CC BY
23Библиографический список
1. Плескачев В. В., Вендик И. Б. Коммутационное качество электрически управляемых СВЧ-компо-нентов // Письма в ЖТФ. 2003. Т. 29. Вып. 24. С. 15-21.
2. Pleskachev V. Tunable resonators and filters, using ferroelectric capacitors // 7-th Int. Student Seminar on High Temperature Superconductors and Ferroelectrics at Microwave Frequencies, 2001. Birmingham, UK. Proc. Р. 25-28.
3. Pleskachev V. Design of a Tunable Microstrip Filter Based on Open-Circuited Resonators with Ferroelectric Thin-Film Capacitors // Samsung Young Scientist Day in St. Petersburg, 2003. Proc. Р. 96-101.
4. Pleskachev V., Vendik I. Figure of Merit of Tunable Ferroelectric Planar Filters // 33-d Europ. Microwave Conf., Germany, Munich, 2003. Proc. Vol. 1. Р. 191-194.
V. V. Pleskachev Simikon Ltd.
Tunable Microwave Hairpin-Resonator Filters Based on Ferroelectric Capacitors
Different kinds of tunable microwave planar filters based on ferroelectric capacitors are considered. Advantages of hairpin-resonator based tunable filters with improved manufac-turability and performance are shown.
Ferroelectrics, tunable filter
Статья поступила в редакцию 31 декабря 2004 г.
УДК 621.317.3
П. Ю. Белявский, С. С. Карманенко, А. А. Семенов
Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет "ЛЭТИ"
Радиоэлектронные управляемые фазовращатели на основе сегнетокерамики
По результатам теоретических расчетов показана возможность построения управляемых фазовращателей на основе сегнетокерамики. На основании приведенных расчетов разработаны два прототипа фазовращателей, отличающиеся только структурой управляющих электродов. Испытания обоих прототипов фазовращателей показали фазовый сдвиг около 10° при подаче смещающего напряжения 1000 В.
Сегнетокерамика, управляемый фазовращатель
Одним из наиболее перспективных материалов, на основе которого разрабатываются управляемые фазовращатели и фильтры, является сегнетоэлектрик Ва х8г1-хТЮз (ВБТО). В настоящее время широко применяются пленочные ВБТО-структуры, обеспечивающие наименьший уровень потерь СВЧ-сигнала, высокую управляемость и хорошее согласование управляемых сегнетоэлектрических элементов с внешними электронными цепями. Основным недостатком пленочных фазовращателей является низкая мощность управляемого СВЧ-сигнала, связанная с возникновением нелинейных эффектов в тонких пленках сегнетоэлектрика и появлением больших активных потерь, которые могут приводить к разрушению пленочной структуры.
32 © П. Ю. Белявский, С. С. Карманенко, А. А. Семенов, 2005
Применение сегнетоэлектрической керамики на протяжении длительного периода ограничивалось неудовлетворительными характеристиками пластин в СВЧ-диапазоне [1]. В последние годы удалось добиться улучшения технологии керамических пластин, что дало возможность улучшения их фактора качества в данном диапазоне [2]. Наряду с этим появились новые идеи, связанные с применением сегнетоэлектриков в нетрадиционных для такого применения приборах и системах, примером чего являются волноведущие структуры для ускорителей элементарных частиц, используемых в фундаментальных физических исследованиях [3].
В данной статье рассматриваются прототипы управляемых волноводных отражательных фазовращателей на основе сегнетоэлектрической керамики титаната бария-стронция.
Модель резонатора. В качестве основной конструкции СВЧ-устройства выберем прямоугольный волновод. Рассмотрим физическую модель волноводного резонатора, заполненного трехслойной структурой (рис. 1).
Зададим два векторных потенциала электромагнитного поля, направленных вдоль оси у: еуАу и еу¥у (еу - орт на оси у; Ау, ¥у - проекции векторных потенциалов на ось у).
Приняв следующее определение векторных потенциалов:
найдем компоненты электромагнитного поля в волноводе в общем виде.
Поля, полученные из (1) и (2), соответствующие электрическому поперечному потенциалу e yAy, характеризуются отсутствием одного из поперечных компонентов магнитного поля, т. е. являются поперечно-магнитными относительно координаты y. В то же время относительно координаты z они являются продольными, так как Ez ф 0 и Hz ф 0.
В связи с этим существуют различные названия волн: продольные магнитные в сечении волны (longitudinal-section magnetic - LSM) или продольно-магнитные волны (longitudinal magnetic - LM). Аналогично поля, соответствующие eyFy, называют продольно-
электрическими (longitudinal electric) или
H = rot A; E = - rot F и использовав однородные уравнения Максвелла
rot H = y'rosE; rot E = -y'rosH,
(1)
(2)
ЬБ-волнами. На практике наибольшая управляемость достигается при использовании ЬМ-волн, и поэтому далее будут рассматриваться только такие волны.
проницаемостями при произвольной толщине каждого из слоев. Как показано в [4], дисперсионные уравнения слоистого волновода могут быть найдены независимым
Рассмотрим прямоугольный волновод, заполненный n слоями различных сред
с диэлектрическими s¿ и магнитными уц
Рис. 1
образом. Задавая электрический векторный потенциал в каждом из n слоев в виде eyAyi, представим его для каждого i-го слоя в форме общего решения уравнения Гельмгольца Ayi = XYiZ, где X = sin kxx; Yi = Ci coskyiy + Di sin kyiy ; Z = elkzz ( kx, kyi - поперечные волновые числа для i-го слоя по координатам x и у соответственно; Ci, Di - константы, получаемые при решении уравнения Гельмгольца; kz - продольное волновое число или постоянная распространения волны вдоль координаты z). При этом волновое число i-го
2 I /-2 2 2 /
слоя ki определяется по формуле: ki = I юуе^- I = = kx + kyi + kz, где kx = mn/a .
Для случая трехслойного несимметричного волновода получим, согласно [4], дисперсионное уравнение для LM-волн:
tg (kylh ) + (ky2 /ky1) (S1 /S2 ) tg (ky2b2 ) + (ky3 /ky1) (S1 /S3 ) tg (ky3b3 ) -
- (ky31ky2 ) (Ч/S3 ) tg (ky1b1) tg (ky2b2 ) tg (ky3b3 ) = 0 (3)
На рис. 2 показана зависимость резонансной частоты от диэлектрической проницаемости керамической пластины, напйденная из дисперсионного уравнения (3) для трех резонаторов, отличающихся только размером lz в направлении оси z (см. рис. 1) (первый слой -воздух, второй - линейная керамика, третий - сегнетокерамика). Поперечное сечение резонаторов 23 х10 мм , толщина сегнетоэлектрического слоя 0.5 мм, 82 ~ 1000, толщина линейной керамики 1 мм, 83 = 100. Выбранным значениям lz 18, 19 и 20 мм соответствуют значения постоянной распространения 0.175, 0.165 и 0.157.
f ГГц
11.5
11.0
10.5
300
450
Анализ графической зависимости показывает, что коэффициент управления возрастает с увеличением длины резонатора, однако этот рост ограничивается технологическими возможностями.
Для приложения смещающего поля к сегнетоэлектрику разработаны две системы электродов. Первая система выполнена в виде встречно-штыревой структуры (рис. 3, Edc - силовые линии смещающего (управляющего) поля). В данной структуре смещающее электрическое поле создается в плоскости сегнетоэлектрика. Предложенная система электродов позволяет достаточно легко создавать смещающее поле, однако оно неоднородно по объему сегнетоэлектрика, что может привести, в конечном счете, к снижению управляемости и искажению проходящего сигнала.
Для исправления недостатков встречно-штыревой структуры смещающих электродов предложена многослойная структура фазовращателя на основе сегнетокерамики, показанная на рис. 4. Здесь смещающее поле создается перпендикулярно плоскости сегнетоэлектрика с помощью двух параллельно расположенных электродов, что позволяет добиться однородно-
350 400
Рис. 2
сти поля по объему сегнетоэлектрика. Для того чтобы электромагнитное поле проникало в сегнетоэлектрик толщина нижнего ("прозрачного") электрода делается меньше скин-слоя.
Система медных электродов
_/ V Ею -*
Линейный диэлектрик Сегнетокерамика
Воздух
Рис. 3
Исследование характеристик прототипа фазовращателя отражательного типа на основе сегентокерамики. Тестирования фазовращателей со встречно-штыревой топологией медных электродов проводились в частотном диапазоне 10...12 ГГц. Электроды формировались напылением на полированную поверхность керамического образца с размерами 20х 30х 0.5 мм , толщина электродов 3 мкм. В фазовращателе использовалась сегнетоэлектрическая керамика ББТО с добавками щелочноземельных элементов (ББМ).
Измерения проводились в отрезке прямоугольного волновода, заполненного керамической пластиной, расположенной вдоль широкой стороны резонатора. На рис. 5 показан сигнал зонда, пропорциональный распределению электрического поля вдоль оси г фазовращателя со встречно-штыревой топологией медных электродов при отсутствии напряжения на электродах (1) и при подаче смещающего напряжения 500 В (2).
Тестирование многослойных фазовращателей проводилось в частотном диапазоне 8.10 ГГц. Структура фазовращателей была сформирована напылением на полированную поверхность линейной керамики толщиной 1 мм тонкого (около 50 нм) слоя хрома, являющегося одним из электродов, прозрачным для электромагнитного поля. Сверху на слой хрома прикладывался образец ББТО-керамики толщиной 0.5 мм с напыленной на обратную сторону медью толщиной 3 мкм, являющейся вторым электродом. Размеры образцов в плане 20 х 23 мм. К выполненному из хрома электроду прикладывалось сме-
Измерения фазового сдвига по распределению поля показали очень малое значение (примерно, 10°) при подаче смещающего напряжения 1000 В. Однако этот метод облада-
Медныи электрод
Edc
у//////////////////////////^^
Сегнетокерамика—1 ^
Линейный диэлектрик_"Прозрачный" электрод
Воздух
Рис. 4
Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2005. Вып. 1======================================
ет весьма низкой точностью при малых фазовых сдвигах, поэтому было принято решение измерять изменение постоянной распространения при помощи резонансной характеристики Дф = lAkz, где l - длина резонатора, а Akz определялось из дисперсионного уравнения
(3) по изменению резонансной частоты.
На рис. 6 приведены передаточные характеристики многослойного фазовращателя на основе сегнетокерамики. Как видно из рисунка, при подаче смещающего напряжения резонансная частота изменялась, что приводило к сдвигу фазы.
Таким образом, по результатам теоретических расчетов показана возможность построения управляемых фазовращателей на основе сегнетокерамики. На основании проведенных расчетов были разработаны два прототипа фазовращателей, отличающихся структурой управляющих электродов. Тестирования обоих типов фазовращателей показали фазовый сдвиг около 10° при подаче смещающего напряжения 1000 В. Поскольку основным применением такого типа фазовращателей являются ускорительные волноведущие структуры, используемые для исследований в фундаментальной физике [3], то полученный фазовый сдвиг является достаточным для подстройки параметров ускорителя.
Библиографический список
1. Ротенберг Б. А. Керамические конденсаторные диэлектрики / ОАО НИИ "Гириконд". СПб., 2000. 246 с.
2. Ceramics materials based on (Ba, Sr)TiO3 solid solutions for tubable microwave devices / E. A. Nenasheva, A. D. Kanareykin, N. F. Kartenko et al. // J. of electroceramics. 2004. Vol. 13. P. 235-238.
3. New Low-Loss Ferroelectric Material for Accelerator Applications / A. D. Kanareykin, E. A. Nenasheva, S. F. Karmanenko, V. Yakovlev // Advanced Accelerator Concepts: Eleventh Workshop (AAC-2004), Argonne, USA. Proc. Argonne: AIP-CP373, 2004. P. 1016-1024.
4. Егоров Ю. В. Частично заполненные прямоугольные волноводы. М.: Сов. радио, 1967. 216 с.
P. Yu. Beliavskiy, S. S. Karmanenko, A. A. Semenov Saint Petersburg state electrotechnical university "LETI"
Radioelectronics Controlled Phaseshifters Based on Ferroelectric Ceramics
The possibility of controlled phaseshifters based on ferroelectric ceramics producing as a result of theoretical calculations are shown. Two types of phaseshifters, differing only by control electrodes structure founded on present calculations was developed. Both types phaseshifters tests are displayed phase shift near10° at bias of 1000 V.
Ferroelectric ceramics, controlled phaseshifter
Статья поступила в редакцию 15 декабря 2004 г.
