CC BY
48!Т!
Электроника СВЧ
УДК 621.3.077.8, 621.389
Е. Ю. Замешаева, П. А. Туральчук, В. М. Тургалиев, В. В. Плескачев,
А. А. Семенов, М. Ф. Ситникова, И. Б. Вендик Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)
Планарные перестраиваемые СВЧ-фильтры
1
на пленках высокотемпературного сверхпроводника1
Представлены результаты моделирования и экспериментального исследования микрополосковых СВЧ-резонаторов и фильтров, управляемых сегнетоэлектрическими конденсаторами на основе пленок ББТ0 (при комнатной температуре) и БТ0 (в криогенных условиях). Охлаждаемые устройства выполнены на пленках высокотемпературного сверхпроводника состава УВо2Си307-5. Разработанные фильтры эффективно перестраиваются при приложении управляющего напряжения, обладают малыми габаритами и низким уровнем вносимых потерь.
СВЧ-фильтр, полосно-пропускающий фильтр, ВТСП, сегнетоэлектрик, вариконд, ЭТО, БЭТО, микрополосковый резонатор
Планарные частотно-избирательные СВЧ-уст-ройства находят широкое применение в различных системах связи. Наиболее распространены полосно-пропускающие фильтры (ППФ). Использование перестраиваемых или реконфигурируе-мых фильтров позволяет увеличить эффективность их применения за счет расширения функциональных возможностей. Наиболее востребован электронный метод управления, при котором характеристика фильтра изменяется под действием управляющего напряжения. Как правило, в резонаторы фильтра включается элемент, чувствительный к управляющему воздействию. Таким элементом может быть конденсатор, управляемый напряжением. Данный тип управления применяется в емкостных элементах типа варикап (полупроводниковый переменный конденсатор), вариконд (сегнетоэлектрический управляемый конденсатор), МЭМС-конденсатор и др.
В настоящей статье рассмотрена возможность применения варикондов для управления микро-полосковыми СВЧ-резонаторами и фильтрами на их основе, в том числе при криогенных температурах. Проведено сравнение характеристик резонатора и фильтра, управляемых при комнатной температуре варикондом на основе пленок
1 Работа выполнена при поддержке Минобрнауки Российской Федерации в рамках Государственного контракта № 11.519.11.1001 "Микроволновые устройства на основе высокотемпературных сверхпроводников и сегнетоэлектриков с электронным управлением и расширенными функциональными возможностями для применения в телекоммуникационных и информационных системах".
70 © Замешаева Е. Ю., Туральчук П. А., Тургалиев В. М., Плескачев В. В., Семенов А. А., Ситникова М. Ф., Вендик И. Б., 2013
ВахТЮз (ВБТО), а в криогенных условиях -варикондом на основе пленок БгТЮз (БТО).
Микрополосковые резонаторы, управляемые конденсатором. Для реализации планарных управляемых устройств СВЧ-диапазона применяются микрополосковые резонаторы, к достоинствам которых относят простоту расчета и изготовления. На рис. 1 представлены эквивалентные схемы управляемых микрополосковых резонаторов: короткозамкнутого (а) и разомкнутого (б), где 9о, 9g - электрические длины отрезков микрополосковых линий на нижней частоте пере-
страиваемого резонатора юо управляющего вариконда.
1ош '
С - емкость
а б
Рис. 1
Условия резонанса имеют вид:
- для короткозамкнутого резонатора:
Уо/(®0C)" tg 0Q + ctg ög = 0;
- для резонатора с разомкнутыми концами:
Уо/ (®0С) + ctg 0Q + ctg 6g = 0,
где У0 = 1/Z0 - волновая проводимость микропо-лосковой линии (Z0 - волновое сопротивление).
На верхней резонансной частоте Ю0 электрические длины отрезков составляют 760, yög соответственно, причем у = Ю0 jЮ01 - управляемость резонатора.
Благодаря более простой конструкции, позволяющей прикладывать управляющее напряжение без использования переходных межслойных отверстий, в дальнейшем в работе использовался микрополоско-вый резонатор с разомкнутыми концами. Его управляемость у находится из следующего уравнения:
п = ctg (760 ) + ctg (y9g ) у = ctg (00 ) + ctg (9g ) '
где n = C (0)/C (U0 ) - управляемость сегнето-
электрического конденсатора (вариконда).
Управляемость резонатора определяется при известной управляемости конденсатора п и выбранных значениях электрических длин отрезков 00, 0g, образующих резонатор и удовлетворяющих условию резонанса.
Зависимость управляемости резонатора с открытыми концами от электрических длин отрезков микрополосковых линий 00 и 0g анализировалась
в [1]. Наивысшее значение управляемости резонатора достигается при 00 = 0g, причем у < п.
Собственная добротность микрополосково-го резонатора Q, управляемого переменным конденсатором, рассчитывается по формуле
1/ Q = (1/ Q0 )(1 Ч) + 2 (tg 8Н,
где Q0 - добротность микрополосковой линии;
00/sin2 00 + 0g /sin2 0g П 1 ctg 00 + ctg 0g
диэлектрического материала. Добротность резонатора существенно зависит от фактора потерь 8 и коэффициента включения Свойства варикондов. Сегнетоэлектрические материалы характеризуются управляемостью п и фактором потерь 8. Относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков изменяется под воздействием температуры или управляющего напряжения. Характеристики и свойства пленок Вах8г[_хТЮ3 (ВБТО) зависят от концентрации Ва и толщины пленки. Управляемость и фактор потерь пленки БТО при 80 К и пленки ВБТО (х = 0.5) при 300 К имеют приблизительно одинаковое значение.
Важным критерием для сравнения управляемых устройств является коммутационное качество управляющих компонентов [2]:
(п -1)2/(n tg Siow tg SUp ).
- коэффициент включения, определяемый как отношение энергии, запасенной в вариконде, к энергии, запасенной в резонаторе на нижней резонансной частоте; 8 - тангенс угла потерь
К = (п _
Типовые значения коммутационного качества для пленок БТО при 80 К составляют К = 1000, для пленок ВБТО (х = 0.5) при 300 К К = 6000 на частоте / = 10 ГГц при напряженности управляющего поля Е0 = 100 кВ/см.
В настоящей статье представлены результаты исследования двух типов варикондов. Вариконд первого типа выполнен на основе пленки ВБТО по топологии встречно-штыревого преобразователя (рис. 2, а). Он имеет следующие параметры: максимальную емкость при нулевом напряжении С(0) = 1.9 пФ, управляемость п « 2 (при и = 0... 200 В), 8« 0.01. Вольт-фарадная характеристика этого вариконда приведена на рис. 2, б. Ва-риконд второго типа выполнен на основе БТО-ке-рамики, имеет габариты 1 х 2.5 мм и ширину зазора 5 мкм (рис. 3, а). Его емкость, измеренная при температуре Т = 100 К, изменяется от 0.46 пФ при и = 0 до 0.34 пФ при и = 200 В, управляемость составляет п «1.35, 8 = 0.005 и не зависит от значения управляющего напряжения. Вольт-фа-радная характеристика вариконда второго типа представлена на рис. 3, б. Обе вольт-фарадные характеристики измерены на частоте 1 МГц.
Вариконды монтировались на подложках устройств с применением технологии поверхностного монтажа. Для приложения управляющего напряжения разработаны цепи подачи смещения на основе четвертьволновых шлейфов, что позволило реализовать развязку источников постоянного напряжения и СВЧ-тракта.
-200
-100
0 б
Рис. 2
100
и, В
-200
-100
0 б
Рис. 3
100
и, В
На рис. 4 представлены топология (рис. 4, а) и экспериментальные характеристики (рис. 4, б), полученные при комнатной температуре для полуволнового резонатора с разомкнутыми концами, изготовленного на поликоровой подложке толщиной 0.5 мм. В качестве управляющего эле-
-5
-15 -
-25
1*211, дБ
мента использован встречно-штыревой ВБТО-ва-риконд (рис. 2, а).
При варьировании управляющего напряжения в пределах от 0 до 200 В управляемость конденсатора составила п « 2, tg 8« 0.01, фактор ком -мутационного качества К = 4000. При этом управляемость резонатора составила у = 1.16.
Аналогичный резонатор, управляемый БТО-ва-рикондом, имеет характеристики, показанные на рис. 4, в. При Т = 77 К управляемость конденсато-ра п « 2, tg 8 = 0.005... 0.01, управляемость резонатора у = 1.15, его добротность Q = 50.150.
Моделирование и экспериментальное исследование характеристик устройств. Для сравнения характеристик управляемых резонатора и
2.0 2.2 /, ГГц
/у\\-
-15
-25
-35
1.4 1.5_1.6_1.7 / ГГц
1*211, дБ
и = 0 В
П?ч Г7Г7\
' \ / у. N
200
б
в
Рис. 5
фильтра при комнатной температуре и в криогенных условиях разработаны топологии устройств на поликоровой подложке (для измерений при T = 300 К) и на подложке из сапфира r-среза (для измерений при температуре T = 65...80 К). Для этих устройств использовались идентичные топологии резонатора и фильтра, показанные на рис. 5.
Топология разомкнутого микрополоскового резонатора с элементами возбуждения и цепями смещения, выполненного на подложке из поликора (диэлектрическая проницаемость sr = 9.8, tg 8 = 0.01)
толщиной 0.5 мм с медной металлизацией, представлена на рис. 5, а. В качестве управляющего элемента использован навесной BSTO-вариконд. Габариты подложки резонатора составили 30 х 20 мм. На идентичной подложке разработан фильтр второго порядка (эскиз топологии приведен на рис. 5, б), выполненный на резонаторах по рис. 5 а.
Экспериментальное исследование перестраиваемых резонаторов и фильтров производилось при нормальных условиях (t = 25 °C) с применением анализатора цепей Agilent N5241A. Напряжение смещения на BSTO-вариконде задавалось с помощью источника напряжения INSTEK GPR16H500 в диапазоне от 0 до 160 В.
В результате экспериментального исследования резонатора, управляемого BSTO-варикондом при T = 300 К, получены характеристики, представленные на рис. 6 сплошными линиями в
-20 -25
-30
-35
-40
f, ГГц
1^21 ^ дБ
сравнении с результатами электродинамического моделирования (штриховые линии). При изменении управляющего напряжения от 0 до 160 В емкость вариконда изменилась от 19 до 1.2 пФ. Получена управляемость резонатора у = 105; фактор потерь сегнетоэлектрика составил 8 = 0.09.
Фильтр второго порядка (рис. 5, б) продемонстрировал следующие экспериментальные параметры: управляемость фильтра
= 1.056,
У = Ю0
1 0up / 0low
потери в полосе пропускания 3.. .4.5 дБ.
Для сравнения характеристик фильтров применяется параметр качества фильтров (figure of
merit - FM) [3], дБ
-1 .
FM =
JqUUQ ow
4.34 N
(- Ш
где Qup, й™ - собственные значения добротности резонатора на верхней и нижней резонансных частотах; N - порядок фильтра. Таким образом, БЫ учитывает потери в фильтре и управляемость резонатора. Максимально достижимое значение параметра качества фильтра определяется коммутационным качеством управляемого элемента:
БЫ = 4к/(8.68 N). Для представленного на рис. 5, б фильтра по результатам экспериментального исследования БЫ = 0.53 дБ-1.
Уменьшение потерь в полосе пропускания может быть обеспечено применением пленок высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) и БТО-варикондов.
Для оценки характеристик управляемого ва-рикондом ВТСП-резонатора и фильтра второго порядка (см. рис. 5) при криогенных температурах устройства были выполнены на подложке из сапфира г-среза. Сапфир характеризуется анизотропной диэлектрической проницаемостью. Для
б
а
Г-i f\
l' Ь
r-среза сапфира при расположении микрополосковых линий под углом 45° к проекции главной кристаллографической оси на поверхность подложки тензор диэлектрической проницаемости становится диагональным. При этом можно ввести понятие эффективной изотропной диэлектрической проницаемости, которая при T < 100 К составляет sr = 10.06 [4]. Для сапфира в расчете
принято значение фактора потерь tg 8 = 5 -10-4. В качестве ВТСП применена пленка УБа2СизОу_8 (YBCO) толщиной 330 нм. Двухсторонняя пленка УБСО нанесена на обе стороны сапфировой подложки толщиной 0.43 мм и покрыта защитной пленкой золота толщиной 200 нм. Изготовитель -фирма "Theva" . В соответствии с данными изготовителя критическая температура Tc = 87 К. Поверхностное сопротивление на частоте 10 ГГц для T = 73 К Rs < 0.1 мОм. Фотография подложки с нанесенными на нее резонатором и фильтром второго порядка приведена на рис. 7.
Для оценки управляемости фильтра при низких температурах использована программа МИФ [5], предназначенная для расчета характеристик микрополосковых фильтров, выполненных на пленках ВТСП.
Фотография установленного в корпус микропо-лоскового ВТСП-резонатора, управляемого STO-ва-рикондом, приведена на рис. 8, а. Результаты электродинамического моделирования и экспериментального исследования его характеристик представлены на рис. 8, б. Измерения характеристик ВТСП-устройств выполнялись при давлении в вакуумной камере не выше 10_6 атм (0.101 Па) и рабочей температуре ВТСП 60.80 К. Рабочие условия обеспечивались откачным вакуумным постом Pfeiffer-Vacuum HiCube 80 и криогенной машиной Ricor K535. Исследование характеристик перестраиваемых ВТСП-резонаторов и фильтров выполнялось
а
1 http://www.theva.com 74
Рис. 7
с применением векторного анализатора цепей ZVH8 (Rohde& Schwarz). Напряжение смещения на STO-вариконде в диапазоне от 0 до 200 В задавалось источником напряжения НУ3005В-3.
По результатам экспериментального исследования резонатора при температуре 73 К и управляемости вариконда n = 1.15 (С = 0.46.0.4 пФ при изменении напряжения от 0 до 60 В) и значении фактора потерь сегнетоэлектрика tg 8 = 0.006 управляемость резонатора составила у = 0.02. Фактор коммутационного качества вариконда при этом K = 13 900.
Для проведения эксперимента в криогенных условиях промоделирован и изготовлен фильтр второго порядка, состоящий из микрополосковых резонаторов, управляемых STO-варикондом (рис. 5, б, 9, а). На рис. 9, б приведены характеристики фильтра, полученные при электродинамическом моделировании в программе МИФ (сплошные линии) и измеренные (штриховые линии) при температуре T = 70 К для двух значений управляющего напряжения. По результатам измерений у = 1.035,
FM = 0.93 дБ 1, уровень вносимых потерь в полосе пропускания фильтра составил 3.1.2 дБ.
6.0 6.2 6.4 6.6 6.8 f, ГГц
S, дБ
6.8 f, ГГц
-10-
-20-
-30
-40
Рис. 9
В настоящей статье представлены результаты теоретического анализа, электродинамического моделирования и экспериментального исследования характеристик управляемых варикондами микрополосковых резонаторов и фильтров на их основе. Проведено сравнение устройств, управляемых высокодобротными ББТО-конденсато-рами при комнатной температуре и БТО-вари-кондами в криогенных условиях. Установлено, что устройства, исследованные при криогенных условиях, обладают значительно более высоким значением параметра качества фильтров БЫ и
низким уровнем потерь по сравнению с традиционными устройствами на поликоровой подложке, функционирующими при комнатных условиях.
Коллектив авторов выражает благодарность представительству компании Rohde& Schwarz в России и лично А. К. Никитину за помощь в проведении эксперимента; Ксю Ванг, На Ли, Лиянг Сун и Юшенг Хе - сотрудникам национальной лаборатории сверхпроводимости Института физики Китайской академии наук (г. Пекин, Китай) -за предоставленные результаты исследования ва-рикондов и резонаторов на их основе.
0
б
а
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Tunable microwave filters using ferroelectric materials / I. Vendik, O.Vendik, V. Pleskachev, M. Nikol'ski // IEEE Trans. applied superconductivity. 2003. Vol. AS-13, № 2. P. 716-719.
2. Vendik I. B., Vendik O. G., Kollberg E. L. Commutation quality factor of two-state switching devices // IEEE Trans. on microwave theory and tech. 2000. Vol. MTT-48, № 5. P. 802-808.
3. Pleskachev V., Vendik I. Figure of merit of tunable ferroelectric planar filters // Proc. 33rd EuMC, Munich,
Germany, 7-9 Oct. 2003 / Electromagnetics academy. Great Britain: Cambridge, 2003. Vol. 1. P. 191-194.
4. Vendik I. B., Vendik O. G., Kaparkov D. I. High temperature superconductor devices for microwave signal processing. Pt. 2: Superconducting microwave circuits. SPb.: Scladen Ltd., 1997. 136 p.
5. Юдин П. Н., Вендик И. Б. Проектирование ВТСП фильтров СВЧ без дополнительной подстройки после изготовления (МИФ) / Свид. о гос. рег. программы для ЭВМ № 2013610765 от 09.01.2013.
E. Y. Zameshaeva, P. A. Turalchuk, V. M. Turgaliev, V. V. Pleskachev, A. A. Semeniov, M. F. Sitnikova, I. B. Vendik Saint-Petersburg state electrotechnical university "LETI"
Planar tuneable microwave filters based on high-temperature superconducting films
The results of electromagnetic simulations and experimental investigations of microstrip microwave resonators and filters, controlled by ferroelectric varactors based on BSTO films (for cryogenic temperature) and STO films (for ordinary conditions) are presented. The cryogenic devices are based on HTS YBa2Cu3O7S films. The designed filters are effectively tuned under biasing voltage, have compact size and exhibit low insertion loss level. Microwave filter, band-pass filter, HTS, ferroelectric, ferroelectric capacitor, STO, BSTO, microstrip resonator Статья поступила в редакцию 30 октября 2013 г.
