ЩЕЛЕВАЯ ЛИНИЯ Российский патент 2008 года по МПК H01P3/08 

Предлагаемая щелевая линия относится к области радиоэлектроники СВЧ-диапазона и может быть использована как основа для построения устройств с электрически управляемыми амплитудно-частотными (АЧХ) или фазочастотными (ФЧХ) характеристиками

Известны щелевые линии («Сегнетоэлектрики в технике СВЧ» под редакцией Вендика О.Г. 1979 г., стр.144), образованные двумя внешними электродами на поверхности диэлектрической пластины. Основной тип колебаний в таких линиях «щелевой мод» обладает слабой частотной дисперсией и по этому параметру близок к ТЕМ-типу колебаний двухпроводной линии передачи, а распределение поля щелевого мода близко к распределению ТЕ01 - волны прямоугольного волновода. Возможности управления характеристиками таких линий малы.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к предлагаемой является щелевая линия, в которой внешние электроды сформированы на поверхности сегнетоэлектрической пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку (А.Б.Козырев, М.М.Гайдуков и др. «Волноводно-щелевой 60 GHz фазовращатель на основе (Ва,Sr)TiO₃ сегнетоэлектрической пленки.» Письма в ЖТФ, 2002, том 28, вып.6, с.51-57). В такой конструкции заложена возможность управления фазовой скоростью щелевого мода за счет нелинейности диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки по отношению к управляющему напряжению. Рассматриваемая линия является основой для построения устройств с электрически управляемыми АЧХ и ФЧХ в диапазоне СВЧ.

Недостатком известной щелевой линии является высокий уровень затухания щелевого мода, вызванный конечной проводимостью электродов.

Управляющее напряжение подается на электроды, при этом напряженность управляющего поля в пленке определяется расстоянием между ними. Из-за малой толщины d₁ сегнетоэлектрической пленки напряженность электрического поля постоянна по толщине пленки в пространстве между электродами щели. Поскольку значение диэлектрической проницаемости ε₁ пленки примерно на два порядка больше диэлектрической проницаемости подложки, то можно считать, что напряженность поля в пленке будет близка к значению, равному частному от деления напряжения между электродами на ширину зазора между ними. Таким образом, если напряженность поля, требуемая для максимального изменения диэлектрической проницаемости пленки равна, например, 3 В/мкм, то при управляющем напряжении 30 В ширина зазора между электродами должна быть 10 мкм. С уменьшением расстояния между электродами возрастает доля электромагнитной энергии, распространяющейся в объеме электродов, которые можно рассматривать как диэлектрик с очень большим тангенсом угла потерь, и, следовательно, увеличивается затухание электромагнитной волны.

Результаты электродинамического моделирования волновых процессов отражены на фиг.1, где представлены графические зависимости затухания α щелевого мода, обусловленного потерями в металлических электродах, от величины ε₁d₁ (Мироненко И.Г, Иванов А.А. «Расчет затухания в щелевой и копланарной линиях, образованных в структуре «сегнетоэлектрическая пленка - диэлектрическая подложка» Письма в ЖТФ, 2002, том 28, вып.5, стр.33-37). В щелевой линии при расстоянии между внешними электродами, равном 10 мкм, затухание α щелевого мода, вызванное проводимостью электродов, лежащей в диапазоне (4÷5)·10⁷ 1/Ом·м, составляет 0,2÷0,1 дБ на 1 мм длины линии. Этот уровень затухания неприемлем для радиоэлектронных устройств на основе щелевых линий, протяженность которых составляет несколько десятков миллиметров.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание щелевой линии с малым уровнем затухания щелевого мода, вызванного конечной проводимостью электродов.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемая щелевая линия содержит, как и известная, внешние электроды, сформированные на поверхности сегнетоэлектрической пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку. В отличие от известной в предлагаемой щелевой линии между внешними электродами расположены внутренние электроды, наименьшее число которых равно трем.

Электромагнитная энергия, подведенная к многощелевой линии, распространяется в объеме, определяемом несколькими зазорами между внутренними и внешними электродами, что приближает ее к известной щелевой линии, у которой расстояние между внешними электродами равно сумме зазоров между электродами многощелевой линии. При этом плотность электрического тока во внутренних электродах имеет преимущественную поперечную (по ширине электрода) составляющую. Вклад в результирующее затухание электромагнитной энергии в многощелевой линии, вызванное током во внутренних электродах, будет тем меньше, чем больше их число. Приведенные выше качественные соображения относительно параметров затухания основаны на результатах электродинамического моделирования волновых процессов, приведенных на фиг.1 и 2.

На фиг.1 показаны значения параметра затухания α щелевого мода, обусловленное потерями в металлических электродах, для известной щелевой линии, на фиг.2 - для многощелевой линии. Различные точки соответствуют различным сочетаниям диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки ε₁, ее толщины d₁ и ширины зазоров s. На фиг.2 показано изменение параметров затухания щелевого мода в зависимости от количества внутренних электродов N в пределах от 3 до 10.

В качестве известной щелевой линии рассмотрена щелевая линия, в которой сегнетоэлектрическая пленка имеет диэлектрическую проницаемость ε₁=1500 и толщину d₁, равную 0,67 мкм (произведение ε₁d₁=1,0 мм). Она нанесена на диэлектрическую подложку с ε₂=10 и d₂=0,4 мм. В случае многощелевой лини, содержащей три внутренних электрода, затухание щелевого мода имеет практически одинаковое значение с затуханием в известной щелевой линии. При этом известная линия имеет ширину 0,2 мм, а многощелевая линия с тремя внутренними электродами (N=3 и, соответственно, 4 зазора) имеет ширину зазора w между электродами по 0,05 мм и обладает эквивалентной шириной зазоров 0,2 мм. Расстояние между внешними электродами в ней равно 0,35 мм. При одинаковых геометрических параметрах рассмотренных линий уровень затухания щелевого мода в многощелевой линии меньше по сравнению со щелевой линией в количество раз, равное количеству внутренних электродов.

Как следует из графиков на фиг.1 и фиг.2, увеличение количества внутренних электродов при прочих равных условиях приводит к снижению затухания щелевого мода в щелевой линии по сравнению с аналогичным параметром известной линии, при этом снижается управляющее напряжение. Сравнительный анализ показывает, что при увеличении толщины сегнетоэлектрической пленки (при том же значении диэлектрической проницаемости), или при возрастании количества внутренних электродов, или при уменьшении ширины зазоров и электродов, уровень затухания электромагнитной энергии в предлагаемой линии становится значительно меньше по сравнению с эквивалентной известной линией. Однако при количестве внутренних электродов N, равном 9, увеличение их числа нецелесообразно, т.к. при N>9, с одной стороны, параметр затухания α практически не зависит от N (фиг.2), с другой стороны, увеличение числа электродов приводит к дополнительным технологическим ограничениям. Изложенные выше соображения показывают, что в предлагаемой щелевой линии достигается технический результат - снижение затухания электромагнитной энергии. Помимо этого, снижается величина управляющего напряжения, т.к. ширина зазоров между электродами в многощелевой линии меньше, чем в известной.

Совокупность признаков, изложенная в пункте 2 формулы изобретения, включающая все признаки пункта 1, характеризует щелевую линию, в которой в качестве материала диэлектрической подложки использован монокристаллический материал, а в пункте 3 конкретизирован выбор монокристаллического материала - алюминат лантана (LaAlO₃). Выбор монокристаллического материала в качестве подложки позволяет осуществить эпитаксиальный рост качественной сегнетоэлектрической пленки. Кроме того, алюминат лантана имеет близкие структурные характеристики с материалом сегнетоэлектрической пленки - титанатом бария стронция Ba_xSr_1-xTiO₃ (BSTO), что позволяет снизить механические напряжения на границе пленка-подложка. Значение диэлектрической проницаемости ε₂ алюмината лантана равно 20. Он имеет малые диэлектрические потери (tgδ менее 10^-4 в СВЧ-диапазоне).

Совокупность признаков, изложенная в пункте 4 формулы изобретения, включающая признаки пункта 3, характеризует щелевую линию, в которой толщина диэлектрической подложки из алюмината лантана лежит в диапазоне 0,3-0,5 мм, а толщина сегнетоэлектрической пленки титаната бария стронция лежит в диапазоне 0,5-1,0 мкм. Эти параметры обеспечивают наилучшее сочетание управляемости и параметра затухания щелевого мода при использовании указанных толщин пленки и подложки.

Совокупность признаков, изложенная в пункте 5 формулы изобретения, включающая все признаки пункта 1, характеризует щелевую линию, в которой в качестве материала диэлектрической подложки использован поликристаллический материал, а в пункте 6 конкретизирован выбор поликристаллического материала, а именно поликристаллический корунд (поликор). Выбор материала подложки ограничен диэлектрическими материалами, обладающими значением диэлектрической проницаемости ε₂, лежащим в диапазоне 7÷100, низким значением тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ менее 10^-4 в СВЧ-диапазоне). Могут использоваться как монокристаллические пластины, так и поликристаллические материалы, но важным преимуществом поликристаллических подложек является их низкая стоимость. Поликор обладает следующими параметрами: ε₂=9,8, тангенс угла потерь tgδ менее 10^-4 в СВЧ-диапазоне, кроме того, поликор имеет высокую механическую прочность и хорошо интегрируется с другими электронными компонентами.

Совокупность признаков, изложенная в пункте 7 формулы изобретения, включающая признаки пункта 6, характеризует щелевую линию, в которой толщина диэлектрической подложки из поликора лежит в диапазоне 0,3-0,5 мм, а толщина сегнетоэлектрической пленки титаната бария стронция лежит в диапазоне 0,5-1,0 мкм. Эти параметры обеспечивают наилучшее сочетание управляемости и параметра затухания щелевого мода.

Совокупность признаков, изложенная в пункте 8 формулы изобретения, включающая признаки пункта 1, характеризует щелевую линию, в которой толщина материала электродов лежит в диапазоне 3-4 мкм. Указанная толщина электродов обеспечивает удельное сопротивление металлической пленки, сравнимое с удельным сопротивлением объемных образцов.

Совокупность признаков, изложенная в пункте 9 формулы изобретения, включающая признаки пункта 1, характеризует щелевую линию, в которой количество внутренних электродов является нечетным числом. Это объясняется тем, что наиболее надежный и простой способ подачи напряжения смещения реализуется в том случае, когда внешние электроды имеют потенциал корпуса металлического волновода, а противоположный потенциал подается на внутренние электроды. Поэтому наибольший практический интерес представляют конструкции с нечетным количеством внутренних электродов.

Изобретение поясняется чертежами, где

фиг.1 - графическая зависимость параметра затухания от величины ε₁d₁ в известной линии;

фиг.2 - графическая зависимость параметра затухания от числа электродов в предлагаемой линии;

фиг.3 - конструкция щелевой линии;

фиг.4 - схема конструкции фазовращателя, выполненного на основе предлагаемой щелевой линии;

фиг.5 - графическая зависимость сдвига максимума распределения поля от величины напряжения смещения.

Рассмотрим конструкцию предлагаемой щелевой линии (фиг.3). Она состоит из диэлектрической подложки 1 с нанесенной на нее сегнетоэлектрической пленкой 2, на которой сформированы внешние электроды 3 и внутренние электроды 4. Основным материалом для применения в качестве сегнетоэлектрической пленки является титанат бария стронция. Для подложек используют диэлектрические материалы, обладающие значением диэлектрической проницаемости ε в диапазоне = 7÷100, низким значением тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ менее 10^-4 в СВЧ-диапазоне). Могут использоваться как монокристаллические пластины, имеющие близкие структурные характеристики с материалом сегнетоэлектрика BSTO, так и поликристаллические материалы. Важными характеристиками подложек являются наличие высоких механических характеристик, применимость в микроэлектронике для последующей интеграции с другими электронными компонентами, а также стоимость подложки.

Возможные варианты изготовления щелевой линии следующие. В качестве подложки используется LaAlO₃. На подложку наносят пленку Ba_xSr_1-xTiO₃. Значение x находится в диапазоне 0,3÷0,6. Для получения пленок сегнетоэлектрика с толщиной 0,5÷1,0 мкм применяется метод ионно-плазменного распыления керамических или порошковых мишеней исходного материала BSTO. Затем на поверхность пленки BSTO осаждается слой меди толщиной около 3 мкм. По металлическому слою на поверхности сегнетоэлектрической пленки проводится литографическая обработка и химическое травление металла по фоторезистной маске. Изготовленная интегральная структура разрезается на чипы, которые проходят измерения геометрических и диэлектрических параметров. Полученная таким образом щелевая линия является основой для построения устройств с электрически управляемыми АЧХ и ФЧХ в диапазоне СВЧ.

В качестве примера радиоэлектронного устройства, изготовленного на основе предлагаемой щелевой линии, рассмотрим фазовращатель. Основным назначением фазовращателя является регулирование фазы сигнала при изменении скорости распространения электромагнитной волны, которая, в свою очередь, зависит от диэлектрической проницаемости диэлектрической пленки. Изменение диэлектрической проницаемости происходит под воздействием приложенного электрического поля. Конструкция фазовращателя показана на (фиг.4). Фазовращатель изготовлен на основе щелевой линии, сформированной на пластине поликора длиной 28 мм, шириной 6 мм и толщиной 0,5 мм. Пленка BSTO имеет толщину 0,6 мкм, диэлектрическую проницаемость ε₁=1500 и тангенс угла диэлектрических потерь tgδ=0,03 на частоте 30 ГГц. Электродная топология на поверхности пленки BSTO образует отрезок щелевой линии с тремя внутренними электродами. Толщина медных электродов составляет 3 мкм. Ширина внутренних электродов равна 50 мкм, расстояние между ними 50 мкм. Длина внутренних электродов короче длины внешних на величину, кратную длине волны. Такая конфигурация электродов обеспечивает согласование щелевой линии с прямоугольным волноводом, имеющим сечение 3,2×7,4 мм. Измерение фазового сдвига Δϕ проводилось на частоте 25-30 ГГц.

Конструкция щелевой линии имеет систему коммутации 5, которая обеспечивает короткое замыкание СВЧ-поля и холостой ход по постоянному току на конце щелевой линии; в ней реализуется чередование знака электрического потенциала на соседних электродах. На графике (фиг.5) показана зависимость сдвига максимума распределения поля от величины приложенного напряжения. Из приведенной зависимости следует, что фазовый сдвиг фазовращателя составляет около 270 градусов при напряжении смещения 500 В.

Проведенные эксперименты показывают, что суммарные, вызывающие затухания, потери составили 5 дБ для линии длиной 24 мм. Под суммарными потерями понимаются потери в металлических электродах и потери в сегнетоэлектрической пленке. Из графика (фиг.2) видно, что в многощелевой линии с общей шириной всех зазоров 200 мкм (4 зазора по 50 мкм) потери в металле составляют 0,9 дБ (0,037 дБ/мм). Следовательно, потери в пленке BSTO равны 4,1 дБ. Для щелевой линии той же длины с шириной зазора 50 мкм (фиг.1) потери в металле составляют 2,4 дБ (0,1 дБ/мм), и, следовательно, суммарные потери 6,5 дБ.

Щелевая линия относится к устройствам сверхвысокочастотного диапазона и может быть использована для построения устройств с электрически управляемыми амплитудно-частотными или фазочастотными характеристиками. Изобретение содержит диэлектрическую подложку и сегнетоэлектрическую пленку, на одной стороне которой расположены волноведущие электроды, формирующие протяженную щель, и в области щели на противоположные стороны сегнетоэлектрической пленки нанесены управляющие электроды, перекрывающие щель и прозрачные в рабочем диапазоне частот. Сегнетоэлектрическая пленка нанесена на диэлектрическую подложку с предварительно нанесенным на ее поверхность тонким слоем платины. Другой слой платины нанесен с противоположной стороны сегнетоэлектрической пленки. Использование прозрачных управляющих электродов в щелевой линии позволяет обеспечить теоретический минимум управляющего напряжения и получить добротность фазовращателя, определяемую только tgδ сегнетоэлектрической пленки. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Щелевая линия, содержащая диэлектрическую подложку с нанесенной на нее сегнетоэлектрической пленкой, на одной поверхности которой расположены электроды, формирующие протяженную щель, отличающаяся тем, что в области щели на противоположные стороны сегнетоэлектрической пленки нанесены дополнительные электроды перекрывающие щель, и прозрачные в рабочем диапазоне частот.2. Щелевая линия по п.1, отличающаяся тем, что в качестве прозрачных для рабочего диапазона частот электродов использованы слои платины.3. Щелевая линия по п.1 или 2, отличающаяся тем, что толщина прозрачных управляющих электродов много меньше глубины проникновения электромагнитного поля в платину.