datos de rendimiento simulado para el variador de fase de línea
cargada de la Fig. 6;
la Fig. 9 es una vista superior de un filtro
sintonizable de guiaondas con curva de respuesta con forma de
aleta con varactores planares construidos según la presente
invención; y
la Fig. 10 es un gráfico que ilustra los datos
medidos para el filtro sintonizable con curva de respuesta con
forma de aleta de la Fig. 9.
\newpage
Haciendo referencia a los dibujos, las Figs. 1 y
2 son vistas superior y en sección de un varactor 10 construido
según esta invención. El varactor 10 incluye un sustrato 12 que
tiene una superficie superior 14 que es en general planar. Una capa
ferroeléctrica sintonizable 16 está situada junto a la superficie
superior del sustrato. Los de un par de electrodos metálicos 18 y
20 están situados sobre la capa ferroeléctrica. El sustrato 12 está
hecho de un material que tiene una permitividad relativamente
baja, tal como MgO, alúmina, LaAlO_{3}, zafiro o una cerámica. A
los efectos de esta invención, una baja permitividad es una
permitividad de menos de aproximadamente 30. La capa ferroeléctrica
sintonizable 16 está hecha de un material que tiene una
permitividad que está situada dentro de una gama de permitividades
que va desde aproximadamente 20 hasta aproximadamente 2000, y
tiene una sintonizabilidad que está situada dentro de la gama de
sintonizabilidades que va desde aproximadamente un 10% hasta
aproximadamente un 80% a una tensión de polarización de
aproximadamente 10 V/\mum. En la realización preferida, esta
capa está hecha de titanato de bario y estroncio,
Ba_{x}Sr_{1-x}TiO_{3} (BSTO), donde x puede
ir de cero a uno, o cerámicas de material compuesto de
BSTO. Sin quedar limitados a los mismos, los ejemplos de tales materiales compuestos de BSTO incluyen los siguientes: BSTO-MgO, BSTO-MgAl_{2}O_{4}, BSTO-CaTiO_{3}, BSTO-MgTiO_{3}, BSTO-MgSrZrTiO_{6} y combinaciones de los mismos. La capa sintonizable tiene en una realización preferida una permitividad dieléctrica de más de 100 al ser sometida a típicas tensiones de polarización de c.c. como son por ejemplo las tensiones que van de aproximadamente 5 voltios a aproximadamente 300 voltios. Está formado entre los electrodos 18 y 20 un entrehierro 22 que tiene una anchura g. La anchura del entrehierro debe ser optimizada para incrementar la relación de la capacidad máxima C_{máx} a la capacidad mínima C_{\text{mín}}. (C_{máx}/C_{\text{mín}}) y para incrementar el factor de calidad (Q) del dispositivo. La anchura de este entrehierro es la que tiene la mayor influencia en los parámetros del varactor. La anchura óptima g vendrá determinada por la anchura para la cual el dispositivo tiene una máxima relación C_{máx}/C_{\text{mín}} y una mínima tangente de pérdida.
BSTO. Sin quedar limitados a los mismos, los ejemplos de tales materiales compuestos de BSTO incluyen los siguientes: BSTO-MgO, BSTO-MgAl_{2}O_{4}, BSTO-CaTiO_{3}, BSTO-MgTiO_{3}, BSTO-MgSrZrTiO_{6} y combinaciones de los mismos. La capa sintonizable tiene en una realización preferida una permitividad dieléctrica de más de 100 al ser sometida a típicas tensiones de polarización de c.c. como son por ejemplo las tensiones que van de aproximadamente 5 voltios a aproximadamente 300 voltios. Está formado entre los electrodos 18 y 20 un entrehierro 22 que tiene una anchura g. La anchura del entrehierro debe ser optimizada para incrementar la relación de la capacidad máxima C_{máx} a la capacidad mínima C_{\text{mín}}. (C_{máx}/C_{\text{mín}}) y para incrementar el factor de calidad (Q) del dispositivo. La anchura de este entrehierro es la que tiene la mayor influencia en los parámetros del varactor. La anchura óptima g vendrá determinada por la anchura para la cual el dispositivo tiene una máxima relación C_{máx}/C_{\text{mín}} y una mínima tangente de pérdida.
Una fuente de tensión controlable 24 está
conectada mediante las líneas 26 y 28 a los electrodos 18 y 20.
Esta fuente de tensión es usada para suministrar una tensión de
polarización de c.c. a la capa ferroeléctrica, controlando con ello
la permitividad de la capa. El varactor incluye también una
entrada de RF 30 y una salida de RF 32. La entrada y la salida de RF
están conectadas a los electrodos 18 y 20 respectivamente mediante
conexiones establecidas mediante soldadura indirecta o mediante
conexión eléctrica a través de una junta.
En las realizaciones preferidas, los varactores
pueden usar anchuras de entrehierro de menos de
5-50 \mum. El espesor de la capa ferroeléctrica va
desde aproximadamente 0,1 \mum hasta aproximadamente 20 \mum.
Un compuesto obturador 34 está situado dentro del entrehierro y
puede ser cualquier material no conductor que tenga una alta
resistencia a la perforación del dieléctrico para permitir la
aplicación de alta tensión sin que se produzca formación del arco a
través del entrehierro. En la realización preferida, el compuesto
obturador puede ser resina epoxi o poliuretano.
La otra dimensión que influencia
considerablemente el diseño de los varactores es la longitud L del
entrehierro que está ilustrada en la Fig. 1. La longitud L del
entrehierro puede ser ajustada a base de variar la longitud de los
extremos 36 y 38 de los electrodos. Las variaciones de la longitud
tienen un marcado efecto en la capacidad del varactor. La longitud
del entrehierro será optimizada para este parámetro. Una vez que ha
sido seleccionada la anchura del entrehierro, la capacidad deviene
una función lineal de la longitud L. Para una capacidad deseada, la
longitud L puede ser determinada experimentalmente o bien mediante
simulación por ordenador.
El espesor de la capa ferroeléctrica sintonizable
ejerce también un marcado efecto en la relación
C_{máx}/C_{\text{mín}}. El espesor óptimo de las capas
ferroeléctricas vendrá determinado por el espesor para el cual se
da la máxima relación C_{máx}/C_{\text{mín}}. La capa
ferroeléctrica del varactor de las Figs. 1 y 2 puede constar de una
película delgada, de una película gruesa o de material
ferroeléctrico masivo tal como titanato de bario y estroncio,
Ba_{x}Sr_{1-x}TiO_{3} (BSTO), BSTO y varios
óxidos o un material compuesto de BSTO con varios materiales
dopantes añadidos al mismo. Todos estos materiales presentan una
baja tangente de pérdida. A los efectos de esta descripción, para
un funcionamiento a frecuencias que van desde aproximadamente 1,0
GHz hasta aproximadamente 10 GHz, la tangente de pérdida iría
desde aproximadamente 0,0001 hasta aproximadamente 0,001. Para el
funcionamiento a frecuencias que vayan desde aproximadamente 10 GHz
hasta aproximadamente 20 GHz, la tangente de pérdida iría desde
aproximadamente 0,001 hasta aproximadamente 0,01. Para un
funcionamiento a frecuencias que vayan desde aproximadamente 20
GHz hasta aproximadamente 30 GHz, la tangente de pérdida iría desde
aproximadamente 0,005 hasta aproximadamente 0,02.
Los electrodos pueden ser fabricados con
cualquier configuración geométrica o forma que suponga un
entrehierro de anchura predeterminada. El amperaje requerido para la
manipulación de la capacidad de los varactores descritos en esta
invención es típicamente de menos de 1 \muA. En la realización
preferida, el material de los electrodos es oro. Sin embargo,
pueden ser también usados otros materiales conductores tales como
el cobre, la plata o el aluminio. El oro es resistente a la
corrosión y puede ser conectado eléctricamente a través de una junta
con facilidad a la entrada y a la salida de RF. El cobre
proporciona una alta conductividad, y sería típicamente recubierto
con oro para establecer una conexión eléctrica a través de una
junta o con níquel para la soldadura indirecta.
Las Figs. 1 y 2 muestran un varactor planar
sintonizable por tensión que tiene un electrodo planar con una
distancia de entrehierro predeterminada sobre un dieléctrico
sintonizable monocapa realizado en forma de dieléctrico masivo, de
película gruesa o de película delgada. La tensión aplicada produce
un campo eléctrico a través del entrehierro del dieléctrico
sintonizable que produce una variación global de la capacidad del
varactor. La anchura del entrehierro puede ser de 5 a 50 \mum,
en dependencia de las exigencias que deban ser satisfechas en
materia de rendimiento. El varactor puede ser a su vez integrado en
los de una miríada de dispositivos sintonizables tales como los
que son comúnmente usados en conjunción con varactores
semiconductores.
Las realizaciones preferidas de varactores
dieléctricos sintonizables por tensión de la invención tienen
factores Q que van desde aproximadamente 50 hasta aproximadamente
10.000 al funcionar a frecuencias que van desde aproximadamente 1
GHz hasta aproximadamente 40 GHz. En las Figs. 3a, 3b y 3c están
ilustrados la capacidad (en pF) y el factor de pérdida (tan
\delta) de los varactores medidos a 3, 10 y 20 GHz para
distancias de entrehierro de 10 y 20 \mum. Sobre la base de los
datos que están ilustrados en las Figs. 3a, 3b y 3c, los factores Q
para los varactores son aproximadamente los siguientes: 200 a 3
GHz, 80 a 10 GHz, y 45-55 a 20 GHz. En comparación
con ello, los típicos factores Q para los varactores de diodo
semiconductor de GaAs son los siguientes: 175 a 2 GHz, 35 a 10 GHz
y mucho menos a frecuencias aún más altas. Por consiguiente, a
frecuencias superiores o iguales a 10 GHz los varactores de esta
invención tienen factores Q mucho mejores.
La Fig. 4 muestra una vista superior de un
variador de fase 40 que tiene varactores que están construidos
según la invención y están destinados a ser usados dentro de la
gama de frecuencias de funcionamiento que va desde 1,8 hasta 1,9
GHz. El variador de fase 40 incluye un acoplador de anillo híbrido
42, dos terminaciones reflectivas 44, 46 y un circuito de
polarización conectado a los varactores como se ilustra en la Fig.
1 pero no ilustrado en la Fig. 4. Cada una de las terminaciones
reflectivas incluye una combinación en serie de un varactor
ferroeléctrico de las Figs. 1 y 2 y un inductor 48, 50. Dos
bloqueos de c.c. 52 y 54 están montados en los brazos de la
entrada 56 y la salida 58 del acoplador de anillo híbrido,
respectivamente. Los bloqueos de c.c. pueden ser construidos según
técnicas conocidas, tal como usando un condensador de montaje en
superficie de alta capacidad o un filtro de banda de paso de
distribución.
Para el variador de fase de la Fig. 4 fueron
obtenidos los resultados experimentales que están ilustrados en la
Fig. 5, dentro de la gama de las tensiones de polarización del
varactor aplicadas, de 0 a 300 voltios c.c. El factor de calidad es
de aproximadamente 110, con un error de desplazamiento de fase
relativo de menos de un 3% dentro de una gama de frecuencias de 1,8
a 1,9 GHz. La pérdida de inserción del variador de fase es de
aproximadamente 1,0 dB, que incluye 0,5 dB correspondientes a la
desadaptación y a las pérdidas en las películas metálicas. La
temperatura de funcionamiento del dispositivo era de 300ºK.
La Fig. 6 es una vista superior de un variador de
fase 60 de 10 GHz basado en un circuito de microcinta de línea
cargada 62. Están incorporados en los entrehierros 64, 66 de la
línea 62 dos varactores ferroeléctricos planares 10. Se da entrada
y salida a una señal de RF a través de microcintas 68 y 70 de 50
ohmios, respectivamente. La microcinta central tiene una impedancia
de 40 ohmios en este ejemplo. Como adaptación de impedancia son
usados adaptadores radiales de cuarto de onda 72, 74, 76 y 78. Los
varactores son sintonizados por la polarización de c.c. aplicada a
través del adaptador de contacto 80 y del conductor 82. Los dos
bloqueos de c.c. 84 y 86 son similares a los señalados en la Fig.
4. En la Fig. 7 está ilustrado el circuito equivalente del
variador de fase de la Fig. 6, sin los bloqueos de c.c. En las Figs.
8a, 8b y 8c están ilustrados los valores calculados de la pérdida
de inserción (S21), del coeficiente de reflexión (S11) y del
desplazamiento de fase (\Delta\phi) del dispositivo para
capacidades del varactor que van desde 0,4 pF hasta 0,8 pF. El
factor de calidad para el variador de fase de la Fig. 6 es de 180
grados/dB dentro de una gama de frecuencias de aproximadamente 0,5
GHz. Este dispositivo es apropiado para las aplicaciones en las
que las necesidades a satisfacer en materia del desplazamiento de
fase son de menos de 100 grados.
La Fig. 9 es una vista superior de un filtro
sintonizable 88 con cuatro varactores ferroeléctricos basado en
una curva de respuesta con forma de aleta simétrica en un guiaondas
rectangular. En esta realización de la invención se logra un filtro
sintonizable eléctricamente a temperatura ambiente montando varios
varactores ferroeléctricos en un guiaondas con curva de respuesta
con forma de aleta. La construcción que produce una curva de
respuesta con forma de aleta consta de tres placas de hoja de
cobre 90, 92 y 94 de un espesor de 0,2 mm situadas en el centro
del guiaondas 96 a lo largo de su eje longitudinal. Las dos placas
laterales con resonadores con curva de respuesta con forma de aleta
y de extremos en cortocircuito 98 y 100 están conectadas a tierra
debido al contacto con el guiaondas. La placa central 92 está
aislada para la tensión de c.c. del guiaondas mediante mica 102 y
104 y es usada para aplicar la tensión de control (U_{b}) a los
varactores dieléctricos sintonizables 106, 108, 110 y 112. Los
varactores ferroeléctricos sintonizables están soldados por
soldadura indirecta en el extremo de los resonadores con curva de
respuesta con forma de aleta entre las placas 90 y 92 y entre las
placas 94 y 92. Las alas 114 y 116 soportan las placas. La
respuesta de frecuencia del filtro de la Fig. 9 está ilustrada en
la Fig. 10. En la gama de frecuencias del \DeltaF de
sintonización \sim0,8 GHz (\sim4%), el filtro presenta unas
pérdidas de inserción (L_{0}) de no más de 0,9 dB y una anchura de
banda de \Deltaf/f \sim2,0% al nivel de L_{0}. El
coeficiente de reflexión para la frecuencia central era de no más
de -20 dB para cualquier punto de la banda de sintonización. El
número de bandas \Deltaf del filtro que están contenidas en la
gama de frecuencias del \DeltaF de sintonización era de
aproximadamente \DeltaF/\Deltaf = 2. Obsérvese que para
tensiones de polarización más altas es posible más sintonización
del filtro.
Utilizando la singular aplicación de dieléctricos
de baja pérdida (tan \delta < 0,02) de dimensiones
predeterminadas, esta invención aporta un varactor de alta potencia
y alta frecuencia que sobrepasa el funcionamiento a alta frecuencia
(> 3 GHz) de los varactores semiconductores. Es también
realizada en esta invención la utilización de estos varactores en
dispositivos sintonizables. Han sido descritos varios ejemplos de
aplicaciones específicas de los varactores en variadores de fase y
en un filtro sintonizable. Esta invención tiene muchas aplicaciones
prácticas, y podrán ser obvias para los expertos en la materia
muchas otras modificaciones de los dispositivos descritos sin
salir fuera del espíritu y del alcance de esta invención. Además,
los varactores dieléctricos sintonizables de esta invención tienen
una incrementada capacidad de manipulación de potencia de RF y un
reducido consumo de potencia y coste.
La invención aporta varactores sintonizables por
tensión masivos, de película gruesa y de película delgada que
pueden ser usados en dispositivos sintonizables por tensión a
temperatura ambiente tales como filtros, variadores de fase,
osciladores controlados por tensión, líneas de retardo y
resonadores sintonizables, o cualesquiera combinaciones de los
mismos. Se dan ejemplos para varactores, filtros sintonizables con
curva de respuesta con forma de aleta y variadores de fase. El
filtro con curva de respuesta con forma de aleta consta de dos o más
varactores y está basado en una curva de respuesta con forma de
aleta en un guiaondas rectangular. Los variadores de fase de los
ejemplos contienen terminaciones reflectivas con acopladores
híbridos y un circuito de línea cargada con la incorporación de
varactores planares. Los variadores de fase de los ejemplos pueden
funcionar a frecuencias de 2, 10, 20 y 30 GHz.
Claims (10)
1. Varactor dieléctrico sintonizable por tensión
(10) que comprende un sustrato (12) que tiene una primera
constante dieléctrica y tiene una superficie en general planar
(14); una capa ferroeléctrica sintonizable (16) situada sobre la
superficie en general planar del sustrato, teniendo la capa
ferroeléctrica sintonizable una segunda constante dieléctrica que es
mayor que dicha primera constante dieléctrica; y electrodos
primero y segundo (18, 20) situados sobre una superficie de la
capa ferroeléctrica sintonizable que es la superficie opuesta a la
superficie en general planar del sustrato, estando dichos
electrodos primero y segundo separados formando un entrehierro
(22) entre ellos; estando dicho varactor dieléctrico sintonizable
por tensión caracterizado por el hecho de que la capa
ferroeléctrica sintonizable comprende una cerámica de material
compuesto de titanato de bario y estroncio.
2. Varactor dieléctrico sintonizable por tensión
que es como el expuesto en la reivindicación 1 y comprende además
un material aislante (34) en dicho entrehierro.
3. Varactor dieléctrico sintonizable por tensión
que es como el expuesto en la reivindicación 1 y en cual una capa
ferroeléctrica sintonizable (16) tiene una permitividad que está
situada dentro de la gama de permitividades que va desde
aproximadamente 20 hasta aproximadamente 2000 y una
sintonizabilidad que está situada dentro de la gama de
sintonizabilidades que va desde aproximadamente un 10% hasta
aproximadamente un 80% a una tensión de polarización de
aproximadamente 10 V/\mum.
4. Varactor dieléctrico sintonizable por tensión
que es como el expuesto en la reivindicación 1 y en el cual el
ferroeléctrico sintonizable incluye una entrada de RF (30) y una
salida de RF (32) para pasar una señal de RF a través de la capa
ferroeléctrica sintonizable en una primera dirección, y en cual el
entrehierro discurre en una segunda dirección que es en sustancia
perpendicular a la primera dirección.
5. Variador de fase (40) con terminaciones
reflectivas que comprende un acoplador de anillo híbrido que tiene
una entrada de RF (56) y una salida de RF (58); adaptadores primero
y segundo situados en dicho acoplador de anillo híbrido (42); una
primera terminación reflectiva (44) situada junto a un extremo de
dicho primer adaptador; y una segunda terminación reflectiva (46)
situada junto a un extremo de dicho segundo adaptador; incluyendo
cada una de dichas terminaciones reflectivas primera y segunda un
varactor sintonizable (10) que comprende un sustrato (12) que
tiene una primera constante dieléctrica y tiene una superficie en
general planar (14), una capa ferroeléctrica sintonizable (16)
situada sobre la superficie en general planar del sustrato,
teniendo la capa ferroeléctrica sintonizable una segunda constante
dieléctrica que es mayor que dicha primera constante dieléctrica, y
electrodos primero y segundo (18, 20) situados sobre una
superficie de la capa ferroeléctrica sintonizable que es la
superficie opuesta a la superficie en general planar del sustrato,
estando dichos electrodos primero y segundo separados formando un
entrehierro entre ellos; estando dicho variador de fase
caracterizado por el hecho de que la capa ferroeléctrica
sintonizable comprende una cerámica de material compuesto de
titanato de bario y estroncio.
6. Variador de fase (40) con terminaciones
reflectivas como el expuesto en la reivindicación 5 y en el cual
cada una de dichas terminaciones reflectivas primera y segunda
incluye además un inductor (48, 50) que está conectado
eléctricamente en serie con dicho varactor.
7. Variador de fase (40) con terminaciones
reflectivas que es como el expuesto en la reivindicación 5 y
comprende además bloqueos de c.c. primero y segundo (52, 54),
estando dicho primer bloqueo de c.c. situado en dicha entrada de
RF, y estando dicho segundo bloqueo de c.c. situado en dicha salida
de RF.
8. Variador de fase (60) de línea cargada que
comprende una microcinta (62) que tiene una entrada de RF (68) y
una salida de RF (70); adaptadores radiales primero y segundo (72,
74) que parten de dicha microcinta; un primer varactor (10) situado
dentro de dicho primer adaptador radial; y un segundo varactor
(10) situado dentro de dicho segundo adaptador radial;
comprendiendo cada uno de dichos varactores primero y segundo un
sustrato (12) que tiene una primera constante dieléctrica y tiene
una superficie en general planar (14), una capa ferroeléctrica
sintonizable (16) situada sobre la superficie en general planar del
sustrato, teniendo la capa ferroeléctrica sintonizable una segunda
constante dieléctrica que es mayor que dicha primera constante
dieléctrica, y electrodos primero y segundo (18, 20) situados sobre
una superficie de la capa ferroeléctrica sintonizable que es la
superficie opuesta a la superficie en general planar del sustrato,
estando dichos electrodos primero y segundo separados formando un
entrehierro entre ellos; estando dicho variador de fase de línea
cargada caracterizado por el hecho de que la capa
ferroeléctrica sintonizable comprende una cerámica de material
compuesto de titanato de bario y estroncio.
9. Filtro sintonizable con curva de respuesta con
forma de aleta (88) que comprende un guiaondas rectangular (96);
tres placas conductoras (90, 92, 94) situadas a lo largo de un eje
longitudinal del guiaondas, estando una de dichas placas conductoras
aislada de dicho guiaondas; dos placas laterales (90, 94) que
tienen resonadores (98, 100) con curva de respuesta con forma de
aleta y de extremos cortocircuitados y están puestas a masa al
guiaondas; y una pluralidad de varactores (106, 108, 110, 112),
estando uno de dichos varactores acoplado eléctricamente a cada
uno de los resonadores con curva de respuesta con forma de aleta;
incluyendo cada uno de los varactores sintonizables un sustrato
(12) que tiene una primera constante dieléctrica y tiene una
superficie en general planar (14), una capa ferroeléctrica
sintonizable (16) situada sobre la superficie en general planar
del sustrato, teniendo la capa ferroeléctrica sintonizable una
segunda constante dieléctrica que es mayor que dicha primera
constante dieléctrica, y electrodos primero y segundo situados
sobre una superficie de la capa ferroeléctrica sintonizable que es
la superficie opuesta a la superficie en general planar del
sustrato, estando dichos electrodos primero y segundo (18, 20)
separados formando un entrehierro entre ellos; estando dicho filtro
sintonizable caracterizado por el hecho de que la capa
ferroeléctrica sintonizable comprende una cerámica de material
compuesto de titanato de bario y estroncio.
10. Varactor dieléctrico sintonizable por tensión
(10) que es como el expuesto en las reivindicaciones 1, 5, 8 ó 9 y
está caracterizado además por el hecho de que la cerámica de
material compuesto de titanato de bario y estroncio comprende
BSTO-MgO, BSTO-MgAl_{2}O_{4},
BSTO-CaTiO_{3}, BSTO-MgTiO_{3},
BSTO-MgSrZrTiO_{6} o combinaciones de los
mismos.
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