專利名稱：鐵電薄膜移相器及檢測與優(yōu)化其反射特性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波工程領(lǐng)域，涉及一種阻抗匹配的鐵電薄膜移相器及檢測與優(yōu)化其反射特性的方法。
背景技術(shù)：
相控陣天線在雷達及通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，在高精度相控陣天線中，移相器部分的費用約占整個天線成本的40％。到目前為止，研究得最為廣泛的移相器是基于鐵氧體塊材和半導體開關(guān)管制作的。由鐵氧體塊材制作的相控陣天線不容易加工此外其體積比較大，功耗大，并且波束掃描隨控制信號的響應(yīng)也比較慢。因此在某些要求波束快速掃描的領(lǐng)域有明顯的不足?；诎雽w開關(guān)管制作的相控陣天線，雖然可以滿足快速波束掃描的要求，但在微波及毫米波頻段，它會產(chǎn)生較高的損耗，導致其功率承載能力很有限。為了克服上述相控陣天線的缺點，從二十世紀六十年代以來，鐵電材料已被研究應(yīng)用于鐵電調(diào)制器件的制作，與鐵磁調(diào)制器件及半導體調(diào)制器件相比，基于鐵電材料制作的調(diào)制器件具有以下優(yōu)點調(diào)制速度快，體積小及重量輕，并且由于它們利用外加電場改變介電常數(shù)，所以功耗也很低。
到目前為止，在微波調(diào)制器件應(yīng)用領(lǐng)域研究最為廣泛的鐵電材料是鈦酸鍶鋇薄膜(BaxSr1-xTiO3)，分子式中x/(1-x)是鋇與鍶組份的比例，其x值可從0變到1，相應(yīng)的鈦酸鍶鋇薄膜的居里轉(zhuǎn)變溫度點可以從純鈦酸鍶薄膜的居里溫度點(小于0K)到鈦酸鋇薄膜的居里溫度點(約400K)，這樣通過調(diào)整鋇鍶組份的方法可以選擇鈦酸鍶鋇薄膜的工作溫區(qū)，通常當x取0.5時，鈦酸鍶鋇薄膜常被用來制作在室溫下工作的器件。
在由鐵電薄膜材料制作的移相器中，通常采用兩種結(jié)構(gòu)形式微帶線結(jié)構(gòu)和共面線結(jié)構(gòu)。前者需要設(shè)計一個偏置電路用來給鐵電薄膜施加外加電場，因此利用這種結(jié)構(gòu)制作的移相器具有較大的尺寸，不利于器件的小型化；后者利用共面線結(jié)構(gòu)的端口直接給鐵電薄膜提供外加電場，這樣的結(jié)構(gòu)不需要額外的偏置電路，因此這種結(jié)構(gòu)在鐵電薄膜移相器制作方面已得到很多應(yīng)用，尤其是以共面?zhèn)鬏斁€單周期性裝載鐵電可調(diào)電容的方案報導得最多。采用共面線結(jié)構(gòu)有下述優(yōu)點由于鐵電薄膜只存在于制作可調(diào)電容的區(qū)域，其它地方的鐵電薄膜均被腐蝕或者刻蝕掉，這樣可以減少介電損耗比較大的鐵電薄膜對整個器件損耗的影響；此外，由于介電常數(shù)比較大的鐵電薄膜僅僅存在于制作鐵電可調(diào)電容的區(qū)域，因此這種結(jié)構(gòu)還有助于實現(xiàn)器件與外電路的阻抗匹配。但在這種單周期性裝載鐵電可調(diào)電容的結(jié)構(gòu)中，隨著頻率的增加，其反射損耗變得越來越強，相應(yīng)的其傳輸損耗也逐漸惡化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠減小反射損耗、改善其傳輸特性，同時增加其工作頻率帶寬且使其阻抗高度匹配的鐵電薄膜移相器。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種檢測與優(yōu)化鐵電薄膜移相器的反射特性的方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種鐵電薄膜移相器，所述鐵電薄膜移相器為在共面線上雙周期性地裝載鐵電可調(diào)電容，該共面線包括一條傳輸線和兩個位于傳輸線兩側(cè)的接地面，接地面和傳輸線共同附著在基片的同一平面上，接地面與傳輸線之間是等寬度的縫。
進一步，所述裝載鐵電可調(diào)電容的間距是兩個不等長度的傳輸線，且該兩個不等長度的傳輸線相間地呈周期性排列。
進一步，所述的裝載鐵電可調(diào)電容為交叉指狀電容或者平行板電容。
進一步，所述傳輸線和所述接地面為金屬薄膜或者超導薄膜構(gòu)成。
進一步，所用基片材料為氧化鎂MgO或氧化鋁Al2O3或鋁酸鑭LaAlO3。
進一步，在制作所述裝載鐵電可調(diào)電容的區(qū)域內(nèi)均覆蓋有一定厚度的鐵電材料薄膜。
進一步，所述鐵電材料薄膜為鈦酸鍶鋇。
一種檢測與優(yōu)化鐵電薄膜移相器反射特性的方法，首先將相鄰兩段傳輸線的長度固定，改變裝載可調(diào)電容的位置，然后通過計算機仿真查看這種結(jié)構(gòu)的反射及傳輸特性曲線，主要關(guān)注其反射幅度的大小及工作帶寬的寬窄，調(diào)整裝載鐵電可調(diào)電容的位置，利用仿真得出的反射頻率響應(yīng)曲線，比較判斷出具有反射損耗比較小且工作帶寬又比合適的最終結(jié)構(gòu)。
與現(xiàn)有單周期性裝載可調(diào)電容結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明采用雙周期性裝載可調(diào)電容的辦法來降低移相器的反射損耗，保證了在較寬的工作頻段內(nèi)，移相器的反射損耗始終被控制在一個較低的水平，并且其反射損耗的極值保持在同一幅度；另外在較高的工作頻段內(nèi)，由于其反射損耗的降低，相對應(yīng)的其傳輸特性也有一定程度的提高，這有利于提高器件的品質(zhì)因子。


圖1是本發(fā)明鐵電薄膜移相器共面線結(jié)構(gòu)的截面示意圖；圖2是本發(fā)明鐵電薄膜移相器的阻抗匹配理論模型示意圖；圖3是本發(fā)明鐵電薄膜移相器的結(jié)構(gòu)的部分俯視圖；圖4是本發(fā)明實施例1的Lsect1取不同長度時的計算機仿真得出的頻率響應(yīng)曲線；圖5是本發(fā)明實施例2的計算機仿真得出的頻率響應(yīng)曲線。
具體實施例方式
圖1中，鐵電薄膜移相器的上層為導體薄膜30，中間是鐵電薄膜介質(zhì)20，下層是已知介電特性的常用介質(zhì)基片10，基片由氧化鎂(MgO)或氧化鋁(Al2O3)或鋁酸鑭(LaAlO3)材料制成。鐵電薄膜移相器為共面線結(jié)構(gòu)，共面線結(jié)構(gòu)是指上層共面導體薄膜30構(gòu)成的幾何結(jié)構(gòu)。圖3中，共面線結(jié)構(gòu)包括一條傳輸線2和兩個位于傳輸線2兩側(cè)的接地面(圖中未示出)，接地面和傳輸線2共同附著在基片10的同一平面上，接地面與傳輸線2之間是等寬度的縫，該傳輸線2上雙周期性裝載鐵電可調(diào)電容5，所裝載的鐵電可調(diào)電容5是交叉指狀電容，也可以為平行板電容。在制作可調(diào)電容的區(qū)域內(nèi)覆蓋有一定厚度的鐵電薄膜如鈦酸鍶鋇薄膜，傳輸線2和接地面均由常規(guī)金屬薄膜構(gòu)成，如金或銀或銅或鉑薄膜，也可以用超導薄膜構(gòu)成。
本發(fā)明中設(shè)計工作是利用微波仿真軟件如sonnet在計算機上進行的，移相器是按常用平面工藝制作的，即按光刻、干法刻蝕、切割、組裝等工藝步驟制作。在設(shè)計過程中，首先將相鄰兩段傳輸線2的長度固定，改變裝載可調(diào)電容5CBST1的位置，然后通過計算機仿真查看這種結(jié)構(gòu)的反射及傳輸特性曲線，主要關(guān)注反射損耗幅度的大小及移相器工作帶寬的寬窄，修改裝載鐵電可調(diào)電容5CBST1的位置，利用仿真得出的反射及傳輸頻率響應(yīng)曲線，比較判斷出具有反射損耗比較小且工作帶寬又比合適的最終結(jié)構(gòu)。
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步地描述實施例1圖2和3中，傳輸線21Lsect1和傳輸線22Lsect2均為傳輸線2的其中一部分，保持Lsect1和Lsect2的總長度不變，改變夾在Lsect1和Lsect2之間的鐵電可調(diào)電容5的位置，即連接在Lsect1末端的CBST1的位置。當鐵電可調(diào)電容5CBST1從單周期性結(jié)構(gòu)(即Lsect1＝Lsect2)增加Lsect1的長度時，從電路的輸入端向右看，其輸入阻抗會隨著CBST1的位置的不同而不同，也就是說輸入阻抗是Lsect1函數(shù)。針對采用雙周期性結(jié)構(gòu)設(shè)計的移相器來說，存在一個適當?shù)腃BST1的位置，即適當?shù)腖sect1長度，使得圖2中鐵電可調(diào)電容6CBST2與器件的輸入阻抗相匹配。從電路的頻率響應(yīng)特性曲線上來看，即電路的反射損耗比較小。在圖2和3中的所有的鐵電可調(diào)電容沒有區(qū)別，圖2中的CBST1和CBST2完全相同，為了方便解釋，二者僅僅標號不一樣。
圖4是本實施例1中，當Lsect1取不同長度式，器件的頻率響應(yīng)曲線。圖中曲線B為Lsect1和Lsect2非別取660微米時電路的反射特性曲線；曲線C為Lsect1和Lsect2非別取700微米和620微米時電路的反射特性曲線；曲線D為Lsect1和Lsect2非別取740微米和580微米時電路的反射特性曲線；曲線E為Lsect1和Lsect2非別取780微米和540微米時電路的反射特性曲線；曲線F為Lsect1和Lsect2非別取820微米和500微米時電路的反射特性曲線。從圖4中可以看出，顯然當Lsect1取曲線D所對應(yīng)的值(即Lsect1＝740微米，Lsect2＝580微米)時，在電路的整個工作頻率范圍內(nèi)，其反射損耗的極值始終保持在同一幅度。這說明此時電路的阻抗匹配在整個工作頻段內(nèi)均做得很好。與采用單周期性裝載鐵電可調(diào)電容制作的移相器的頻率響應(yīng)曲線(如圖4中的曲線B)相比，采用雙周期性裝載鐵電可調(diào)電容制作的移相器的工作頻率帶寬明顯拓寬了。
實施例2圖3中，在面積為5mm×10mm、表面鍍有金導電薄膜的且在形成可調(diào)電容5的區(qū)域沉積有300nm厚的鈦酸鍶鋇薄膜的氧化鎂基片1上，采用雙周期性結(jié)構(gòu)制作的如圖3所示的移相器結(jié)構(gòu)版圖。圖5是經(jīng)過計算機仿真優(yōu)化后得出移相器的頻率響應(yīng)曲線，其中，S11為移相器的反射損耗，S21為移相器的傳輸損耗。從圖5中可以看出，其工作頻率范圍從直流一直延伸到14GHz，并且在整個工作頻率范圍內(nèi)，其反射損耗的極值均小于-17dB，并且保持在同一幅度。本實施例中，仿真選取的MgO介電常數(shù)εr＝9.8，介電損耗1.6×10-6，沉積在氧化鎂基片1上的鈦酸鍶鋇薄膜的厚度為300nm，介電常數(shù)300，介電損耗0.05。
權(quán)利要求
1.一種鐵電薄膜移相器，其特征在于，所述鐵電薄膜移相器為在共面線上雙周期性地裝載鐵電可調(diào)電容，該共面線包括一條傳輸線和兩個位于傳輸線兩側(cè)的接地面，接地面和傳輸線共同附著在基片的同一平面上，接地面與傳輸線之間是等寬度的縫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移相器，其特征在于，所述裝載鐵電可調(diào)電容的間距是兩個不等長度的傳輸線，且該兩個不等長度的傳輸線相間地呈周期性排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的移相器，其特征在于，所述的裝載鐵電可調(diào)電容為交叉指狀電容或者平行板電容。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的移相器，其特征在于，所述傳輸線和所述接地面為金屬薄膜或者超導薄膜構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的移相器，其特征在于，所用基片材料為氧化鎂MgO或氧化鋁Al2O3或鋁酸鑭LaAlO3。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的移相器，其特征在于，在制作所述裝載鐵電可調(diào)電容的區(qū)域內(nèi)均覆蓋有一定厚度的鐵電材料薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的移相器，其特征在于，所述鐵電材料薄膜為鈦酸鍶鋇。
8.一種檢測與優(yōu)化權(quán)利要求1所述鐵電薄膜移相器反射特性的方法，其特征在于，首先將相鄰兩段傳輸線的長度固定，改變裝載可調(diào)電容的位置，然后通過計算機仿真查看這種結(jié)構(gòu)的反射及傳輸特性曲線，主要關(guān)注其反射幅度的大小及工作帶寬的寬窄，調(diào)整裝載鐵電可調(diào)電容的位置，利用仿真得出的反射頻率響應(yīng)曲線，比較判斷出具有反射損耗比較小且工作帶寬又比合適的最終結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鐵電薄膜移相器，為在共面線上雙周期性地裝載鐵電可調(diào)電容，共面線包括一條傳輸線和兩個位于傳輸線兩側(cè)的接地面，接地面和傳輸線共同附著在基片的同一平面上，接地面與傳輸線之間是等寬度的縫；本發(fā)明還公開了一種檢測與優(yōu)化鐵電薄膜移相器反射特性的方法，將相鄰兩段傳輸線的長度固定，改變裝載可調(diào)電容的位置，通過計算機仿真查看這種結(jié)構(gòu)的反射及傳輸特性曲線，調(diào)整裝載鐵電可調(diào)電容的位置，利用仿真得出的反射頻率響應(yīng)曲線，比較判斷出具有反射損耗比較小且工作帶寬又比合適的最終結(jié)構(gòu)。本發(fā)明可以增加移相器的工作頻率帶寬，在較高的頻率范圍內(nèi)，有利于提高器件的品質(zhì)因子。
文檔編號H03H9/00GK1780045SQ20051010578
公開日2006年5月31日 申請日期2005年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月29日
發(fā)明者張雪強, 孟慶端, 李翡, 孫亮, 黃建冬, 張強, 何豫生, 李春光, 何艾生, 黎紅 申請人:中國科學院物理研究所