Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2008. Вып. 1
Библиографический список
1. Collin R. E. Foundations for microwave engineering. Singapore: McGraw-Hill, Inc., 1992. 921 p.
2. Harlan H. J. Passive components: a brief history // Microwave J. 2005. Vol. 48, № 11. P. 22-34.
3. Микроэлектронные устройства СВЧ // Г. И. Веселов, Е. Н. Егоров, Ю. Н. Алехин и др. М.: Высш. шк., 1988. 280 с.
4. Семенов А. С., Смирнов В. Л., Шмалько А. В. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации. М.: Радио и связь, 1990. 224 с.
5. Jensen S. M. The nonlinear coherent coupler // IEEE J. of quantum electronics. 1982. Vol. QE-18, № 10. P. 1580-1583.
6. Agrawal G. P. Nonlinear fiber optics. San Diego: Academic Press, 1995. 592 p.
7. Устинов А. Б. Физические основы работы приборов на эффекте нелинейного сдвига фазы интенсивных спиновых волн // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2007. Вып. 6. С. 65-70.
A. B. Ustinov
Saint-Petersburg electrotechnical university "LETI"
Nonlinear directional coupler for microwave signal processing
Performance characteristics of microwave nonlinear directional couplers are investigated. The experimentally measured performance characteristics of the device are presented. The experimental data are in good agreement with the theoretical predictions. Power-dependent switching of microwave signals is demonstrated.
Spin waves, ferromagnetic films, nonlinear directional coupler, phase shifter
Статья поступила в редакцию 30 марта 2007 г.
УДК 621.317.3
П. Ю. Белявский, А. А. Иванов, М. Ф. Иванова, А. А. Семенов Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет "ЛЭТИ"
Управляемый фазовращатель на основе многощелевой линии передачи
Приведено краткое описание оригинальной сверхвысокочастотной щелевой линии передачи с внутренними электродами - многощелевой линии (МЩЛ). На основе МЩЛ разработан фазовращатель, совмещенный с планарными излучателями типа "Вивальди" на общей подложке. Представлены передаточные характеристики и диаграмма направленности одиночного фазовращателя-излучателя, которые свидетельствуют о возможности его применения в качестве управляемого элемента сканирующей антенны.
Фазовращатель, сегнетоэлектрик, многощелевая линия передачи
Многощелевая линия (МЩЛ) [1] образована несколькими узкими щелями и узкими электродами, расположенными между широкими электродами на поверхности сегнето-электрической пленки. Основная электромагнитная мода в МЩЛ близка к поверхностной ТЕ-волне с бесконечной решеткой емкостных электродов. В бесконечной системе емкостных электродов можно выделить прямоугольный волновод, частично заполненный диэлектриком с квази ТЕ^ -волной, со щелью в узкой стенке. В замкнутом металлическом волно-
62
© Белявский П. Ю., Иванов А. А., Иванова М. Ф., Семенов А. А., 2008
======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2008. Вып. 1
воде с ТЕю -волной на узкой стенке существует только поперечный электрический ток. Поэтому в МЩЛ в электрическом токе на узких электродах будет доминировать поперечная составляющая тока. Следовательно, вклад омических потерь узких электродов в затухание щелевой моды относительно невелик в сравнении с аналогичным вкладом в "обычной" щелевой линии, который определяется преимущественно продольным током в ее электродах [2].
На рис. 1 представлено поперечное сечение МЩЛ. Как и в случае щелевой линии, прямоугольная область с частичным диэлектрическим заполнением толщиной di дает возможность решить задачу о дисперсионных характеристиках МЩЛ в ортогональном базисе LSE- и LSM-мод. Используя зеркальную симметрию при соответствующем выборе параметра b = l¡2, можно сократить размерность задачи в два раза. В анализе дисперсионных характеристик электродинамической модели (см. рис. 1) сохраняются все этапы анализа щелевой линии.
На основе электродинамических моделей щелевых линий и МЩЛ разработаны вычислительные процедуры поиска комплексной постоянной распространения. Все расчеты выполнены для частоты 30 ГГц. Неизменными параметрами выбраны толщина диэлектрической подложки d2 = 0.34 мм и ее диэлектрическая проницаемость 82 = 10.
Постоянная распространения представлена в форме у = у' - jy", вещественная часть которой у' показывает изменение фазовой скорости электромагнитной волны в МЩЛ, а мнимая часть у" зависит от диэлектрических потерь в сегнетоэлектрической пленке и от потерь в электродах, обусловленных конечной проводимостью металлической пленки. Зависимости у' и у" от количества щелей МЩЛ n показаны на рис. 2 и 3 соответственно.
Численный анализ может дать ответ на главный вопрос - как влияет уменьшение затухания на узких щелях (несколько микрометров) МЩЛ на у' (в). Узкие щели позволяют уменьшать управляющее напряжение, прикладываемое к системе электродов. Электриче-
b
1
w0|
U L1
d El
«1
г d2 Е2
Рис. 1
Y, мм
2.2 ■
1.8 .Г
1.4
W1 = w0 = 10 мкм; l = 5 мкм
е1 = 2000
600
- - -.
1500
1000
_L
_L
6 8 Рис. 2
10
„ -1 Y , мм *
0.008 0.006
i
0.004 0.002
W1 = w0 = 10 мкм; l = 5 мкм
\
N
\
е1 = 2000
-ч \
Ч \ S
600
_L
1500 -» __
J-1
1000
6 8 Рис. 3
10
1
4
4
n
n
Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2008. Вып. 1======================================
ское поле напряженностью 10...20 В/мкм позволяет изменить диэлектрическую постоянную BST-сегнетоэлектрической пленки в два раза [3]. Итак, если ширина W0 щелей составляет около 5 мкм, то прикладываемое к электродам смещающее напряжение должно быть порядка 100 В. Например, из зависимостей на рис. 2 и 3 следует, что при шести щелях wi = W0 = 10 мкм , l = 5 мкм и Si = 1000 у = 1.7 - у'0.005 .
Рис. 2 и 3 показывают, что зависимость у' от числа щелей сильнее, чем зависимость постоянной затухания у". Управляемость линии передачи становится меньше в случае МЩЛ, а коэффициент ослабления уменьшается значительно быстрее при количестве щелей 4.8. В то же время требуемое управляющее напряжение уменьшается в несколько раз. Таким образом, МЩЛ имеет значительное преимущество по сравнению с обычной щелевой линией.
Авторами статьи разработан проходной многощелевой фазовращатель с прозрачными для электромагнитного поля электродами, обеспечивающими контакт между электродами, образующими МЩЛ, и внешними электродами. Наиболее приемлемым материалом для прозрачных электродов является платина, так как она не взаимодействует с оксидными слоями. Толщина прозрачных электродов значительно меньше скин-слоя для рабочих частот (~ 50 нм для 30 ГГц). Фазовращатель состоит из четырех слоев. Первый слой -BST-пленка, второй - медные электроды, третий - платиновые прозрачные электроды и четвертый - защитный слой. Вначале BST-пленки осаждались на сапфировую подложку. Затем с помощью химического травления удалялась часть BST-пленки. Далее осаждался слой меди и проводилось ионное травление электродов, после чего осаждался тонкий слой платины и формировались прозрачные электроды.
На рис. 4 представлено фото проходного фазовращателя, совмещенного с излучателем. Данный фазовращатель состоит из двух линий, согласующих его со свободным пространством и подводящим волноводом, и фазосдвигающего участка МЩЛ. Управляющий потенциал на электроды линии подается с помощью "прозрачных для СВЧ" (толщина много меньше скин-слоя) платиновых электродов (см. вставки на рис. 4).
Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2008. Вып. 1
Дф, ...°
160
29.5
30.0
30.5 f, ГГц
L, дБ
- 40
- 32
- 36
- 90
90
- 30
60
0
Рис. 5
а
б
Рис. 6
На рис. 5 представлена частотная зависимость фазового сдвига Дф, полученного на разработанном проходном фазовращателе при подаче на управляющие электроды смещающего напряжения 200 В.
Основным достоинством разработанной топологии является то, что в одной структуре совмещены как фазосдвигающие, так и излучательные элементы. На рис. 6 представлены диаграммы направленности для Н-плоскости (рис. 6, а) и Е-плоскости (рис. 6, б) одиночного излучателя на основе разработанного фазовращателя. Расчетные значения ширины диаграммы направленности в Н-плоскости составили 63°, а в Е-плоскости - 180°. Полученные характеристики излучателя свидетельствуют о его пригодности для использования в качестве управляемого элемента фазированной антенной решетки.
Из результатов измерений можно сделать выводы о перспективности использования разработанного устройства для построения антенн с электрически перестраиваемой диаграммой направленности.
1. Мироненко И. Г., Иванов А. А. Многощелевые линии передачи сверхвысоких частот на основе структуры "сегнетоэлектрическая пленка - диэлектрическая подложка" // Письма в ЖТФ. 2002. Т. 74. Вып. 2. С. 68-73.
2. Пат. РФ 2258279 МПК 7 H 01 P3/08 Щелевая линия / И. Г. Мироненко, С. Ф. Карманенко, А. А. Иванов и др. Опубл. 10.08.05.
3. Structural features and phase transition temperatures of BSTO films grown on various substrates / S. F. Karma-nenko, A. I. Dedyk, A. A. Melkov et al. // J. of physics: Condensed matter. 2002. Vol. 14. P. 6823-6831.
P. Y. Beliavskiy, A. A. Ivanov, M. F. Ivanova, A. A. Semenov Saint-Petersburg state electrotechnical university "LETI"
Tunable phase-shifter based on multislot transmission line
The novel design of microwave slot transmission line comprising inner electrodes - multislot line (MSL) was used for a formation of transmission phase shifter. The planar MSL was combined with the Vivaldi radiator patterned on the edges of the substrate. The phase transmission characteristics and the diagram pattern of the single radiator based on proposed device were measured and presented.
Библиографический список
Phase-shifter, ferroelectric, multislot transmission line Статья поступила в редакцию 30 марта 2007 г.