CC BY
46Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2005. Вып. 1======================================
УДК 621.319.1: 621.385.6
О. Г. Вендик, А. Б. Козырев
Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет "ЛЭТИ"
Применение сегнетоэлектриков в антеннах с электронным сканированием
Представлен краткий сравнительный обзор антенн с электронным сканированием, реализованных на различных управляющих элементах. Обоснована целесообразность применения в качестве управляющего элемента фазированной антенной решетки сег-нетоэлектрического компонента.
Сегнетоэлектрик, антенна, электронное сканирование
Большинство антенн СВЧ обладают высокой направленностью, т. е. формируют достаточно острый луч. Во многих случаях нужна антенна с электронным управлением лучом (электронным сканированием). Особую роль такие антенны играли и продолжают играть в системах противоракетной обороны (ПРО). Основное конструктивное решение антенны с электронным сканированием представляет собой фазированную антенную решетку (ФАР). Значимость технических решений антенн с электронным сканированием подчеркивает почти одновременный (1964 - 1966) выход в свет в СССР и в США монографий [1], [2], посвященных этой проблеме. После снятия с нее секретности появились публикации, отражающие историю и вопросы приоритета [3]-[5]. В настоящее время антенны с электронным сканированием вышли из сферы военных применений и появились разработки, ориентированные на применение ФАР в системах приема телевизионного сигнала с искусственных спутников Земли на подвижном объекте [6] и в составе систем предупреждения столкновений на автотранспорте [7]. Все это означает, что ФАР становится объектом массового коммерческого производства и, следовательно, решающим фактором в разработке ФАР становится минимизация себестоимости ее производства.
Первые ФАР создавались на основе ферритовых фазовращателей, в которых магнитная проницаемость феррита изменялась под действием управляющего магнитного поля. На смену ферритам пришли p-i-n-диоды - полупроводниковые приборы, в зависимости от управляющего тока проявляющие себя как емкость или как малое сопротивление. Оба класса компонентов ФАР работают при приложении значительного управляющего тока, что приводит к необходимости применения управляющих устройств большой мощности, усложняет и удорожает конструкцию в целом [8].
Кроме названных магнитных и полупроводниковых приборов управлять фазой СВЧ-волны можно за счет изменения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика (СЭ) под действием управляющего электрического поля [8], [9].
Первые исследования возможности применения СЭ в технике СВЧ начались в 19651969 гг. Наиболее обещающими областями применения СЭ в технике СВЧ в то время были параметрические усилители, перестраиваемые резонаторы, фазовращатели [9]. Наи-20 © О. Г. Вендик, А. Б. Козырев, 2005
большая часть исследований сконцентрировалась в СССР. Начиная с 1992 г., исследования применения СЭ в технике СВЧ стали опираться на успехи, полученные в процессе освоения технологии высокотемпературных сверхпроводников [10]. Наряду с исследованиями, проводимыми в ГЭТУ (позже СПбГЭТУ "ЛЭТИ") им. В. И. Ульянова (Ленина) (Санкт-Петербург, Россия), группа специалистов Университета Колорадо (Денвер, США) начала работу над новым проектом, посвященным применению сегнетоэлектриков в технике СВЧ [11]. В середине 90-х гг. DARPA - агентство Министерства обороны США, занятое финансированием перспективных научных разработок, открыло финансирование научных исследований по программе FAME (Frequency Agile Materials for Electronics -"Материалы электронной техники с управляемыми параметрами"). Это вызвало бурный интерес к получению грантов по применению СЭ в технике СВЧ. Многие лаборатории в США включились в данную программу (в ряде случаев начиная с нуля).
Целесообразность использования СЭ при конструировании ФАР для массового коммерческого применения обосновывается следующими факторами.
1. Управление диэлектрической проницаемостью СЭ-элемента обеспечивается приложением управляющего напряжения при ничтожно малом токе. Это обусловливает малую мощность управляющих цепей, которая оказывается на 1-2 порядка меньше, чем такая мощность в случае применения ферритовых управляющих устройств или устройств на основе p-i-n-диодов.
2. Устройства на основе СЭ-пленок реализуются с использованием планарной технологии, вписывающейся в развитую технологию СВЧ-интегральных схем.
За прошедшие годы СВЧ-параметры СЭ-компонентов за счет уменьшения диэлектрических потерь и роста управляемости (зависимости диэлектрической проницаемости от управляющего поля) [12]-[16] были существенно улучшены. Найдены решения, позволяющие значительно уменьшить зависимость характеристик СЭ-компонентов от температуры [17]-[19]. Исследование СВЧ-характеристик СЭ-компонентов показало, что потери, вносимые проводящими элементами конструкции (электродами, микрополосковыми линиями), сопоставимы с потерями, вносимыми СЭ-материалом [20]-[22]. Поэтому возникла задача совершенствования качества металлизации, которая может быть наиболее успешно решена в условиях массового производства на промышленном предприятии, обладающем развитой технологической базой. Обоснована возможность существенного снижения потерь в СЭ-фазовращателях СВЧ при выполнении качественной технологии их изготовления [23].
На рис. 1 приведена фотография ФАР с одномерным сканированием на частоте 30 ГГц. ФАР содержит 16 печатных излучателей и 16 сегнетоэлектрических фазовращателей, выполненных на основе копланарной линии передачи. Энергия СВЧ на излучатели подается через волновод, фланец которого виден на рисунке. На рис. 2 показаны диаграммы направленности (G - нормированный коэффициент усиления антенны), полученные при различных углах отклонения. Представленная ФАР реализована группой конструкторов СПбГЭТУ "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина) под руководством А. Б. Козырева на основе СЭ-материалов, предоставленных фирмой "Paratek" (США).
Рис. 1
G, дБ -5
-10 Ь
-15
-20
-25 -90
Накопленный авторами статьи опыт позволяяет заключить, что применение сег-нетоэлектрических материалов в качестве основы управляемых компонентов антенн с электронным сканированием или фазированных антенных решеток (ФАР) позволит обеспечить коммерческий выпуск ФАР с весьма низкой себестоимостью их производства. Проблема применения СЭ как основы ФАР находится в настоящее время на О, дБ
-5 --10 -
-15 -20 -25
-90
Рис. 2
решающем этапе становления - завершения разработок конструкции и технологии изготовления компонентов и подсистем в рамках научных лабораторий и их передачи промышленным предприятиям для освоения в массовом производстве.
Библиографический список
1. Вендик О. Г. Антенны с немеханическим движением луча (введение в теорию). М.: Сов. радио, 1965. 360 с.
2. Hansen R. C. Microwave scanning antennas. Vol. 1: Appertures. N.-Y., L.: Acad. Press, 1964; 251 p.; Vol. 2: Array theory and practice. New-York., London: Acad. Press, 1966. 270 p.
3. Вендик О. Г., Егоров Ю. В. Опыт создания и разработки теории ФАР (работы группы Ю. Я. Юрова в 1955-1960 гг.) // Антенны. 1999. № 1(42). С. 74-77.
4. Vendik O. G., Yegorov Yu. V. The first phased-array antennas in Russia: 1955-1960 // IEEE Antenna and Propagation Magazine. 2000. Vol. 42, № 4. P. 46-52.
5. Hansen R. C. Key development in phased array // IEEE Antenna and Propagation Magazine. 2000. Vol. 42, №. 6. P. 110-111.
6. Vehical active antenna system with combined steering / S. I. Jeon, J. I. Choi, Ch. S. Yim et al. // Proc. of XXVIII Moscow Intern. Conf. On Antenna Theory and Technology, 22-24 Sept. 1998, Moscow / JSC "Radio-phyzika", Moscow Inst. of Phys. and Tech. M., 1998. P. 72-77.
7. Untra-wideband radar sensors for short-range vehicular applications / I. Gresham, A. Jenkins, R. Egri et al. // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 2004. Vol. MTT-52, № 9. P. 2105-2122.
8. Антенны с электрическим сканированием (введение в теорию) / О. Г. Вендик, М. Д. Парнес; Под ред. чл.-кор. РАН Л. Д. Бахраха. М.: САЙНС-ПРЕСС, 2002. 232 с.
9. Сегнетоэлектрики в технике СВЧ / Под ред. О. Г. Вендика. М.: Сов. радио, 1979. 272 с.
10. Vendik O. G., Mironenko I. G., Ter-Martirosyan L. T. Superconductors spur application of ferroelectric films // Microwave & RF. 1994. Vol. 33, № 7. P. 67-70.
11. Characterization of tunable thin film microwave YBa2Cu3O7-xjSrTiO3 coplanar capacitor / D. Golt, C. Price. J. A. Beal, R. H. Ono // Appl. Phys. Lett. 1993. Vol. 63, № 22. P. 3078-3080.
12. Large dielectric constant BSTO thin films for high-performance microwave phase shifters / C. M. Carlson, P. A. Parilla, D. S. Ginley et al. // Appl. Phys. Lett. 2000. Vol. 76, № 14. P. 1920-1922.
0
о
13. Nonlinear response and power handling capability of ferroelectric BSTO film capacitors and tunable microwave devices / A. Kozyrev, A. Ivanov, T. Samoilova et al. // J. of Appl. Phys. 2000. Vol. 88, № 9. P. 5334-5342.
14. Microwave properties of (Ba, Sr)ТЮ3 ceramic films and phase-shifters on their base / A. Kozyrev, V. Keis, V. Osadchy et al. // Integrated Ferroelectrics. 2001. Vol. 34. P. 189-195.
15. Characterization of quality of Ba xSrj-xTiO3 thin films by commutation quality factor measured at microwaves / S. V. Razumov, A. V. Tumarkin, M. M. Gaidukov et al. // Appl. Phys. Lett. 2002. Vol. 81, № 9. P. 1675-1677.
16. Vendik O. G., Vendik I. B., Sherman V. O. Commutation quality factor as a working tool for optimization of microwave ferroelectric devices // Integrated Ferroelectrics. 2002. Vol. 43. P. 81-89.
17. Зубко С. П., Курбанов А. Х. Обеспечение устойчивой работы сверхвысокочастотных сегнетоэлек-трических устройств в широком температурном диапазоне // Письма в ЖТФ. 2003. T. 29, № 17. C. 55-61.
18. Vendik O. G., Nikol'ski M. A., Zubko S. P. Widening of operational temperature range of microwave ferroelectric tunable devices // Integrated Ferroelectics. 2003. Vol. 55. P. 807-813.
19. Conservation of permittivity and tunability of ferroelectric over temperature / A. Prudan, A. Kozyrev, V. Osadchy et al. // Integrated Ferroelectrics. 2003. Vol. 58. P. 1337-1345.
20. Вендик О. Г., Никольский М. А., Гашинова М. С. Потери на СВЧ в электродах распределенных и сосредоточенных элементов на основе сегнетоэлектриков // Письма в ЖТФ. 2003. T. 29, № 4. C. 5-13.
21. Вендик О. Г., Гашинова М. С., Деленив А. Н. Влияние тонкой пленки сегнетоэлектрика на характеристики микрополосковой линии передачи // Письма в ЖТФ. 2002. T. 28, № 11. C. 37-43.
22. Анализ фундаментальных мод многосвязной щелевой линии с сегнетоэлектрическим слоем / И. Б. Вендик, О. Г. Вендик, М. С. Гашинова, А. Н. Деленив // Письма в ЖТФ. 2005. T. 31, № 2. C. 49-55.
23. Vendik O. G., Zubko S. P., Nikol'ski M. A. Theoretical estimation of achievable figure of merit of microwave ferroelectric phase shifters // Integrated Ferroelectics. 2003. Vol. 55. P. 991-999.
O. G. Vendik, A. B. Kozyrev
Saint Petersburg state electrotechnical university "LETI"
Application of ferroelectrics in designing antennas with electronic scanning
Antennas with electronic scanning can be based on ferrite, p-i-n-diode, or ferroelectric components. Application of ferrite, p-i-n-diode components has collected a wide design and technological experience. Ferroelectric components are much cheaper for mass production. The many demonstrators of antennas based on ferroelectric phase shifters have been realized and shown good characteristics. The problem of an industrial production of the ferroelectric phase shifters has been urgently developed. The applications of ferroelectric at microwaves are now in a crucial period, the period of developing production technology and delivering the developed technology to industrial enterprises.
Сегнетоэлектрик, antennas, electronic scanning
Статья поступила в редакцию 31 декабря 2004 г.
