НАСТРАИВАЕМЫЕ МИКРОВОЛНОВЫЕ УСТРОЙСТВА Российский патент 2008 года по МПК H01P1/203 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к настраиваемому микроволновому устройству, содержащему микроволновую интегральную схему и подложку. Изобретение также относится к способу настройки такого микроволнового устройства.

Уровень техники

В усовершенствованных микроволновых системах связи требования к компонентам становятся все более жесткими, например, что касается эффективности и функциональности. Для переконфигурируемости функциональности гибкость и адаптируемость являются важными вопросами. Затраты на производство также являются важным фактором. Еще одним существенным фактором является потребность выполнения микроволновых компонентов с минимально возможными размерами.

Поэтому значительные усилия предпринимаются в поиске новых и более оптимальных материалов для производства компонентов. Еще один важнейший вопрос касается способов проектирования, и выполняется множество исследований для усовершенствования существующих способов и создания новых, улучшенных способов проектирования. Недавно были предложены кристаллы с электромагнитной запрещенной энергетической зоной (EBG), также называемые кристаллами со световой запрещенной энергетической зоной, для проектирования микроволновых устройств и микроволновых систем, в частности, для повышения эффективности. Это описано, например, в работе "PBG Evaluation for Base Station Antennas" in 24^th ESTEC Antenna Workshop on "Innovative Periodic Antennas. Photonic Bandgap, Fractal and Frequency Selective structures (WPP-185)", p.p. 5-10, 2001.

Также, например, в статье "Beam steering microwave refector based on electrically tunable impedance surfaces", by D. Sievenpiper, I. Schaffner, Electronics Letters, Vol. 38, № 21, p.p. 1237-1238, 2002 продемонстрировано, что микрополосковые устройства с частотно-избирательными подложками на EBG обеспечивают повышение эффективности подавления поверхностных волн. В этом же документе отмечена возможность настройки EBG- кристаллов с помощью полупроводниковых варакторов. Однако фактически невозможно использовать настраиваемые EBG-кристаллы таких типов в качестве плоскости заземления по нескольким причинам. Одна причина заключается в том, что использование полупроводниковых диодов удорожает конструкцию.

Другая причина заключается в том, что размеры EBG-кристаллов сравнимы с длиной волны микроволн, что делает невозможным использовать их в качестве земляных слоев в некоторых микроволновых устройствах (например, микрополосковых фильтрах). Кроме того, настроечное напряжение постоянного тока прикладывается к верхней микрополосковой цепи.

Однако подача настроечного напряжения постоянного тока требует цепей развязки, чтобы препятствовать прохождению микроволн в источник постоянного тока. Должна обеспечиваться возможность подачи питания постоянного тока на микроволновый компонент (например, микрополосковый элемент). Однако такие цепи развязки приводят к усложнению всей микроволновой интегральной схемы. Более того, иногда они требуют высоких напряжений, которые могут сделать устройство опасным, причем другие компоненты могут быть уязвимы для этих высоких напряжений.

Возможный способ преодоления проблем, связанных с цепями развязки, мог бы заключаться в перемещении управляемых компонентов с верхней поверхности на нижнюю поверхность устройства. Однако это может оказаться сложным и неудобным для некоторых применений.

Сущность изобретения

Следовательно, существует потребность в микроволновом устройстве вышеупомянутого типа, отличающемся высокой эффективностью и гибкостью. Кроме того, существует потребность в микроволновом устройстве, которое является недорогим и простым в проектировании и производстве. Также существует необходимость в микроволновом устройстве, которое является адаптируемым и переконфигурируемым. В частности, необходимо устройство, которое может настраиваться, не требуя множества (или вообще каких-либо) сложных и критичных цепей развязки, требующих высоких напряжений. Еще более конкретно, необходимо микроволновое устройство, посредством которого может быть использовано преимущество, обеспечиваемое, например, EBG-кристаллами в качестве земляных слоев, не требуя цепей развязки высокого напряжения. Также требуется, чтобы микроволновые устройства имели малые размеры, были просты в настройке и могли использоваться для высокочастотных применений (в ГГц-диапазоне и выше), например, в современных системах связи и радиолокационных системах. Также существует необходимость в способе настройки такого устройства.

Поэтому предложено микроволновое устройство упомянутого выше типа, которое содержит слоистую структуру, размещенную между упомянутой микроволновой интегральной схемой и упомянутой подложкой, причем эта слоистая структура действует в качестве земляного слоя. Она содержит, по меньшей мере, один первый регулярно или нерегулярно структурированный металлический слой, по меньшей мере, один второй металлический слой и, по меньшей мере, один настраиваемый слой сегнетоэлектрической пленки. Слои размещены таким образом, что слой сегнетоэлектрической пленки размещается между первым металлическим слоем и вторым металлическим слоем.

Предпочтительно первый структурированный металлический слой содержит структуру кристаллов с электромагнитной запрещенной энергетической зоной. Слой сегнетоэлектрической пленки в некоторых реализациях может быть структурированным. Однако в других реализациях слой сегнетоэлектрической пленки является однородным, т.е. не структурированным.

Второй металлический слой может быть однородным, т.е. не структурированным, но также может быть структурированным. В этом случае он может быть структурирован иначе, чем сегнетоэлектрический слой (если он структурирован), либо таким же образом. Он также может быть структурирован иным образом или аналогично первому металлическому слою. Под структурированием в настоящей заявке понимается регулярное или нерегулярное структурирование. Оно может включать в себя полоски, квадраты (один или более), прямоугольники, овалы, круговые комбинации и т.п.

Второй металлический слой, в частности, содержит Pt, Cu, Ag, Au или любой другой соответствующий металл.

Слой сегнетоэлектрической пленки может содержать SrTiO₃, Ba_x Sr_1-x TiO₃ или материал с аналогичными свойствами.

Структура земляного слоя является настраиваемой, и для настройки напряжение постоянного тока прикладывается между первым металлическим слоем и вторым металлическим слоем. Если имеется больше первых и вторых слоев, т.е. многослойная структура, то любые соответствующие первый и второй слои могут быть выбраны для настройки.

Настройка микроволновой интегральной схемы выполняется посредством настройки земляного слоя, в частности, без необходимости каких-либо цепей развязки в устройстве вообще.

Посредством приложения (настроечного) напряжения смещения постоянного тока оказывается влияние на диэлектрическую постоянную сегнетоэлектрической пленки, приводя к изменению импеданса поверхности земляного слоя вблизи микроволновой интегральной схемы, тем самым настраивая устройство или компонент, размещенный на земляном слое, предпочтительно с диэлектриком (например, из BCB), размещенным между ними.

Микроволновая схема может содержать микрополосковую линию или связанные микрополосковые линии. Она также может содержать резонатор микрополоскового излучателя (любой подходящей формы, квадратный, круглый, прямоугольный и т.д.). В другом варианте осуществления микроволновая схема содержит индукторную катушку. Она также может, в общем случае, содержать микроволновую линию передачи или, например, копланарное устройство с полосковой линией.

Как можно видеть, микроволновая интегральная схема, в принципе, может содержать любой компонент, например полупроводниковую ИС, части фильтров, например полосных или полосовых заградительных фильтров. Подложка может содержать полупроводник, например Si, диэлектрик, металл или любой другой материал с аналогичными свойствами.

Как упоминалось выше, между микроволновым устройством и (верхним) структурированным первым металлическим слоем предпочтительно предусмотрен диэлектрик с низкой диэлектрической проницаемостью и низкими потерями, который содержит BCB или любой другой полимер. Предпочтительным образом применяемое настроечное напряжение меньше 100 В, более конкретно меньше 10 В, например 5 В. Сегнетоэлектрический слой может иметь толщину порядка 0,1-2 мкм. Более конкретно, структура земляного слоя содержит многослойную структуру с несколькими сегнетоэлектрическими слоями, при этом каждый сегнетоэлектрический слой размещен между первым и вторым/первым металлическим слоем.

Изобретение также предлагает способ настройки микроволнового устройства, содержащего микроволновую интегральную схему и подложку. Микроволновое устройство дополнительно содержит слоистую структуру, действующую в качестве земляного слоя для устройства и размещенную между микроволновой интегральной схемой и подложкой, при этом способ содержит этап приложения настроечного напряжения постоянного тока между первым структурированным металлическим слоем и вторым металлическим слоем, расположенными на противоположных сторонах сегнетоэлектрического слоя, причем эти слои образуют земляной слой устройства.

Предпочтительно, структурированный первый металлический слой содержит структуру кристаллов с электромагнитной запрещенной энергетической зоной. Для настройки микроволновой интегральной схемы приложение напряжения постоянного тока оказывает влияние на импеданс на поверхности земляного слоя, тем самым изменяя резонансную частоту микроволновой интегральной схемы.

Способ, в частности, дополнительно содержит этап, на котором в многослойной структуре земляного слоя, содержащей более двух слоев сегнетоэлектрической пленки, выбирают любой из первого и второго металлических слоев, окружающих любую из сегнетоэлектрических пленок, для настройки микроволновой интегральной схемы.

Краткое описание чертежей

Изобретение далее описывается в неограничительной форме и со ссылками на прилагаемые чертежи, из которых:

фиг. 1 - вид в поперечном разрезе микроволнового прибора с настраиваемым земляным слоем на EBG-кристаллах;

фиг. 2 - вид сверху другого варианта осуществления согласно изобретению, в котором микроволновое устройство содержит круговой резонатор полоскового излучателя,

фиг. 3 - вид сверху еще одного варианта осуществления, в котором микроволновое устройство содержит связанные микрополосковые линии,

фиг. 4 - вид сверху еще одного варианта осуществления, в котором микроволновое устройство содержит настраиваемую индукторную катушку,

фиг. 5 - вид в поперечном разрезе устройства согласно изобретению в соответствии с еще одним вариантом осуществления,

фиг. 6 - устройство согласно изобретению, в котором земляной слой содержит многослойную структуру, в которой первый и второй слои выбираются для настройки.

Подробное описание изобретения

Фиг. 1 показывает микроволновое устройство 10 согласно одному варианту осуществления изобретения. Микроволновое устройство 10 содержит микроволновый компонент 11, в данном случае содержащий, например, резонатор полоскового излучателя и подложку 5, например, из Si. Слоистая структура, формирующая земляной слой, размещена на подложке 5 и содержит первый металлический слой 1, в данном случае EBG, структурированный поверх слоя 2 сегнетоэлектрической пленки, который является настраиваемым. Сегнетоэлектрические пленки предложены для микроволновых применений в US-A-6 187717. В этом документе установлено, что сегнетоэлектрики, имеющие большую диэлектрическую постоянную, позволяют достичь значительного уменьшения в размерах, а также зависимости напряжения постоянного тока от диэлектрической проницаемости. Это делает сегнетоэлектрические материалы полезными для применений, где желательно иметь настраиваемые микроволновые устройства малых размеров. Этот документ включен в настоящее описание посредством ссылки.

Слой 2 сегнетоэлектрической пленки может содержать SrTiO₃, Ba_x Sr_1-x TiO₃ или любой другой материал с аналогичными свойствами. Сегнетоэлектрическая пленка размещается на втором металлическом слое 3, в данном случае, например, содержащем Pt (или Cu, Au, Ag и т.д.). Первый металлический слой 1 является структурированным. Он может быть регулярно структурированным или нерегулярно структурированным. В данной реализации он выполнен регулярно структурированным для образования полосок с шагом, например, в λ/2 (длина волны в среде) или меньше этого. Предпочтительно он содержит материал 2D EBG.

Слой 2 сегнетоэлектрической пленки, показанный в этом варианте осуществления, является неструктурированным. Однако он также может быть структурированным аналогично первому металлическому слою 1 или любым иным образом. Резонатор 11 полоскового излучателя (или любой другой пассивный микроволновый компонент) отделен от поверхности EBG (т.е. верхней поверхности первого структурированного металлического слоя 1) посредством диэлектрика 4 с низкой диэлектрической проницаемостью и низкими потерями, например, из BCB или любого другого полимера (или любого другого материала с аналогичными свойствами).

Для настройки микроволнового компонента (в данном случае резонатора 11 полоскового излучателя) настроечное напряжение (менее 100 В, предпочтительно менее 10, например 5 В) прикладывается между первым металлическим слоем 1 и вторым металлическим слоем 3 (земляным слоем). Настройка импеданса земляного слоя EBG будет изменять частоту настройки резонатора 11 полоскового излучателя.

Эта структура может, например, быть интегрированной с ИС на Si и подходит для применения на высоких частотах, например, до 20 ГГц и выше.

Следует отметить, что смещение по постоянному току имеет не микроволновый компонент (в данном случае резонатор 11 полоскового излучателя), а вместо этого первый и второй металлические слои, где выполняется настройка поверхности земляного слоя и, следовательно, резонансной частоты.

На фиг. 2 показано устройство 20, во многом аналогичное устройству по фиг. 1, на виде сверху. Показан микроволновый компонент 12, содержащий круговой резонатор полоскового излучателя поверх диэлектрического слоя, например, из BCB (не показан на чертеже). Диэлектрический слой размещен на первом металлическом слое 1', содержащем структурированный слой 2D EBG-кристаллов, в данном случае он содержит прямоугольные полоски. Слой сегнетоэлектрической пленки, на котором размещен первый электрический слой, не виден на чертеже, как и второй металлический слой. Однако структура во многом соответствует структуре по фиг. 1. Земляной слой размещен на слое 5' подложки, например, из Si. Понятно, что резонатор полоскового излучателя не обязательно должен быть круговым, а может иметь любую подходящую форму, может быть более одного излучателя и т.д.

На фиг. 3 показан вид сверху микроволнового устройства 30, содержащего микроволновый компонент в форме связанных микрополосковых линий 13, 13 на диэлектрике (не показан), который размещен на настраиваемом земляном слое, как на фиг. 1, для которого показан только первый структурированный металлический слой 1''. Земляной слой размещен на слое 5'' подложки из Si (в данном случае). Устройство 30 может, например, образовывать часть перестраиваемого полосового фильтра. Настройка выполняется в соответствии с фиг. 1.

На фиг. 4 показан вид сверху альтернативного микроволнового устройства 40, содержащего микроволновую интегральную схему в форме индукторной катушки 14 с сосредоточенными параметрами, размещенной на диэлектрике (не показан), размещенном между индукторной катушкой 14 и настраиваемым земляным слоем согласно изобретению (фиг. 1), для которого показан только первый структурированный металлический слой 1''' (2D EBG). Земляной слой предусмотрен на подложке 5'''. Функционирование аналогично описанному со ссылкой на фиг. 1, причем посредством приложения напряжения постоянного тока к первому и второму металлическим слоям поверхность земляного слоя настраивается и, тем самым, настраивается индуктивность индукторной катушки 14.

На фиг. 5 показан вид в поперечном разрезе микроволнового устройства 50. Микроволновый компонент содержит связанные микрополоски 15, 15, 15, размещенные на диэлектрике 4⁴. Диэлектрик 4⁴ размещен на земляном слое, который в данном случае содержит сверху первый структурированный металлический слой 1⁴, слой 2⁴ сегнетоэлектрической пленки, который в данном варианте также является структурированным и который, в свою очередь, размещен на втором металлическом слое 3⁴, который в данном конкретном варианте осуществления также является структурированным. Земляной слой выполнен на подложке 5⁴. Настройка выполняется посредством приложения настроечного напряжения В к первому и второму металлическим слоям.

Наконец, на фиг. 6 показан вид в поперечном разрезе еще одного заявленного устройства 60. Оно содержит резонатор 16 полоскового излучателя, предусмотренный на диэлектрике 4⁵. Земляной слой в данном случае содержит, по порядку сверху, первый структурированный металлический слой 1⁵, сегнетоэлектрический слой 1⁶, дополнительный сегнетоэлектрический слой 2⁶ и второй металлический слой 3⁵. Слоистая структура размещена на подложке 5⁵. В показанном варианте осуществления настроечное напряжение прикладывается к верхнему первому металлическому слою 1⁵ и второму металлическому слою 3⁵. Однако оно также может быть приложено к первому металлическому слою 1⁶ и второму металлическому слою 3⁵ или к первому металлическому слою 1⁵ и другому первому металлическому слою 1⁶. В принципе, возможны любые вариации. Также может быть еще больше первых и вторых металлических слоев и сегнетоэлектрических слоев.

Следует понимать, что изобретение, разумеется, не ограничено конкретными проиллюстрированными вариантами осуществления, а может варьироваться различным образом в объеме формулы изобретения.

Настоящее изобретение относится к настраиваемому микроволновому устройству (10), содержащему микроволновую интегральную схему (11) и подложку (6). Технический результат заключается в повышении эффективности работы и упрощении проектирования микроволновых устройств. Он достигается тем, что устройство содержит слоистую структуру, размещенную между микроволновой интегральной схемой и упомянутой подложкой (5), при этом упомянутая слоистая структура действует в качестве земляного слоя и содержит, по меньшей мере, один регулярно или нерегулярно структурированный первый металлический слой (1), по меньшей мере, один второй металлический слой (3), по меньшей мере, один настраиваемый слой (2) сегнетоэлектрической пленки, причем упомянутые слои размещены таким образом, что слой (2) сегнетоэлектрической пленки предусмотрен между первым металлическим слоем (1) и вторым металлическим слоем (3). 2 н. и 26 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Настраиваемое микроволновое устройство (10; 20; 30; 40; 50), содержащее микроволновую интегральную схему (11; 12; 13; 14; 15) и подложку (6), отличающееся тем, что содержит слоистую структуру, размещенную между упомянутой микроволновой интегральной схемой и подложкой (5; 5'; 5"; 5"'; 5⁴; 5⁵), при этом упомянутая слоистая структура действует в качестве земляного слоя и содержит, по меньшей мере, один регулярно или нерегулярно структурированный первый металлический слой (1; 1'; 1"; 1'"; 1⁴; 1⁵; 1⁶), по меньшей мере, один второй металлический слой (3; 3⁴; 3⁵), по меньшей мере, один настраиваемый слой (2; 2⁴; 2⁵; 2⁶) сегнетоэлектрической пленки, причем упомянутые слои размещены таким образом, что слой(и) (2; 2⁴; 2⁵; 2⁶) сегнетоэлектрической пленки предусмотрен(ы) между первым металлическим слоем (1; 1'; 1"; 1'"; 1⁴; 1⁵; 1⁶) и вторым металлическим слоем (3; 3⁴; 3⁵).2. Настраиваемое микроволновое устройство по п.1, отличающееся тем, что первый(ые) структурированный(ые) металлический(ие) слой(и) (1; 1'; 1"; 1'"; 1⁴; 1⁵; 1⁶) содержит(ат) структурированную структуру кристаллов с электромагнитной запрещенной энергетической зоной.3. Настраиваемое микроволновое устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что слой(и) (2⁴) сегнетоэлектрической пленки является(ются) структурированным(ми).4. Настраиваемое микроволновое устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что слой(и) (2⁴) сегнетоэлектрической пленки является(ются) однородным(и) (2), т.е. неструктурированным(и).5. Настраиваемое микроволновое устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что второй(ые) металлический(е) слой(и) (3) является(ются) однородным(и), т.е. неструктурированным(и).6. Настраиваемое микроволновое устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что второй(ые) металлический(е) слой(и) (3⁴) является(ются) структурированным(и).7. Настраиваемое микроволновое устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что второй(ые) металлический(е) слой(и) (3; 3⁴; 3⁵) содержит(ат) Pt, Cu, Ag, Au или любой другой подходящий металл.8. Настраиваемое микроволновое устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что слой (2; 2⁴; 2⁵; 2⁶) сегнетоэлектрической пленки содержит SrTiO₃, Ва_х Sr_1-x TiO₃ или материал с аналогичными свойствами.9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что структура земляного слоя является настраиваемой, причем для настройки напряжение постоянного тока прикладывается между первым металлическим слоем (1) и вторым металлическим слоем (3).10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что настройка микроволновой интегральной схемы выполняется посредством настройки земляного слоя, в частности, не требуя цепей развязки в схеме.11. Устройство по п.9 или 10, отличающееся тем, что посредством приложения (настроечного) напряжения смещения постоянного тока оказывается влияние на диэлектрическую постоянную первого металлического слоя (1), изменяя импеданс поверхности земляного слоя рядом с микроволновой интегральной схемой.12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что микроволновая схема содержит микрополосковую линию или связанные микрополосковые линии (13, 13; 15, 15, 15).13. Устройство по п.11, отличающееся тем, что микроволновая схема содержит резонатор (11; 12; 16) полоскового излучателя.14. Устройство по п.11, отличающееся тем, что микроволновая схема содержит индукторную катушку (14).15. Устройство по п.11, отличающееся тем, что микроволновый компонент содержит микроволновую линию передачи.16. Устройство по п.11, отличающееся тем, что микроволновый компонент содержит копланарное устройство на полосковых линиях.17. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что подложка содержит полупроводник, например Si, диэлектрик, металл или материал с аналогичными свойствами.18. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что между микроволновым компонентом и (верхним) первым структурированным металлическим слоем (1) предусмотрен диэлектрик (4) с низкой диэлектрической проницаемостью и низкими потерями.19. Устройство по п.18, отличающееся тем, что диэлектрик (4) содержит бензоциклобутен (ВСВ) или любой другой полимер.20. Устройство по любому из пп.9 и 10, 12-16, отличающееся тем, что прикладываемое настроечное напряжение меньше 100 В.21. Устройство по п.20, отличающееся тем, что настроечное напряжение меньше 10 В.22. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что сегнетоэлектрический слой (2) имеет толщину примерно 1-2 мкм.23. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что интегральная схема содержит полупроводниковую ИС.24. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что структура земляного слоя содержит многослойную структуру с несколькими сегнетоэлектрическими слоями (2⁵, 2⁶), при этом каждый сегнетоэлектрический слой размещен между первым металлическим слоем (1⁵) и другим первым металлическим слоем (1⁶) или между первым металлическим слоем (1⁶) и вторым металлическим слоем (3⁵).25. Способ настройки микроволнового устройства, содержащего микроволновую интегральную схему и подложку, отличающийся тем, что микроволновое устройство дополнительно содержит слоистую структуру, действующую в качестве земляного слоя для устройства и размещенную между микроволновой интегральной схемой и подложкой, при этом в способе прикладывают настроечное напряжение постоянного тока между первым структурированным металлическим слоем (1) и вторым металлическим слоем (3), расположенными на противоположных сторонах сегнетоэлектрического слоя (2), причем эти слои (1, 2, 3) образуют земляной слой устройства.26. Способ по п.25, отличающийся тем, что первый структурированный металлический слой содержит структурированную структуру кристаллов с электромагнитной запрещенной энергетической зоной.27. Способ по п.25 или 26, отличающийся тем, что для настройки микроволновой интегральной схемы приложение напряжения постоянного тока оказывает влияние на импеданс на поверхности земляного слоя, тем самым изменяя частоту настройки микроволновой интегральной схемы.28. Способ по п.27, отличающийся тем, что в многослойной структуре земляного слоя, содержащей более двух слоев сегнетоэлектрической пленки, выбирают любой из первого и второго металлических слоев, окружающих любую из сегнетоэлектрических пленок, для настройки микроволновой интегральной схемы.