RU132919U1

RU132919U1 - TUNABLE MICROWAVE RESISTOR

Info

Publication number: RU132919U1
Application number: RU2013121944/08U
Authority: RU
Inventors: Ирина Владимировна Вендик; Орест Генрихович Вендик; Павел Анатольевич Туральчук; Вячеслав Максутович Тургалиев; Михаил Александрович Одит
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2013-09-27

Abstract

1. Перестраиваемый микрополосковый резонатор СВЧ, содержащий диэлектрическую подложку, на одной стороне которой размещен металлический экран, а на другой - пленка ВТСП в виде двух полосковых проводников, торцы которых разделены зазором, и пленку сегнетоэлектрика, отличающийся тем, что пленка сегнетоэлектрика нанесена на вторую диэлектрическую подложку, содержащую зазор, сформированный пленочными металлическими электродами, и она примыкает к пленке ВТСП так, что размер и положение зазора в электродах, нанесенных на пленку сегнетоэлектрика, соответствуют зазору в пленке ВТСП.2. Перестраиваемый микрополосковый резонатор СВЧ, отличающийся тем, что в качестве сегнетоэлектрической пленки использована пленка сегнетоэлектрического материала, у которого температура Кюри ниже температуры перехода ВТСП в сверхпроводящее состояние.3. Перестраиваемый микрополосковый резонатор СВЧ, отличающийся тем, что полосковые проводники пленки ВТСП, разделенные зазором, имеют равную длину.1. A tunable microwave microstrip resonator containing a dielectric substrate, on one side of which there is a metal screen, and on the other is an HTSC film in the form of two strip conductors whose ends are separated by a gap, and a ferroelectric film, characterized in that the ferroelectric film is deposited on a second dielectric a substrate containing a gap formed by film metal electrodes, and it is adjacent to the HTSC film so that the size and position of the gap in the electrodes deposited on the film is a ferroelectric ka, corresponding to the gaps in the film VTSP.2. A tunable microwave microstrip resonator, characterized in that a film of a ferroelectric material is used as a ferroelectric film, in which the Curie temperature is lower than the temperature of the transition of the HTSC to the superconducting state. 3. Tunable microwave microstrip resonator, characterized in that the strip conductors of the HTSC film, separated by a gap, have an equal length.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области СВЧ микроэлектроники и предназначена для работы в составе фильтров СВЧ и генераторах СВЧ в качестве элемента с электрическим управлением резонансной частотой.The proposed utility model relates to the field of microwave microelectronics and is designed to operate as a part of microwave filters and microwave generators as an element with electrical control of the resonant frequency.

Известна конструкция перестраиваемого резонатора СВЧ, содержащая диэлектрическую подложку (MgO), пленку ВТСП (YBCO) в виде двух полосковых проводников разделенных зазором и пленку сегнетоэлектрика (STO), где пленки ВТСП и сегнетоэлектрика нанесены на одну подложку /Brian H. Moeckly, Luke S. - J. Peng, and Gerd M. Fischer, Member, Tunable HTS Microwave Filters Using Strontium Titanate Thin Films, IEEE transactions on applied superconductivity, Vol.13, No. 2, June 2003/. Зазор между полосковыми проводниками выполнен в виде встречно-штыревой структуры.A known construction of a tunable microwave resonator containing a dielectric substrate (MgO), an HTSC film (YBCO) in the form of two strip conductors separated by a gap, and a ferroelectric film (STO), where the HTSC and ferroelectric films are deposited on the same substrate / Brian H. Moeckly, Luke S. - J. Peng, and Gerd M. Fischer, Member, Tunable HTS Microwave Filters Using Strontium Titanate Thin Films, IEEE transactions on applied superconductivity, Vol.13, No. June 2, 2003 /. The gap between the strip conductors is made in the form of an interdigitated structure.

Недостатком известной конструкции является сложность изготовления резонатора. Для того чтобы физически разнести пленку сверхпроводника (YBCO) и пленку сегнетоэлектрика (STO), обладающих разными значениями потерь, пленка STO вытравливается в тех областях, на которые затем наносится пленка YBCO. Это обусловлено тем, что обе пленки находятся на одной подложке. Технологически сложно разместить две пленки на одной подложке и при этом сформировать их различную топологию так, чтобы пленки не имели физико-химического контакта. Кроме того, нанесение пленок выполняется с помощью технологии реактивного испарения (reactive coevaporation), которая является достаточно трудоемким технологическим процессом и, например, не позволяет создавать толстые пленки сегнетоэлектрика с большими значениями диэлектрической проницаемости и управляемости.A disadvantage of the known design is the complexity of manufacturing a resonator. In order to physically separate the superconductor film (YBCO) and the ferroelectric film (STO) having different loss values, the STO film is etched in the areas to which the YBCO film is then applied. This is due to the fact that both films are on the same substrate. It is technologically difficult to place two films on the same substrate and at the same time form their different topology so that the films do not have physico-chemical contact. In addition, the deposition of films is carried out using reactive coevaporation technology, which is a rather laborious technological process and, for example, does not allow the creation of thick ferroelectric films with large values of dielectric constant and controllability.

Еще одним недостатком известной конструкции является ее низкая управляемость (несколько единиц МГц при центральной частоте 1 ГГц) при значительных управляющих напряжениях до 100 В.Another disadvantage of the known design is its low controllability (several units of MHz at a center frequency of 1 GHz) with significant control voltages up to 100 V.

Наиболее близкой к предлагаемому резонатору по совокупности существенных признаков является конструкция перестраиваемого микрополоскового резонатора СВЧ, содержащего диэлектрическую подложку, на одной стороне которой размещен металлические экран, а на другой - пленка ВТСП в виде двух полосковых проводников, торцы которых разделены зазором, и пленку сегнетоэлектрика, нанесенную в области зазора поверх диэлектрической подложки и пленки ВТСП /US, патент на изобретение №1995/005472935А МПК H01P 1/18/.The closest to the proposed resonator in terms of essential features is the design of a tunable microwave microstrip resonator containing a dielectric substrate, on one side of which a metal screen is placed, and on the other side an HTSC film in the form of two strip conductors whose ends are separated by a gap, and a ferroelectric film deposited in the area of the gap over the dielectric substrate and the HTSC / US film, patent for invention No. 1995/005472935A IPC H01P 1/18 /.

Недостатком известной конструкции является то, что пленки высокотемпературного сверхпроводника и сегнетоэлектрического материала находятся в непосредственном физико-химическом контакте, так как созданы в одном технологическом цикле и размещены на одной общей подложке. Проводимость ВТСП-пленки зависит от ее совместимости с пленкой сегнетоэлектрика а также от технологического процесса, используемого при нанесении и обработки обеих пленок. Поэтому класс совокупностей обеих пленок ограничен теми пленками, которые наиболее совместимы. Также имеет место ограничение толщины пленки сегнетоэлектрика, поскольку он располагается над пленкой ВТСП, и пленка сегнетоэлектрика приводит к созданию дополнительных напряжений в ВТСП-пленке. В то же время, толщина пленки сегнетоэлектрика определяет максимальное значение управляющего напряжения и, как следствие, максимальную управляемость резонатора в целом.A disadvantage of the known design is that the films of the high-temperature superconductor and the ferroelectric material are in direct physical and chemical contact, as they are created in the same technological cycle and placed on the same common substrate. The conductivity of an HTSC film depends on its compatibility with a ferroelectric film and also on the process used in the deposition and processing of both films. Therefore, the class of aggregates of both films is limited to those films that are most compatible. There is also a limitation of the thickness of the ferroelectric film, since it is located above the HTSC film, and the ferroelectric film leads to additional stresses in the HTSC film. At the same time, the film thickness of the ferroelectric determines the maximum value of the control voltage and, as a consequence, the maximum controllability of the resonator as a whole.

Задачей, решаемой полезной моделью, является упрощение технологических процессов изготовления перестраиваемого микрополоскового резонатора и увеличение его собственной добротности без уменьшения его управляемости.The problem solved by the utility model is to simplify the manufacturing processes of a tunable microstrip resonator and increase its own Q factor without reducing its controllability.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемый резонатор, так же, как и известный, содержит диэлектрическую подложку, пленку ВТСП в виде двух полосковых проводников, торцы которых разделены зазором, и пленку сегнетоэлектрика. Но в отличие от известного, пленка сегнетоэлектрика нанесена на вторую диэлектрическую подложку, содержащую зазор, сформированный пленочными металлическими электродами, и примыкает к пленке ВТСП так, что размер и положение зазора в электродах, нанесенных на пленку сегнетоэлектрика, соответствуют зазору в пленке ВТСП.The problem is solved due to the fact that the proposed resonator, as well as the known one, contains a dielectric substrate, a HTSC film in the form of two strip conductors, the ends of which are separated by a gap, and a ferroelectric film. But unlike the known one, a ferroelectric film is deposited on a second dielectric substrate containing a gap formed by film metal electrodes and is adjacent to the HTSC film so that the size and position of the gap in the electrodes deposited on the ferroelectric film correspond to the gap in the HTSC film.

Техническим результатом, обеспечивающим решение задачи, является упрощение конструкции и увеличение собственной добротности без уменьшения управляемости перестраиваемого микрополоскового резонатора за счет разделения технологических процессов изготовления пленок ВТСП и сегнетоэлектрического материала.The technical result that provides a solution to the problem is to simplify the design and increase its own Q factor without reducing the controllability of the tunable microstrip resonator due to the separation of technological processes for the production of HTSC films and ferroelectric material.

Совокупность признаков, сформулированная в пункте 2 формулы ПМ, характеризует резонатор, в котором в качестве сегнетоэлектрической пленки использована пленка сегнетоэлектрического материала, у которого температура Кюри ниже температуры перехода ВТСП в сверхпроводящее состояние.The set of features formulated in paragraph 2 of the PM formula characterizes a resonator in which a film of a ferroelectric material is used as a ferroelectric film, in which the Curie temperature is lower than the temperature of the transition of the HTSC to the superconducting state.

Техническим результатом является отсутствие гистерезиса в управлении перестраиваемым микрополосковым резонатором.The technical result is the absence of hysteresis in the control tunable microstrip resonator.

Совокупность признаков, сформулированная в пункте 3 формулы ПМ, характеризует резонатор, в котором полосковые проводники пленки ВТСП имеют равную длину.The set of features formulated in paragraph 3 of the PM formula characterizes a resonator in which the strip conductors of an HTSC film are of equal length.

Техническим результатом является увеличение управляемости микрополоскового резонатора СВЧ при сохранении высокой собственной добротности резонатора.The technical result is to increase the controllability of the microstrip microwave cavity while maintaining a high intrinsic Q-factor of the resonator.

Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана структура перестраиваемого микрополоскового резонатора СВЧ, на фиг.2 показан график частотной зависимости коэффициентов передачи микрополоскового резонатора от управляющего напряжения.The utility model is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows the structure of a tunable microwave microstrip resonator, and Fig. 2 shows a graph of the frequency dependence of the transmission coefficients of a microstrip resonator against a control voltage.

Заявляемая конструкция представляет собой диэлектрическую подложку 1 (фиг.1) и пленку ВТСП в виде двух полосковых проводников 2, торцы которых разделены зазором 3, сегнетоэлектрическую пленку 4, нанесенную на вторую диэлектрическую подложку 5, содержащую зазор 6, сформированный металлическими электродами 7, и примыкает к пленке ВТСП так, что размер и положение зазора в электродах, нанесенных на пленку сегнетоэлектрика, соответствуют зазору в пленке ВТСП. С обратной стороны диэлектрической подложки 1 нанесен металлический экран 8.The inventive design is a dielectric substrate 1 (Fig. 1) and an HTSC film in the form of two strip conductors 2, the ends of which are separated by a gap 3, a ferroelectric film 4 deposited on a second dielectric substrate 5, containing a gap 6 formed by metal electrodes 7, and adjacent to the HTSC film so that the size and position of the gap in the electrodes deposited on the ferroelectric film correspond to the gap in the HTSC film. On the reverse side of the dielectric substrate 1, a metal screen 8 is applied.

При подаче постоянного напряжения смещения на проводники 2 пленки ВТСП, расположенной на первой диэлектрической подложке 1, изменяются диэлектрическая проницаемость пленки сегнетоэлектрика 4, расположенной на диэлектрической подложке 5. Это приводит к изменению емкости планарного конденсатора, образованного металлическими электродами 7 и сегнетоэлектрической пленкой 4. Изменение емкости планарного конденсатора ведет к изменению электрической длины резонатора и, как следствие, его резонансной частоты. Расчеты показывают, что наибольшая зависимость управляемости фильтра от приложенного напряжения смещения достигается при размещении управляющего конденсатора так, что полосковые проводники имеют равную длину /В.В.Плескачев, И.Б.Вендик. Оценка качества перестраиваемых СВЧ фильтров на сегнетоэлектрических конденсаторах. ЖТФ, 2003, т.73, вып.12, с.66-70/.When applying a constant bias voltage to the conductors 2 of the HTSC film located on the first dielectric substrate 1, the dielectric constant of the ferroelectric film 4 located on the dielectric substrate 5 changes. This leads to a change in the capacitance of a planar capacitor formed by metal electrodes 7 and a ferroelectric film 4. Change in capacitance a planar capacitor leads to a change in the electric length of the resonator and, as a consequence, its resonant frequency. Calculations show that the greatest dependence of the filter controllability on the applied bias voltage is achieved when the control capacitor is placed so that the strip conductors are of equal length / V.V. Pleskachev, I. B. Vendik. Quality assessment of tunable microwave filters on ferroelectric capacitors. ZhTF, 2003, v.73, issue 12, p.66-70 /.

Управляемость заявляемой конструкции иллюстрирует фиг.2, где представлены частотные зависимости коэффициентов передачи резонатора при отсутствии управляющего напряжения 9 и при подаче напряжения смещения 200 В 10.The controllability of the claimed design is illustrated in figure 2, which shows the frequency dependence of the transmission coefficients of the resonator in the absence of control voltage 9 and when applying a bias voltage of 200 V 10.

Добротность перестраиваемого микрополоскового резонатора определяется потерями в проводящих электродах и диэлектрике. Так как в качестве электродов используется ВТСП, то потерями в них можно пренебречь. Основное влияние на добротность резонатора будут оказывать потери в сегнетоэлектрической пленке, зависящие от тангенса угла диэлектрических потерь. Так как предложенная конструкция позволяет разнести технологические процессы изготовления пленок ВТСП и сегнетоэлектрического материала, это позволяет повысить качество сегнетоэлектрических пленок, упростить процесс их изготовления, добиться получения их оптимальных характеристик с наименьшим тангенсом угла диэлектрических потерь.The quality factor of a tunable microstrip resonator is determined by the losses in the conductive electrodes and dielectric. Since HTSC is used as electrodes, the losses in them can be neglected. The main influence on the Q factor of a resonator will be exerted by losses in the ferroelectric film, which depend on the tangent of the dielectric loss angle. Since the proposed design makes it possible to distinguish the technological processes for the production of HTSC films and ferroelectric material, this makes it possible to improve the quality of ferroelectric films, simplify the process of their manufacture, and obtain their optimal characteristics with the lowest dielectric loss tangent.

Пленка ВТСП может быть выполнена из высокотемпературного сверхпроводника состава YBa₂Cu₃O7-δ (YBCO). Подложка, на которую нанесена пленка ВТСП, предпочтительно выполняется из сапфира r-среза. В качестве материала сегнетоэлектрической пленки использован сегнетоэлектрический материал, у которого температура Кюри лежит ниже температуры перехода в сверхпроводящее состояние материла ВТСП. Это позволяет получить режим работы резонатора, при котором сегнетоэлектрическая пленка находится в параэлектрической фазе, что позволяет избежать гистерезисного типа зависимости поляризуемой сегнетоэлектрической пленки от приложенного напряжения. Сегнетоэлектрическая пленка может быть выполнена из сегнетоэлектрического материала SrTiO₃ или Ba_xSr_1-xTiO с низкой концентрацией бария (x≤0.5), температура Кюри которых ниже температуры перехода пленки ВТСП в сверхпроводящее состояние. Металлические электроды сегнетоэлектрического конденсатора предпочтительно выполнены из меди. Подложка, на которую наносится сегнетоэлектрическая пленка, предпочтительно выполнена из поликора. Сегнетоэлектрический конденсатор устанавливается на диэлектрическую подложку с ВТСП электродами посредством технологии поверхностного монтажа при условии совмещения зазора в электродах конденсатора с зазором в ВТСП электродах.The HTSC film can be made of a high-temperature superconductor with the composition YBa ₂ Cu ₃ O7-δ (YBCO). The substrate on which the HTSC film is applied is preferably made of r-cut sapphire. A ferroelectric material is used as the material of the ferroelectric film, in which the Curie temperature lies below the temperature of the transition to the superconducting state of the HTSC material. This makes it possible to obtain a cavity operating mode in which the ferroelectric film is in the paraelectric phase, which avoids the hysteresis type of the dependence of the polarized ferroelectric film on the applied voltage. The ferroelectric film can be made of the ferroelectric material SrTiO ₃ or Ba _x Sr _1-x TiO with a low concentration of barium (x≤0.5), the Curie temperature of which is lower than the transition temperature of the HTSC film to the superconducting state. The metal electrodes of the ferroelectric capacitor are preferably made of copper. The substrate on which the ferroelectric film is applied is preferably made of polycor. The ferroelectric capacitor is mounted on a dielectric substrate with HTSC electrodes by means of surface mounting technology, provided that the gap in the capacitor electrodes is combined with the gap in the HTSC electrodes.

Таким образом, заявляемая конструкция позволяет упростить конструкцию (технологический процесс ее получения) перестраиваемого микрополоскового резонатора с увеличением собственной добротности без уменьшения его управляемости.Thus, the claimed design allows you to simplify the design (the technological process of obtaining it) tunable microstrip resonator with an increase in their own quality factor without reducing its controllability.

Claims

1. A tunable microwave microstrip resonator containing a dielectric substrate, on one side of which there is a metal screen, and on the other is an HTSC film in the form of two strip conductors whose ends are separated by a gap, and a ferroelectric film, characterized in that the ferroelectric film is deposited on a second dielectric a substrate containing a gap formed by film metal electrodes, and it is adjacent to the HTSC film so that the size and position of the gap in the electrodes deposited on the film is a ferroelectric ka, corresponding to the gaps in the film HTS.

2. Tunable microwave microstrip resonator, characterized in that a ferroelectric material film is used as a ferroelectric film, in which the Curie temperature is lower than the temperature of the transition of the HTSC to the superconducting state.

3. Tunable microwave microstrip resonator, characterized in that the strip conductors of the HTSC film, separated by a gap, have an equal length.