МАЛОГАБАРИТНЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ СВЧ-ДИАПАЗОНА Российский патент 2014 года по МПК H01P1/18 

Изобретение относится к области микроэлектроники, нанотехнологии, твердотельной электроники и может быть использовано в радиотехнической аппаратуре, в средствах связи, навигации и управления движением, фазированных антенных решетках, в телекоммуникационных системах и системах радиолокации наземного, воздушного и космического базирования.

Известно устройство электронно-перестраиваемого фазовращателя, содержащее микрополосковую линию (МПЛ) на диэлектрической пластине и управляемый электрическим полем фазосдвигающий элемент в виде p-i-n диодов, встроенных в МПЛ [Сегнетоэлектрики в технике СВЧ. Под редакцией О.Г.Вендика. Москва «Советское радио» 1979, с. 12-14].

Недостатком устройства является то, что диодные фазовращатели работают с дискретным сдвигом фазы 11,25°, 22,5°, 45°, 90° и 180°. Следует отметить, что увеличение дискретности шагов приводит к возрастанию потерь, а наличие дополнительных полосковых проводников, согласующих p-i-n диод с волновым сопротивлением МПЛ, снижает верхний диапазон частот.

Известно устройство интегрального фазовращателя, содержащее на пластине МПЛ планарные конденсаторы постоянной емкости в качестве фазосдвигающих элементов. Конденсаторы электрически коммутируются с МПЛ микроэлектромеханическими переключателями [Andrea Borgioli, IEET microwave and guided wave letters, vol. 10, no. 10, 2000.]. Отрезок МПЛ и конденсатор представляет собой фазосдвигающую ячейку, фазовый сдвиг которой определяет емкость конденсатора и индуктивность отрезка МПЛ, а максимальную величину сдвига фазы фазовращателя определяет количество фазосдвигающих ячеек.

Недостатками устройства являются дискретность сдвига фазы, низкое быстродействие, при этом возникает проблема корпусирования микроэлектромеханических переключателей, что приводит к снижению эксплуатационных параметров и увеличению габаритных размеров.

Наиболее близким по технической сущности является устройство малогабаритного, интегрального, аналогового электронно-перестраиваемого фазовращателя на диапазон частот 6,3…10,0 ГГц, обеспечивающего непрерывный от 0 до 360° сдвиг фазы проходного СВЧ-сигнала в МПЛ.

Устройство содержит на диэлектрической пластине трехпроводную МПЛ и фазосдвигающий элемент. Фазосдвигающий элемент представляет собой электронно-управляемые сегнетоэлектрические конденсаторы, расположенные на пластине между токовым и земляным проводником МПЛ [Baki Acikel u.a.York, IEEE. Microwave and wireless components letters, 2002, vol. 12, №7, p.237-239].

Недостатком устройства является то, что сегнетоэлектрические материалы, обладая высокой диэлектрической проницаемостью, увеличивают до 3,0 дБ потери СВЧ-сигнала на частоте 10 ГГц и, как следствие, ведут к ограничению мощности проходного сигнала в фазовращетеле.

Диссипация СВЧ-энергии в МПЛ и фазосдвигающих элементах приводит к нагреву сегнетоэлектрических конденсаторов выше допустимых температур эксплуатации, что ограничивает на уровне 10 ГГц верхний диапазон частот фазовращателя.

Для реализации функциональных параметров устройства на более высоких частотах конструкция фазовращетеля требует как снижения потерь СВЧ-сигнала, так и увеличения теплоотвода тепла, выделяемого в активных зонах фазовращетеля МПЛ и фазосдвигающем элементе. Для интегрального устройства, совмещающего на одной пластине фазосдвигающий элемент и МПЛ, сложно реализовать функциональные и эксплуатационные параметры фазовращетеля, не усложняя технологию изготовления и не увеличивая габаритные размеры конструкции. Данное решение принято в качестве прототипа для заявленного устройства.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по созданию малогабаритного, электронно-перестраиваемого устройства, обеспечивающего непрерывное изменение сдвига фазы в МПЛ в диапазоне 10-50 ГГц с величиной потерь 1,0 дБ и менее на верхней рабочей частоте.

Получаемый при этом технический результат заключается в повышении функциональных параметров, снижении потерь мощности СВЧ-сигнала, увеличении верхнего диапазона частот, улучшении эксплуатационных параметров устройства, увеличении термостабильности за счет более эффективного теплоотвода из активных зон фазовращателя как от МПЛ, так и фазосдвигающего элемента, размещенного на подложке, не имеющей теплового контакта с МПЛ.

Указанный технический результат достигается тем, что в малогабаритном фазовращателе СВЧ-диапазона, включающем расположенную на диэлектрическом материале микрополосковую линию и размещенные между ее токовым и земляным проводниками сегнетоэлектрические конденсаторы на диэлектрической подложке, диэлектрическим материалом является алмазная пластина, диэлектрическая подложка выполнена из монокристаллического оксида магния с кристаллической ориентацией (100), а в качестве сегнетоэлектрика используют пленку титаната бария-стронция состава Ba_1-xSr_xTiO₃ толщиной 20±5 нм, где x=0,2±0,01. Сегнетоэлектрические конденсаторы соединены с микрополосковой линией при помощи омических контактов.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 показано расположение конденсаторов в фазовращателе, на фиг.2 - топология конденсаторов, а на фиг.3 -конструкция фазовращателя в разрезе.

Фазовращатель содержит на диэлектрической алмазной пластине (1) трехпроводную МПЛ (2), электрически соединенную с фазосдвигающим элементом на монокристаллической подложке оксида магния (3). Фазосдвигающий элемент представляет собой распределенные планарные конденсаторы (4) встречно штыревого типа. Электроды конденсаторов из платины (5) расположены на поверхности тонкопленочного сегнетоэлектрика (6) Ba_1-xSr_xTiO₃, где х=0,2±0,01. Электрическое соединение МПЛ с фазосдвигающим элементом осуществляется через омические контакты конденсаторов (7).

Принцип действия фазовращателя

Сдвиг фазы проходного СВЧ-сигнала основан на замедлении электромагнитной волны в МПЛ (3). Величина фазового сдвига устройства определяется количеством фазосдвигающих ячеек, образованных конденсатором (4) и отрезком МПЛ (3). Изменение (регулировка) сдвига фазы осуществляется подведением управляющего напряжения к электродам конденсаторов. Напряжение, приложенное к сегнетоэлектрику (6), снижает диэлектрическую проницаемость сегнетоэлектрика, следовательно, и емкость конденсатора. Изменение напряжения изменяет емкость конденсаторов и сдвиг фазы фазовращателя, при этом величину перестройки определяет коэффициент перестройки емкости.

Таким образом, изменение управляющего напряжения приводит к изменению фазового пробега проходящей волны в фазовращателе.

Снижение потерь СВЧ-сигнала в фазосдвигающем элементе достигается за счет изготовления планарных конденсаторов в структурно-совершенных наноразмерных пленках сегнетоэлектрика Ba_1-xSr_xTiO₃, где х=0,2±0,01 толщиной 20±5 нм на подложке оксида магния с кристаллической ориентацией (100) и формирования МПЛ на алмазной пластине, обладающей высокой теплопроводностью.

Снижение потерь СВЧ-сигнала в МПЛ и фазосдвигающем элементе, как следствие, снижает диссипацию СВЧ-энергии в фазовращателе, что позволяет увеличить мощность проходного сигнала без увеличения габаритных размеров конструкции фазовращателя.

Увеличение верхнего диапазона частот фазовращателя достигается за счет использования сегнетоэлектрика, обладающего величиной тангенса угла диэлектрических потерь 10^-4 на частоте 100 ГГц.

Высокая перестраиваемость фазовращателя достигается за счет использования наноразмерной пленки сегнетоэлектрика Ba_1-xSr_xTiO₃, состава х=0,2±0,01 и толщиной 20±5 нм, обладающей величиной диэлектрической проницаемости 1200±10 и обеспечивающей при управляющем напряжении коэффициент перестройки емкости планарного конденсатора, равный 2.

Аналоговый режим работы фазовращателя обеспечивается изменением управляющего напряжения. В зависимости от режима управления фазовращатель может работать как в дискретном, так и в непрерывном (аналоговом) режиме.

Для создания фазовращателя применен способ, характеризующийся следующим перечнем операций:

- на поверхность алмазной (диэлектрической) пластины методом электроннолучевого напыления первоначально наносится слой никеля (Ni) толщиной 5 мкм;

- на поверхность металла (Ni) наносится слой олова (Sn) толщиной 0,1±0,01 мкм;

- планарно-групповым методом в слоях металлов никеля и олова формируют трехпроводную МПЛ;

- на поверхность монокристаллической подложки оксида магния через теневую маску методом высокочастотного (ВЧ) реактивного напыления наносят слой сегнетоэлектрика Ba_1-xSr_xTiO₃, состава х=0,2±0,01 и толщиной 20±5 нм,

- на поверхность подложки оксида магния с нанесенной пленкой Ba_1-xSr_xTiO₃ напыляют методом электронно-лучевого напыления сплошной слой платины толщиной 50±5 нм;

- планарно-групповым методом в тонкопленочной платине на поверхности сегнетоэлектрика формируют электроды планарных конденсаторов встречно-штыревого типа и омические контакты конденсаторов;

- на омические контакты конденсаторов через теневую маску наносят слой олова толщиной 0,1±0,01 мкм;

- совмещают электрические контакты конденсаторов с токовым и земляным проводником МПЛ;

- механически фиксируют подложку с фазосдвигающим элементом и пластину с МПЛ;

- подложку и пластину нагревают в вакууме выше температуры плавления легкоплавкого металла (Sn), но ниже 350±20°С (нагрев выше 350°С приводит к изменению кристаллохимических свойств сегнетоэлектрика) и охлаждают до комнатной температуры для создания электрического контакта и механического соединения фазосдвигающего элемента с МПЛ.

Монокристаллическая подложка оксида магния с кристаллографической ориентацией (100) обеспечит формирование структурно-совершенных сегнетоэлектрических пленок Ba_1-xSr_xTiO₃ состава х=0,2±0,01 с величиной тангенса угла диэлектрических потерь 10^-4 на частоте 100 ГГц.

Поликристаллическая и монокристаллическая подложка оксида магния с кристаллографической ориентацией, отличающейся от (100), не обеспечит формирование структурно-совершенных пленок Ba_1-xSr_xTiO₃.

Химический состав сегнетоэлектрика Ba_1-xSr_xTiO₃ при х>0,21, обладая низкой диэлектрической проницаемостью, снизит емкость конденсатора, что потребует дополнительного количества фазосдвигающих ячеек и усложнения конструкции.

Химический состав сегнетоэлектрика Ba_1-xSr_xTiO₃ при х<0,19, обладая величиной тангенса угла диэлектрических потерь ~10^-1 на частоте 30 ГГц, не обеспечит работоспособность на верхней рабочей частоте фазовращателя.

Химический состав сегнетоэлектрика Ba_1-xSr_xTiO₃ при х=0,19-0,21 обеспечит низкие потери мощности СВЧ-сигнала и работоспособность на верхней рабочей частоте фазовращателя.

Толщина пленок Ba_1-xSr_xTiO₃ при х=0,19-0,21 более 25 нм из-за снижения кристаллического совершенства и увеличения диссипации СВЧ-энергии на дефектах структуры не обеспечит работоспособность на верхней рабочей частоте.

Толщина пленок Ba_1-xSr_xTiO₃ при х=0,19-0,21 менее 15 нм не обеспечит работоспособность планарных конденсаторов из-за несплошностей, поскольку шероховатость поверхности оксида магния адекватна толщине пленки.

Толщина пленок 15-25 нм Ba_1-xSr_xTiO₃ при х=0,19-0,21 обеспечит работоспособность электронно-перестраиваемых планарных конденсаторов фазосдвигающего элемента и фазовращетеля с величиной потерь, не превышающих 1,0 дБ на верхней рабочей частоте 50 ГГц.

Способ изготовления фазовращателя с обеспечением кругового сдвига фазы (0°-360°) поясняется следующими примерами.

Пример 1

На одну поверхность (100) монокристаллической подложки оксида магния через теневую маску методом ВЧ реактивного напыления наносят слой сегнетоэлектрика Ba_1-xSr_xTiO₃ состава х=0,2±0,01, толщиной 20±5 нм, с линейным размером 1×1 мм. Толщину монокристаллической подложки оксида магния определяет механическая прочность конструкции.

На поверхность подложки с пленкой Ba_1-xSr_xTiO₃ напыляют методом электронно-лучевого напыления слой платины толщиной в 2-3 раз больше толщины слоя сегнетоэлектрика для обеспечения сплошности и электрической проводимости. Платина, являясь геттером по кислороду, не изменяет физико-химических свойств сегнетоэлектрика и является наиболее предпочтительным материалом для гетероструктур сегнетоэлектриков.

Планарно-групповым методом в тонкопленочной платине на поверхности сегнетоэлектрика формируют электроды встречно-штыревого типа планарных конденсаторов, а на оксиде магния площадки омических контактов конденсаторов размером 0,5×0,5 мм. На омические контакты конденсаторов через теневую маску наносят слой олова толщиной, обеспечивающей сплошность и электрическую проводимость.

Одну поверхность алмазной (диэлектрической) пластины покрывают пленкой металла (Ni) толщиной, равной удвоенной толщине скин-слоя на верхней рабочей частоте (50 ГГц). Далее на поверхность металла (Ni) наносится пленка легкоплавкого металла (Sn) толщиной, обеспечивающей сплошность и электрическую проводимость. Толщину алмазной (диэлектрической) пластины определяет механическая прочность конструкции.

На поверхности металлических пленок планарно-групповым методом с использованием жидкостного травления изготавливают трехпроводную МПЛ с волновым сопротивлением 50 Ом на частоте 50 ГГц.

Затем совмещают электрические контакты конденсаторов с токонесущим центральным и земляным проводником МПЛ и механически фиксируют подложку с фазосдвигающим элементом и пластину с МПЛ.

Подложку и пластину нагревают в вакууме до 240°С выше температуры плавления олова, но ниже 350°С и охлаждают до комнатной температуры для создания электрического контакта и механического соединения фазосдвигающего элемента с МПЛ. Нагрев выше 350°С приводит к изменению кристаллохимических свойств сегнетоэлектрика.

Емкость единичного планарного конденсатора, без управляющего напряжения, составляет 15 ФФ, при подачи на контакты конденсатора управляющего напряжения 15,0 В емкость планарного конденсатора уменьшается до 8 ФФ.

В МПЛ с волновым сопротивлением 50 Ом, сформированной на диэлектрической (алмазной) пластине с величиной диэлектрической проницаемости 5,7, линейный размер токонесущего центрального проводника составляет: ширина 0,2 мкм; расстояние между центральным и заземленными проводниками 10 мкм. Индуктивность на отрезке МПЛ 1,5 мм, ограниченной сосредоточенными конденсаторами, составляет 0,7 нГн. При этом одна фазосдвигающая ячейка обеспечивает фазовый сдвиг 27°. В примере для реализации фазового сдвига на 360° в фазосдвигающем элементе формируется 14 распределенных конденсаторов, а фазовращатель включает 14 последовательно соединенных фазосдвигающих ячеек.

Пример 2

На поверхность поликристаллической подложки оксида магния через теневую маску методом ВЧ реактивного напыления наносят слой сегнетоэлектрика Ba_1-xSr_xTiO₃ состава х=0,2±0,01, толщиной 20±5 нм. Условия, способы напыления сегнетоэлектрика, пленки платины, МПЛ из металла (Ni), пленки легкоплавкого металла (Sn), топология и линейные размеры МПЛ, конденсатора, количество конденсаторов, соединения фазосдвигающего элемента с МПЛ, как в примере 1.

Пример 3

На поверхность (100) монокристаллической подложки оксида магния через теневую маску методом ВЧ реактивного напыления наносят слой сегнетоэлектрика Ba_1-xSr_xTiO₃ состава х=0,2±0,01, толщиной 13±1 нм. Условия, способы напыления сегнетоэлектрика, пленки платины, МПЛ из металла (Ni), пленки легкоплавкого металла (Sn), топология и линейные размеры МПЛ, конденсатора, количество конденсаторов, соединения фазосдвигающего элемента с МПЛ, как в примере 1.

Пример 4

На поверхность (100) монокристаллической подложки оксида магния через теневую маску методом ВЧ реактивного напыления наносят слой сегнетоэлектрика Ba_1-xSr_xTiO₃ состава х=0,2±0,01, толщиной 30±1 нм. Условия, способы напыления сегнетоэлектрика, пленки платины, МПЛ из металла (Ni), пленки легкоплавкого металла (Sn), топология и линейные размеры МПЛ, конденсатора, количество конденсаторов, соединения фазосдвигающего элемента с МПЛ, как в примере 1.

Пример 5

На поверхность (100) монокристаллической подложки оксида магния через теневую маску методом ВЧ реактивного напыления наносят слой сегнетоэлектрика Ba_1-xSr_xTiO₃ состава х=0,1 толщиной 20±5 нм. Условия, способы напыления сегнетоэлектрика, пленки платины, МПЛ из металла (Ni), пленки легкоплавкого металла (Sn), топология и линейные размеры МПЛ, конденсатора, количество конденсаторов, соединения фазосдвигающего элемента с МПЛ, как в примере 1.

В таблице для примеров 1-5 приведены параметры фазовращателя: потери СВЧ-игнала в МПЛ (К, дБ) на частотах 10 ГГц и 50 ГГц.

Измерения потерь СВЧ-сигнала в МПЛ (К, дБ) проведены в состоянии ВКЛ при приложении управляющего напряжения (15 В), обеспечивающего сдвиг фазы фазовращетеля 360°, и в состоянии ВЫКЛ при отсутствии управляющего напряжения (0 В). Постоянное управляющее напряжение подавалось на конденсаторы через токовый проводник МПЛ с помощью устройства подачи смещения.

Мощность непрерывного сигнала на входе МПЛ составляла Р_вх=40 мВт, частота 10 ГГц и 50 ГГц, волновое сопротивление МПЛ 50 Ом.

Потери сигнала (К, дБ) определяли измеряя мощность непрерывного сигнала на выходе (Р_Вых) МПЛ. Значения (К, дБ) определены как К_п=101g (Р_вх/Р_Вых).

Пример 1 2 3 4 5 ВКЛ ВЫКЛ ВКЛ ВЫКЛ ВКЛ ВЫКЛ ВКЛ ВЫКЛ ВКЛ ВЫКЛ К, дБ 10 ГГц 0,5 0,7 0,8 1,1 - - 0,9 1,2 1,5 1,7 50 ГГц 0,7 0,9 1,2 1,5 - - 1,0 1,4 2,1 2,5

Наименьшая величина потерь мощности сигнала на выходе МПЛ (пример 1) достигнута при использовании в фазосдвигающем элементе распределенных, планарных, электронно-перестраиваемых конденсаторов, выполненных в тонкопленочном сегнетоэлектрике Ba_1-xSr_xTiO₃ на монокристаллической подложке оксида магния, что обусловлено структурным совершенством пленок Ba_1-xSr_xTiO₃ и низкой величиной диэлектрических потерь конденсаторов в рабочем диапазоне частот.

Величина фазового сдвига фазовращателя лимитируется количеством фазосдвигающих ячеек. В зависимости от режима управления фазовращатель может работать как в дискретном, так и непрерывном (аналоговом) режиме.

Настоящее изобретение промышленно применимо и может быть изготовлено с использованием достаточно хорошо отработанных технологий. При этом возможно увеличение сдвига фазы адекватным увеличением количества фазосдвигающих ячеек.

Заявляемое устройство обладает повышенной радиационной стойкостью, поскольку функциональные материалы устойчивы к ионизирующим излучениям. Отсутствие корпусирования, дополнительных механических соединений между функциональными узлами устройства, а также дополнительных согласующих устройств на входе и выходе МПЛ, уменьшение числа разъемных позволяет значительно снизить массу, габаритные размеры и повысить надежность устройства.

Изобретение относится к области нанотехнологии и может быть использовано в интегральной СВЧ-электронике для радиотехнической аппаратуры наземного, воздушного, космического базирования. Технический результат - снижение потерь мощности СВЧ-сигнала и увеличение верхнего диапазона частот. Малогабаритный фазовращатель СВЧ-диапазона, включающий расположенную на диэлектрическом материале микрополосковую линию и размещенные между ее токовым и земляным проводниками сегнетоэлектрические конденсаторы на диэлектрической подложке, отличающийся тем, что диэлектрическим материалом является алмазная пластина, диэлектрическая подложка выполнена из монокристаллического оксида магния с кристаллической ориентацией (100), а в качестве сегнетоэлектрика используют пленку барий-стронций титаната состава Ba_1-xSr_xTiO₃ толщиной 20±5 нм, где х=0,2±0,01. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Малогабаритный фазовращатель СВЧ-диапазона, включающий расположенную на диэлектрическом материале микрополосковую линию и размещенные между ее токовым и земляным проводниками сегнетоэлектрические конденсаторы на диэлектрической подложке, отличающийся тем, что диэлектрическим материалом является алмазная пластина, диэлектрическая подложка выполнена из монокристаллического оксида магния с кристаллической ориентацией (100), а в качестве сегнетоэлектрика используют пленку барий-стронций титаната состава Ba_1-xSr_xTiO₃ толщиной 20±5 нм, где х=0,2±0,01.

2. Малогабаритный фазовращатель СВЧ-диапазона по п.1, отличающийся тем, что конденсаторы соединены с микрополосковой линией при помощи омических контактов.