Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 10
1.1. Фазированные антенные решетки 14
1.2. Основные характеристики перестраиваемых СВЧ устройств на основе сегнетоэлектрических материалов 24
1.3. Физические предпосылки использования сегнетоэлектриков в приборах СВЧ диапазона 29
1.4. Феноменологическое описание диэлектрического отклика сегнетоэлектрика . 37
1.5. Применение метода частичных емкостей и конформных отображений для расчета емкости слоистой структуры, содержащей сегнетоэлектрик 4 4
1.6. СВЧ фазовращатели на сегнетоэлектриках 47
ГЛАВА 2. Потери на СВЧ в электродах распределенных и сосредоточенных элементов на основе сегнетоэлектриков. Добротность фазовращателя на основе сегнетоэлектрика 68
2.1. Поглощение СВЧ энергии в сегнетоэлектрическом материале 6 9
2.2. Поглощение СВЧ энергии в линии передачи с тонким слоем диэлектрика 70
2.3. Поглощение СВЧ энергии в сосредоточенном элементе на основе сегнетоэлектрика 73
2.4. Потери в копланарной линии передачи, содержащей сегнетоэлектрическую пленку 76
2.5. Потери во внешних цепях фазовращателя на основе сегнетоэлектрика 77
2.6. Фактор коммутационного качества сегнетоэлектрического компонента 79
2.7. Теоретическая оценка достижимых значений добротности фазовращателей на основе сегнетоелектрика 80
ГЛАВА 3. СВЧ характеристики планарного конденсатора 85
3.1. Моделирование и расчет емкости планарного конденсатора, содержащего тонкий слой сегнетоэлектрика, методом частичных емкостей 86
3.2. Моделирование и расчет емкости многослойного, сегнетоэлектрического, планарного конденсатора 91
3.3. Моделирование и расчет емкости слоистого планарного конденсатора на основе пленки переменного состава 104
ГЛАВА 4. Нелинейные планарные линии передачи на основе сегнетоэлектрика 116
4.1. Учет нелинейности сегнетоэлектрического слоя в модели планарного конденсатора 119
4.2. Учет нелинейности сегнетоэлектрического материала, входящего в состав планарных линий передачи 127
ГЛАВА 5. Дискретный, отражательный 180-градусный СВЧ фазовращатель на основе сегнетоэлектрика с минимальной чувствительностью к статистическому разбросу параметров схемы 136
5.1. Анализ эквивалентной схемы фазовращателя 136
5.2. Анализ чувствительности характеристик фазовращателя к статистическому разбросу параметров его схемы 145
5.3. Построение топологии фазовращателя на основании электродинамического анализа схемы 147
5.4. Экспериментальные результаты 151
Публикации по теме диссертации 159
Используемая литература 162
- Физические предпосылки использования сегнетоэлектриков в приборах СВЧ диапазона
- Поглощение СВЧ энергии в сосредоточенном элементе на основе сегнетоэлектрика
- Моделирование и расчет емкости многослойного, сегнетоэлектрического, планарного конденсатора
- Учет нелинейности сегнетоэлектрического материала, входящего в состав планарных линий передачи
Введение к работе
Сегнетоэлектрические материалы уже многие годы успешно используются для построения различных приборов обработки сигналов в диапазоне сверхвысоких частот. Благодаря таким свойствам, как высокие значения диэлектрической проницаемости, сравнительно невысокий уровень СВЧ потерь сегнетоелектрика, находящегося в парафазе, а также возможность электрического управления рабочими характеристиками сверхвысокочастотных устройств с помощью управляющего напряжения сегнетоэлектрические материалы нашли применение в таких классических СВЧ устройствах, как планарные конденсаторы с электрически управляемой емкостью, линии передачи с электрически управляемой фазовой скоростью перестраиваемые фильтры и резонаторы, в том числе высокодобротные, выполненные на монокристаллических образцах сегнетоэлектрика, параметрические усилители, фазовращатели. Кроме того, состояние вещества, при котором в сегнетоэлектрическом материале наблюдается спонтанная поляризация, используется в модулях оперативной компьютерной памяти так называемых DRAM (dielectric random memory), ведутся разработки энергонезависимой памяти на сегнетоэлектрике для компьютеров и мобильных устройств.
Сегнетоэлектрические материалы обладают рядом технических и экономических преимуществ, которые позволяют расширить возможности приборов и устройств, построенных на иных материалах и физических явлениях. Так СВЧ устройства на основе сегнетоэлектриков могут быть использованы в широком диапазоне значений уровня мощности, могут обеспечить высокое быстродействие при малом энергопотреблении по цепям управления (характерное время перестройки рабочих характеристик порядка десятков наносекунд) . Сегнетоэлектрики обладают большей, чем полупроводники, электрической и радиационной стойкостью, значительно более экономичны по энергопотреблению, чем ферриты. Технология изготовления пленок сегнетоэлектрических материалов сравнительно проста и дешева, а использование пленки сегнетоэлектрика на диэлектрической подложке обеспечивает реализацию СВЧ микросхем в полностью интегральном исполнении без операции ручного монтажа активных элементов, что позволяет значительно снизить себестоимость устройств на основе сегнетоэлектрика.
Начало изучения применения сегнетоэлектриков в технике СВЧ приходится на 1960-65 гг. Фаворитами СВЧ техники стали материалы, проявляющие сегнетоэлектрические свойства: виртуальные сегнетоэлектрики SrTi03, КТа03/ хорошо совместимые с ВТСП, устройства на основе которых функционируют в области азотных температур, а также сегнетоэлектрик переменного состава BaxSri_xTi03 (BST). Последнее соединение примечательно тем, что устройства на его основе имеют хорошую управляемость при комнатной температуре. Это связано со сравнительно высокой температурой сегнетоэлектрического фазового перехода этого соединения.
Одним из наиболее интересных применений сегнетоэлектриков в СВЧ технике стали фазовращатели, играющие значительную роль в развитии современной техники антенн с электрическим управлением диаграммой направленности, которые могут войти в состав современных систем связи и устанавливаться, к примеру, на крышу автомобиля, или на стену дома для приема спутниковых сигналов (10 - 13 ГГц), использоваться в управляемых антеннах базовых станций сотовой связи (1-2 ГГц), антеннах для организации локальных компьютерных сетей (90 ГГц) и даже в системах обеспечения безопасности движения автомобиля (30 и 60 ГГц) . К настоящему времени основным конструктивным решением антенны с управляемой диаграммой направленности стала фазированная антенная решетка (ФАР), имеющая в своем составе тысячи или даже сотни тысяч фазовращателей. Высокая стоимость используемых в современных ФАР фазовращателей предопределила и нынешнюю судьбу ФАР. В настоящее время практически все существующие ФАР имеют исключительно военное применение.
Таким образом, перед сегнетоэлектрическими материалами открывается очевидная перспектива их использования в современных различных отраслях техники, как в коммерческих целях, к примеру, при массовом производстве фазовращателей, предназначенных для ФАР различного назначения, так, скажем, при работе в космосе в условиях повышенной радиации, где сегнетоэлектрические материалы могут оказаться просто незаменимыми.
Помимо перечисленных преимуществ сегнетоэлектрических материалов существует и ряд проблем, ограничивающих применение сегнетоэлектриков в технике СВЧ:
Сравнительно низкая добротность СВЧ устройств на основе пленочных образцов сегнетоэлектриков,
Изменение свойств сегнетоэлектрика, так назьюаемое "старение" материала, находящегося под большим напряжением,
Температурная зависимость параметров сегнетоэлектрика,
Отсутствие разработанной технологии производства интегральных схем, содержащих слои сегнетоэлектрика.
Несмотря на то, что практически все перечисленные проблемы были сформулированы еще 30 лет назад, к их решению вплотную подошли только сейчас. Связано это с существенными успехами, достигнутыми в последние годы в области синтеза тонких сегнетоэлектрических пленок. Стали появляться публикации по термостабилизации устройств на основе сегнетоэлектрика, по изучению эффекта "старения" сегнетоэлектрического материала и, что особенно важно, начал изучаться вопрос влияния технологических параметров роста сегнетоэлектрических пленок на характеристики СВЧ устройств.
Таким образом, применение сегнетоэлектрических материалов в различных СВЧ-устройствах требует детальной разработки моделей сегнетоэлектрического элемента, которые затем могут быть использованы как в качестве основы для САПР СВЧ-устройств на основе сегнетоэлектрика, так могут быть полезны при обработке результатов эксперимента с целью исследования свойств рассматриваемых образцов и отладки технологии напыления пленок сегнетоэлектриков, что, в свою очередь, чрезвычайно важно для увеличения качества сегнетоэлектрического компонента, а также хорошей повторяемости характеристик устройств на сегнетоэлектрике, особенно необходимой при массовом производстве.
Целью диссертационной работы является исследование планарных сегнетоэлектрических структур с целью усовершенствования характеристик управляемых СВЧ устройств, в том числе сегнетоэлектрического фазовращателя, а также формулировка и решение ряда проблем, ограничивающих применение сегнетоэлектрических пленок в составе любого СВЧ устройства.
В соответствии с указанной целью решались следующие научные задачи:
Исследование характеристик структур на распределенных и сосредоточенных сегнетоэлектрических элементах, диссипации СВЧ энергии в проводящих электродах СВЧ линии передачи на основе сегнетоэлектрика.
Учет нелинейности диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрического слоя в модели планарного конденсатора методом минимизации свободной энергии.
Исследование влияния нелинейности диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика на характеристики передачи планарных линий на основе сегнетоэлектрика.
Исследование планарного конденсатора на основе сегнетоэлектрика с тонким подслоем линейного диэлектрика с целью совершенствования технологии планарного конденсатора.
Исследование пленок BSTO переменного состава по толщине для расширения рабочего интервала температур СВЧ устройств на основе сегнетоэлектрика.
Разработка и испытание отражательного микрополоскового СВЧ фазовращателя на основе сегнетоэлектрика в интегральном исполнении с минимальной чувствительностью к статистическому разбросу параметров схемы.
Объектами исследования являются планарные полосковые, щелевые и копланарные линии передачи на основе сегнетоэлектрика, планарные сегнетоэлектрические конденсаторы, дискретный отражательный СВЧ фазовращатель на основе сегнетоэлектрика.
Основные методы исследования а) теоретические: методы теории длинных линий, методы теории цепей, метод конформных отображений, метод минимизации свободной энергии. б) экспериментальные. Защищаемые научные положения
Сегнетоэлектрические СВЧ устройства, работающие в диапазоне частот 1-50 ГГц, необходимо выполнять на основе сосредоточенных сегнетоэлектрических элементов. Это уменьшает СВЧ потери и увеличивает добротность СВЧ-устройства.
Использование метода минимизации свободной энергии позволяет расширить метод частичных емкостей для случая нелинейного диэлектрика при расчете емкости планарного конденсатора на основе сегнетоэлектрика. При этом эффективная длина силовой линии в нелинейном случае определяется величиной зазора конденсатора и поправкой, зависящей от толщины слоя сегнетоэлектрика.
Присуствие тонкого подэлектродного слоя линейного диэлектрика слабо влияет на управляемость планарного конденсатора, что позволяет использовать тонкий слой линейного диэлектрика для совершенствования параметров планарного конденсатора.
Емкость планарного конденсатора на основе пленки твердого раствора BSTO переменного состава по толщине определяется как совокупность параллельно соединенных элементарных конденсаторов, образованных слоями с разным содержанием бария.
Новые научные результаты работы
Исследовано влияние потерь в электродах линии передачи и сосредоточенного элемента на основе сегнетоэлектрика, позволяющее сделать вывод о том, что сегнетоэлектрические СВЧ-устройства, работающие в диапазоне частот 1-50 ГГц целесообразно выполнять в виде сосредоточенных сегнетоэлектрических элементов. Это уменьшает СВЧ потери и увеличивает добротность СВЧ-устройства.
Предложена и экспериментально обоснована модель учета нелинейности диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика, позволяющая расширить метод частичных емкостей для случая нелинейного диэлектрика при расчете емкости планарного конденсатора на основе сегнетоэлектрика.
Предложена модель эффективной диэлектрической проницаемости пленки сегнетоэлектрика типа BSTO переменного состава по толщине, позволяющая расширить метод частичных емкостей для случая слоистой пленки.
Исследовано влияние тонкого подэлектродного слоя линейного диэлектрика на СВЧ характеристики планарного конденсатора на основе сегнетоэлектрика.
Исследовано влияние нелинейности диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика на характеристики передачи планарных линий на основе сегнетоэлектрика.
Выполнен анализ чувствительности фазочастотной характеристики предложенного в работе фазовращателя к статистическому разбросу параметров его схемы.
Проведен анализ вклада потерь в проводниках СВЧ фазовращателя, выполненного в виде единой интегральной схемы СВЧ на основе сегнетоэлектрика, и показано, что величина потерь в проводниках, в этом случае, того же порядка, что величина потерь в сегнетоэлектрическом конденсаторе.
Практическая ценность работы
Показано, что одним из способов совершенствования СВЧ характеристик планарного сегнетоэлектрического конденсатора является введение в структуру конденсатора тонкого подэлектродного слоя линейного диэлектрика с малыми потерями.
Показано, что реализация управляемых СВЧ устройств на основе пленок BSTO переменного состава по толщине позволяет обеспеченить устойчивую работу СВЧ устройств на основе сегнетоэлектрика в широком интервале температур от -30С до +60С.
Получены аналитические выражения для расчета характеристик передачи планарных линий на основе сегнетоэлектрика. Показано, что управляемость копланарной линии передачи на объемном кристалле сегнетоэлектрика (монокристалле) в квазистатическом приближении определяется управляемостью сегнетоэлектрика и шириной центрального проводника, слабо зависит от величины зазора и не зависит от толщины монокристалла. 4. Разработана методика инженерного расчета основных характеристик отражательных СВЧ-фазовращателей на основе сегнетоэлектрика. Предложена и реализована оригинальная конструкция отражательного СВЧ фазовращателя на основе сегнетоэлектрика, выполненная в виде единой интегральной схемы СВЧ. Показано, что чувствительность фазочастотной характеристики фазовращателя к статистическому разбросу параметров его схемы определяется, главным образом, управляемостью элемента перестройки (в данном случае -управляемостью сегнетоэлектрического конденсатора). Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 139 наименований. Основная часть работы изложена на 142 страницах машинописного текста. Работа содержит 58 рисунков и 22 таблицы.
Физические предпосылки использования сегнетоэлектриков в приборах СВЧ диапазона
Начало изучения применения сегнетоэлектриков в технике СВЧ приходится на 1960-65 гг. В результате этих и последующих работ были определены наиболее интересные области применения сегнетоэлектриков для СВЧ устройств: перестраиваемые резонаторы, фильтры и фазовращатели. С 1992 г., благодаря интенсивному развитию технологии высокотемпературных сверхпроводников, появилась возможность на новой технологической базе обратиться к совершенствованию СВЧ приборов на СЭ. В частности, в середине 90-х годов особый интерес к сегнетоэлектрикам на СВЧ возник после начала финансирования Агентством DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency)(США) программы: "Frequency Agile Materials for Electronics". Одним из основных направлений финансирования в рамках этой программы стали различные перестраиваемые устройства на сегнетоэлектрических материалах.
Начиная с 2000 года по настоящее время достойным подтверждением неугасагацего интереса к сегнетоэлектрикам на СВЧ стали выступления представителей лабораторий различных стран, на международных симпозиумах, таких как: International Symposium on Integrated Ferroelectrics (ISIF) [1-12,10 ,11 ], International Microwave Symposium (IMS) [13-21], European Microwave Conference (EuMC) [22-25], Applied Superconductivity conference (ASC) [26-29,15 ]. Вначале обсуждались возможности применения сегнетоэлектрических материалов исключительно в военных интересах, например, в основе СВЧ перестраиваемых фильтров, которые могут применяться в системах защиты радиолокаторов от помех [30] или в качестве активньк элементов ФАР (фазированной антенной решетки), . устанавливаемые на передвижные системы ПВО [31] .
В последнее время волна интереса к применению сегнетоэлектриков на СВЧ перешла в новое русло и связана она теперь, с развитием электрически перестраиваемых антенн или фазированных антенных решеток (ФАР), которые могут войти в состав современных систем связи [32] и устанавливаться, к примеру, на крышу автомобиля, или на стену дома для приема спутниковых сигналов (10 - 13 ГГц), использоваться в управляемых антеннах базовых станций сотовой связи (1-2 ГГц), антеннах для организации локальных компьютерных сетей (90 ГГц) и даже в системах обеспечения безопасности движения автомобиля (30 и 60 ГГц) .
Одна из первых антенн с электрическим управлением была построена в 1937 г. для трансатлантической радиотелефонной линии связи [33-35]. Эта антенна представляла собой систему ромбических антенн, расположенных вдоль прямой на участке около 1,5 км. Естественно, что о механическом наклоне такой системы не могло быть и речи. Поэтому управление диаграммой направленности осуществлялось электрическим способом путем изменения фазовых соотношений между токами в отдельных ромбах.
Аналогичное положение получается при сооружении гигантских радиотелескопов в виде систем зеркал или радиоинтерферометров, имеющих размеры, измеряемые многими километрами. Позже, в 1947 г. была реализована и первая ФАР с механическими роторными фазовращателями [35] .
Принципиальная возможность электрического управления лучом антенны была известна в 20 - 30-х годах, т.е. в период зарождения и первоначального развития антенной техники [36-40]. Антенны с управляемой диаграммой стали широко применять, начиная с 1953 - 1955 гг., когда развитие авиационной и ракетной техники выдвинуло новые требования к антенным устройствам.
В СССР первая ФАР на ферритовых фазовращателях была разработана в 1955 г. в Ленинградском электротехническом институте (ЛЭТИ) под руководством проф. Ю.Я. Юрова (рис. 1.1) [41] . Первые ФАР были осуществлены на основе ферритовых фазовращателей, в конце 60-ых годов им на смену пришли фазовращатели на p-i-n диодах, затем появились фазоварщатели на полевых транзисторах, сегнетоэлектрических элементах и, наконец, фазовращатели на основе МЭМК.
Активная ФАР для приема телевизионного сигнала со спутника, правда на p-i-n диодных фазовращателях, была недавно разработана Институтом Радиофизики (Москва) по заказу корейской фирмы (рис.1.2) [42]. Качание диаграммы направленности антенны по углу места осуществлялось электронным образом, а по азимуту антенна вращалась с помощью электропривода. Антенна была предназначена для установки на крышу автобуса и могла принимать спутниковые сигналы при движении автобуса. Разработка успешно прошла испытания, но в серийное производство она не поступила, поскольку ее стоимость превышала стоимость самого автобуса!
Основным элементом ФАР, как известно, является фазовращатель, а точнее набор перестраиваемых фазовращателей, обеспечивающих отклонение диаграммы направленности антенны на требуемый угол (рис. 1.3). Для обеспечения достаточно высокой направленности антенны приходится неизбежно увеличивать ее апертуру, а, значит, и число фазовращателей. Все современные ФАР имеют в своем составе тысячи или даже сотни тысяч фазовращателей [31]. При стоимости одного фазовращателя $50 (например, p-i-n диодный фазовращатель [43]) стоимость антенны, даже, при тысяче штук фазовращателей уже превысит $5000, тогда как для широкого коммерческого применения электрически управляемые антенны должны быть сильно дешевле, чем традиционные ФАР для военных применений [31,43].
Поглощение СВЧ энергии в сосредоточенном элементе на основе сегнетоэлектрика
Этот механизм потерь проявляется в ценросимметричных кристаллах при приложении к ним постоянного смещения. Вклад квазидебаевского механизма потерь в диэлектрический отклик материала может быть представлен в следующем виде [83] : где (02 - обратное время релаксации фононной функции распределения, А2(к) - коэффициент, характеризующий степень вклада рассмотренного механизма потерь в общие потери кристалла. В работе [83] были сделаны следующие оценки: fi =со2/2л = 30 GHz, Л2(0) = 0.3. Функция А2(х) представлена аппроксимацией (см. Табл. 1.3). 3) Электрострикционное преобразование колебаний СВЧ поля в акустические колебания в присутствии постоянного поля заряженных дефектов. Как правило, сегнетоэлектрический кристалл содержит заряженные дефекты. В постоянном поле, создаваемом заряженным дефектом, при наличии переменного СВЧ поля может возникать явление электрострикции [47], в результате чего СВЧ колебания преобразуются в акустические колебания образца. Частотная зависимость поглощения энергии в результате этого преобразования носит релаксационный характер. Время релаксации, в данном случае, определяется характерным размером дефекта, который зависит от процесса роста образца. Вклад присутствия заряженных дефектов в потери сегнетоэлектрического материала был подробно исследован в работах [91,92] и может быть представлен следующим выражением:
На основании большого числа экспериментальных данных было установлено, что величина, обратная времени релаксации. Величина S/ являющаяся характеристикой структурного качества кристалла, в данном случае связана с плотностью дефектов, а А3 = 0,05 и не зависит от содержания бария [91,6 ]. 4) низкочастотная релаксация
Экспериментальные исследования BSTO образцов обнаруживают размытый максимум тангенса угла потерь в области частот
Природа этих потерь до сих пор до конца не объяснена. Однако для их описания можно предположить, что эти потери имеют релаксационный характер:
Таким образом, модельное описание диэлектрического отклика монокристалла сегнетоэлектрика на СВЧ описывается формулой (1.12). Сравнение модельного расчета и экспериментальных данных, взятых из различных работ [47,69-70,7 ], показало, что описанная феноменологическая модель хорошо ложится на экспериментальные точки (см. рис. 1.12 - 1.14) при следующих модельных параметрах (табл. 1.3) [б ].
Таблица 1.2. Параметры модели для теоретических Следует отметить, что произвести подбор нескольких параметров модели, удовлетворявших экспериментальным данным, является непростой задачей. Рассмотренный в работах [23,14 ] математический алгоритм поиска модельных параметров, вошедший в программный продукт под названием "Ferroelectric", позволяет производить оптимизацию сразу по нескольким параметрам модели и существенно снизить время обработки данных, что представляется весьма важной в дальнейшем задачей, как для разработки САПР сегнетоэлектрических СВЧ-устройств, так и для применения известных моделей для формирования стратегии исследования сегнетоэлектрических материалов с целью выяснения природы СВЧ потерь в них и последующего увеличения фактора коммутационного качества (ФКК) сегнетоэлектрического компонента [2] на СВЧ. Размерный эффект. Диэлектрические свойства пленок существенно отличаются от свойств монокристаллических образцов (см. рис. 1.12 а и рис. 1.12 б для STO образцов, а также рис. 1.12 в и рис. 1.12 г для BSTO образцов) . К примеру, в случае STO температурная зависимость диэлектрической проницаемости пленки в отсутствие внешнего электрического воздействия в области температур 30-50 К имеет максимум [100,101]. Проницаемость пленок STO и BSTO в точке максимума почти на порядок меньше, чем для монокристаллов [47, 69-71] (рис. 1.12). Такая зависимость свойств материала от его толщины называется размерным эффектом и в случае сегнетоэлектриков вызывается пространственной корреляцией динамической поляризации в материале и граничными условиями для поляризации на границе электрод/сегнетоэлектрик [86,102]. Подробным исследованием корреляционных эффектов в сегнетоэлектрическом тонкопленочном конденсаторе и видом граничных условий в зависимости от используемого материала электродов, а также моделированием зависимости проницаемости виртуальных сегнетоэлектриков от приложенного поля и температуры с учетом размерного эффекта, занимались О.Г.Вендик, С.П.Зубко, Л.Т.Тер-Мартиросян в работах [79,86,99,103].
Моделирование и расчет емкости многослойного, сегнетоэлектрического, планарного конденсатора
Еще одна проблема, связанная со снижением быстродействия ФАР, в которой используются сегнетоэлектрические фазовращатели с аналоговым управлением - это необходимость контроля за однозначностью связи напряжения и фазы фазовращателя. В частности с подобной проблемой столкнулись авторы работы [49] (см. раздел 1.1).
Несомненно, решение ряда перечисленных проблем весьма прозрачны, так, например, не потребуется контролировать однозначность связи напряжения и фазы фазовращателя, применив дискретное управление фазой, когда нужный дискрет (например, 45, 90, 180 и т.д.) обеспечивается при одном значении напряжения, характерного для всех фазовращателей. Увеличение ФКК перестраиваемого устройства может быть достигнуто путем совершенствования технологии выращивания пленок сегнетоэлектрика, т.е. путем подбора оптимальных технологических параметров (температуры подложки, состава мишени, парциального давления кислорода, расстояния мишень-подложка, толщины пленки и т.п. [53]), при которых достигается приемлемое для применений качество пленки сегнетоэлектрика. Как было установлено в работе [5,10 , 82], приемлемым можно считать такое качество пленки, для которой ФКК К 500 на частотах 10-20 ГГц (см. выражение (1.1)). Такой ФКК обеспечил бы добротность фазовращателя F 200 /дБ (см. выражение (1.2)) и вносимые потери в пределах 1 дБ, что позволило бы не использовать малошумящие усилители (МШУ) при установке таких фазовращателей в антенну. К сожалению, все разработанные до недавнего времени фазовращатели на сегнетоэлектрике имели добротность не более 100 /дБ [10 ,82]! Однако есть надежда, что технологи смогут в ближайшее время преодолеть этот барьер, подобно тому, как это произошло в случае полупроводниковых оптических лазеров.
Как было установлено в работах [5,46], применение дискретного управления фазовращателями, по сравнению с аналоговым, также может несколько снизить потери в них. Дискретное управление также позволяет повысить быстродействие ФАР, поскольку не требует предварительного запоминания в управляющем работой ФАР устройстве зависимостей фазы от напряжения для каждого из фазовращателей. Таким образом, решается и четвертая из перечисленных проблема. Кроме того, потери в проводящих электродах устройства могут быть уменьшены, например, если использовать, предложенные в работе [21] слоистые электроды, состоящие из чередующихся слоев диэлектрика и проводника, толщины которых оптимизированы с целью уменьшения потерь.
Для того чтобы получить приемлемую управляемость сегнетоэлектрического устройства необходимо прикладывать смещающее поле порядка 100 кВ/см. Под действием таких полей происходит не только требуемое изменение диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика, но и ряд особенностей: большая нелинейная электропроводность [114,115], уменьшение управляемости как результат «старения» образца [116]. Исследования указанных явлений могут бьггь объединены вместе с исследованиями "усталости поляризации" в сегнетоэлектрических компонентах, используемых для модулей оперативной памяти компьютера DRAM [117]. К сожалению деградация под действием больших полей, также как "усталость поляризации " сегнетоэлектрического компонента в составе модулей оперативной памяти компьютера до конца должным образом не изучены и не смоделированы. В работе [116], опубликованной группой ученых из Лозаннского Университета (Швейцария), были произведены первые исследования электрической деградации сегнетоэлектрических пленок, входящих в состав планарного конденсатора. К обкладкам конденсатора прикладывалось постоянное напряжение 100 - 250 В в импульсном режиме 107 циклов, причем импульсы были в одном случае однополярные, в другом разнополярные. Было установлено, что под действием однополярных импульсов управляемость конденсатора уменьшалась на 10%, в случае же разнополярных импульсов управляемость уменьшилась всего лишь на несколько процентов. Таким образом, прикладывая к конденсатору разнополярные импульсы напряжения, удается частично решить проблему электрической деградации материала сегнетоэлектрика. Несомненно, для реальной оценки "усталости" материала необходимо, как большее число экспериментов, так и большее число циклов приложения напряжения. Считается, что 109 циклов вполне достаточно, чтобы считать устройство электрически прочным и пригодным для эксплуатации [9,116].
Вторым вариантом решения проблемы деградации материала является использование такой конструкции конденсатора, которая позволила бы снизить прикладываемые напряжения. Конструкция такого квазипланарного конденсатора (рис. 1.18) была предложена в работе [19] в составе фазовращателя.
На подложку из сапфира напылялся нижний достаточно толстый металлический электрод Au/Pt (толщина электродов не указывалась). Затем с помощью магнетронного распыления наносилась пленка сегнетоэлектрика, делалось травление пленки в нужном месте и сверху снова напылялись электроды конденсатора, также достаточно толстые. Использование толстых слоев металлизации в этой конструкции позволили снизить потери в проводниках, а присутствие нижнего электрода привело к более эффективному использованию управляемости пленки сегнетоэлектрика при сравнительно невысоких напряжениях. Так управляемость в 2,5 была достигнута авторами при приложенном напряжении всего 17,5 В. Фазовращатель на квазипланарном конденсаторе имел аналоговое управление от 0 до 240 на частоте 10 ГГц и показал рекордное для фазовращателей на сегнетоэлектрике значение добротности F = 93 \дБ на частоте 6,3 ГГц. Примечательно также, что работа проводилась при поддержке американского агентства DARPA в рамках программы FAME, о которой упоминалось вначале диссертации.
Учет нелинейности сегнетоэлектрического материала, входящего в состав планарных линий передачи
Выражение (2.11) можно преобразовать к удобному для расчетов виду: что электроды конденсатора квадратные со стороной ). Зависимость эффективного тангенса потерь в металлических электродах сосредоточенного элемента S ejf от частоты представлена на рис. 2.2 (кривая 3) и рис. 2.4 (кривая 6), соответствующие С=1.0пФ и т= б Ю7 (Ом м)-1. Как можно видеть, в пределах частот 1-50 ГГц потери в сосредоточенном элементе существенно ниже, чем в распределенном. Кроме того, как видно из выражения (2.11) потери в электродах сосредоточенного элемента, также как и в случае распределенного, определяются соотношением глубины проникновения электромагнитного поля в проводник д2к и величиной зазора между электродами, и, что самое главное, существенно убывают с уменьшением длины сосредоточенного элемента [12 ]. Для проверки теоретического предположения о том, что потери в электродах линии передачи определяются соотношением глубины проникновения электромагнитного поля в проводник SSK и величиной зазора между электродами использовались экспериментальные данные по измерению фазовращателя на копланарной линии передачи [58], содержащего сегнетоэлектрическую пленку. Геометрические размеры фазовращателя представлены на рис. 2.1. Для выяснения влияния сегнетоэлектрического слоя на параметры распространения волны в такой копланарной линии был также выполнен электродинамический анализ, аналогичный представленному в работе [55]. Эффективный тангенс угла потерь в электродах линии передачи определялся с помощью следующего выражения: Результаты расчета эффективного тангенса угла потерь в металлических электродах копланарнои линии передачи по выражению (2.6) при d = 5,5 Ълкм и выражению (2.13) на основании электродинамического моделирования, а также взятые из экспериментальных измерений [58] на частоте 7,5 ГГц и нулевом постоянном смещении, приведены в таблице 2.1 [12 ]. Удельная электропроводность металла, взятая для расчета, составляет а = 6 107 (См м)-1 Как видно из таблицы 2.1, результаты электродинамического расчета и эксперимента совпадают с точностью до 1%. Для сравнения на рисунке 2.4 показаны результаты эксперимента для копланарнои линии передачи [58] (точки) и расчета (линия 1), выполненного с помощью выражения (2.6) для полосковой линии передачи (рис. 2.3) . Результаты расчета и эксперимента хорошо совпадают (с точностью до 2%) . Таким образом, приближенное выражение (2.6) может быть использовано для расчета эффективного тангенса потерь в электродах линии передачи на основе сегнетоэлектрика. Теперь перейдем к рассмотрению факторов, определяющих добротность фазовращателя на основе сегнетоэлектрика. Фазовращатель на основе сегнетоэлектрика может быть выполнен в виде единой интегральной схемы СВЧ с использованием микрополосковои или копланарнои линий передачи. Найдем потери в линии передачи на единицу длины. Предположим, что в линии передачи нет сегнетоэлектрического слоя, тогда полные потери в линии передачи будут определяться суммой потерь в проводниках (ссс) и потерями в диэлектрической подложке (0) . Таблица 2.1. Экспериментальные и расчетные значения эффективного тангенса угла потерь в металлических электродах фазовращателя на копланарной линии (геометрию см. рис. 2.1) и полосковои линии на частоте 7,5 ГГц и при нулевом постоянном смещении. (2.14) где Со - скорость света в вакууме в м/с; w - ширина микрополоска в м; Z0 - импеданс линии передачи в Ом; еец -эффективная диэлектрическая проницаемость линии передачи; f -рабочая частота в Гц. Предположим, что для микрополосковои Для микрополосковои линии передачи диэлектрические потери в дБ на длину волны [130]: Как правило для керамик tgdd пропорционален частоте. Для подложки из поликора на f = 10 ГГц диэлектрические потери на единицу длины волны ad = 0.014 дБ. Полные потери в микрополосковой линии на диэлектрической подложке описываются как: Таким образом, уменьшение потерь с частотой в проводниках компенсируется увеличением потерь в диэлектрике. Тогда полные потери во внешних цепях можно считать практически постоянными в диапазоне частот 1-50 ГГц и равными at = 0.15 дБ [12 ] . Для внешних цепей фазовращателя с эффективной длинной, оцениваемой как «4 [9,46], полные потери могут составить at 0.4 - 1.2 дБ. Введем добротность внешних цепей фазовращателя с как отношение фазового сдвига, обеспечиваемого фазовращателем, к потерям во внешних цепях. Тогда получим следующие оценки для Fext для фазовращателя, имеющего управляемый фазовый сдвиг до 360:
