ДЕФЛЕКТОРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2014 года по МПК H01Q3/00 

Заявляемое изобретение относится к области телекоммуникаций, а более конкретно - к устройствам для отклонения направленного электромагнитного излучения, и может применяться в радиотехнических конструкциях, в частности в малогабаритных радарных системах.

В системах, использующих направленное электромагнитное излучение, часто возникают проблемы, связанные с изменением вектора распространения волны. К наиболее простым решениям относятся системы, основанные на переориентации излучающей антенны (см., например, патент США № 4156241) [1]. Подобные конструкции широко распространены в радиотехнике и достаточно эффективно решают стоящие перед ними задачи. Однако они имеют серьезный недостаток, связанный с тем, что набор их механических элементов не поддается миниатюризации в той степени, в которой этого требует развитие современной микроэлектроники.

В диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) излучающие антенны могут иметь малый размер, но поворотные (отклоняющие) устройства на механической основе ограничивают возможность уменьшения общих размеров СВЧ-устройств с изменяемой диаграммой направленности. Одно из удачных решений этой проблемы предложено в патенте США № 4323901 [2], в котором описано устройство, обеспечивающее отклонение проходящей сквозь него электромагнитной волны. В этом устройстве используется структура, которая состоит из двух активных слоев (сегнетоэлектрический материал), каждый из которых имеет две параллельные поверхности, на одну из которых падает плоская волна. Первый активный слой находится над вторым, оба они имеют идентичные размеры. Проводящая пластина из оксида титана, выполняющая функцию электрода (земли), расположена между первым и вторым активными слоями и имеет механический, без воздушных зазоров, контакт с ними. На верхнюю и нижнюю поверхность данной многослойной структуры нанесены электроды, выполненные из оксида индия, в форме набора полосковых проводников, причем полоски, нанесенные на верхнюю и нижнюю поверхность многослойной структуры, должны быть взаимно перпендикулярны. Поверх верхнего и нижнего электродов наносится диэлектрическая пленка для ограничения контакта (согласования) структуры с внешней средой.

Упомянутые решения [1] и [2], как и все другие аналоги, имеют ряд недостатков, а именно:

- Высокий уровень тепловой энергии, выделяемой в высокорезистивных слоях при подаче управляющего напряжения;

- высокий уровень СВЧ потерь;

- необходимость использования не менее двух активных слоев для режима 2D сканирования, что ведет к усложнению технологического процесса изготовления дефлекторной структуры и увеличению СВЧ потерь;

- сложная схема подачи управляющего напряжения.

С учетом указанных недостатков техническое решение [2] было выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании такого усовершенствованного устройства, которое обеспечивало бы:

- снижение уровня тепловой энергии, выделяемой в высокорезистивных слоях при подаче управляющего напряжения;

- снижение уровня СВЧ потерь;

- упрощение технологического процесса изготовления дефлекторной структуры;

- упрощение схемы подачи управляющего напряжения.

Технический результат достигается за счет разработки трех вариантов отклоняющей структуры (дефлекторного устройства) для направленного электромагнитного излучения, причем в первом варианте устройство выполнено в виде многослойной отклоняющей структуры, содержащей, по меньшей мере, два активных слоя, выполненных из сегнетоэлектрического материала и расположенных между двумя высокорезистивными слоями, выполняющими функцию электродов; третий высокорезистивный слой, расположенный между двумя активными слоями и так же выполняющий функцию электрода; два согласующих слоя на обеих сторонах всей многослойной структуры; источники напряжения, при этом заявляемое по первому варианту устройство отличается от известных решений тем, что:

- каждый высокорезистивный слой (электрод) выполнен в форме набора полосковых проводников, соединенных гальванически с одной стороны активного слоя полосковым проводником, выполненным из того же высокорезистивного материала, что и 2.1, 2.2, на котором нанесены две пары контактных площадок 6.1 ,6.2 и 6.3, 6.4 таким образом, что полосковый проводник 5.1 с контактными площадками 6.1, 6.2 первого высокорезистивного слоя 2.1 должен быть перпендикулярен полосковому проводнику 5.2 с контактными площадками 6.3, 6.4 второго высокорезистивного слоя 2.2;

первый источник напряжения Ux подключен к дефлектору через контактные площадки 6.1, 6.2 на полосковом проводнике 5.1 и выполнен с возможностью подачи управляющего напряжения Ux1 - Ux2 на первый высокорезистивный слой 2.1, второй источник напряжения Uy подключен к дефлектору через контактные площадки 6.3, 6.4 на полосковом проводнике 5.2 и выполнен с возможностью подачи управляющего напряжения Uy1-Uy2 на второй высокорезистивный слой 2.2, таким образом распределение напряжения между высокорезистивными слоями 2.1, 2.2 и слоем 4 задается через распределение электрического потенциала вдоль полосковых проводников 5.1, 5.2 между контактными площадками 6.1, 6.2 и 6.3, 6.4.

Этот предпочтительный вариант конструкции заявляемого устройства представлен на Фиг.1. Основной функцией устройства является отклонение электромагнитной волны, проходящей сквозь него. Плоская волна падает на поверхность согласующего слоя 1.1 и излучается с поверхности согласующего слоя 1.2. Принцип работы устройства основан на изменении фазового набега сигнала СВЧ, проходящего сквозь устройство, на различных участках активных слоев 3.1, 3.2 при подаче управляющего напряжения. Для использования режима 2D сканирования необходимо использовать два активных слоя 3.1. 3.2, для 1D режима можно использовать один активный слой 3.1 или 3.2. При использовании устройства в СВЧ-диапазоне, в качестве нелинейного материала для активных слоев может быть использован сегнетоэлектрик в параэлектрической фазе. В таком случае величина фазового набега СВЧ-сигнала, проходящего сквозь активные слои 3.1, 3.2, может быть изменена за счет варьирования диэлектрической проницаемости при приложении электрического поля между электродами 2.1, 2.2 и электродом 4. Ввиду того, что СВЧ-сигнал проходит сквозь электроды 2.1, 2.2 и 4, они должны быть изготовлены из высокорезистивного материала, прозрачного для СВЧ, к тому же их толщина должна быть меньше чем скин-слой, иначе это приведет к высоким потерям в структуре. Уровень СВЧ-потерь в устройстве может быть снижен, если электроды 2.1, 2.2 использовать не сплошные, а представляющие собою набор полосковых проводников.

Для подачи управляющего напряжения электроды 2.1, 2.2 должны быть гальванически соединены с резистивными полосковыми проводниками 5.1, 5.2 на одном конце сегнетоэлектрических пластин 3.1, 3.2, как показано на Фиг.1. На полосковый проводник 5.1 должны быть нанесены контактные площадки 6.1 и 6.2 для подачи управляющих напряжений Ux1 и Ux2. Это позволяет изменять распределение электрического потенциала на слоях 2.1, 2.2 с использованием одного источника напряжения. Полосковый проводник 5.2 по аналогии с 5.1 должен иметь контактные площадки 6.3 и 6.4 для подачи управляющего напряжения Uy1 и Uy2. Для эффективного отклонения электромагнитной волны должен быть создан градиент по диэлектрической проницаемости вдоль активных слоев 3.1, 3.2 в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. Это может быть сделано за счет приложения потенциала Ux1-Ux2 и Uy1-Uy2 к электродам 2.1, 2.2 через полосковые проводники 5.1 и 5.2, соответственно (см. Фиг.1).

Для согласования отклоняющего устройства с внешней средой необходимо использовать диэлектрические согласующие слои 1.1 и 1.2. Следует отметить, что в высокорезистивных слоях наблюдаются высокие уровни рассеяния энергии управляющих сигналов. В заявляемом устройстве эффект нагрева активного материала отсутствует за счет вынесения резистивного делителя на край подложки 5.1, 5.2. Что касается уровня вносимых СВЧ-потерь, то снижения уровня в данном случае удается добиться за счет применения электродов в форме набора полосковых проводников. Еще один вариант структуры дефлектора схематично приведен на Фиг. 2.

Плоская волна падает на поверхность согласующего слоя 1.1 и излучается с поверхности слоя 1.2. Основное отличие данного варианта устройства от варианта, описанного в первом варианте, является возможность отклонения СВЧ-сигнала в двух ортогональных плоскостях (режим 2D сканирования) с помощью одного активного слоя 7. Это позволяет уменьшить толщину структуры, а следовательно, снизить СВЧ-потери и упростить технологический процесс изготовления устройства. Возможность отклонения луча с помощью одного активного слоя достигается за счет модификации метода подачи управляющего напряжения по сравнению с методом, описанным в первом варианте. Для приложения управляющего напряжения используются электроды 8, 4. Электрод 4 представляет собой сплошную пленку, в то время как электрод 8 состоит из набора полосковых проводников с металлическими контактными площадками 9.1, 9.2, причем контактные площадки должны присутствовать на обеих торцевых сторонах каждого полоскового проводника (см. Фиг.2). Ввиду того, что СВЧ-сигнал проходит сквозь электроды 8 и 4, они должны быть изготовлены из высокорезистивного материала, прозрачного для СВЧ, к тому же их толщина должна быть меньше, чем толщина скин-слоя, иначе это приведет к высокому уровню СВЧ-потерь в отклоняющей структуре. По сравнению с первым вариантом конструкции дефлектора, два различных градиента по электрическому потенциалу подаются на оба края электрода 8 (см. Фиг. 2). Подобный метод подачи напряжения создает неравномерное распределение потенциала на поверхности слоя 7 в двух взаимно перпендикулярных направлениях, что позволяет реализовать 2D режим сканирования с использованием одного активного слоя 7. В заявляемом устройстве режим 2D сканирования может быть обеспечен с использованием одного активного слоя 7, что позволит упростить технологию изготовления, уменьшить толщину и, как следствие, снизить СВЧ-потери. Следует отметить, что многослойная отклоняющая структура по данному варианту может быть выполнена таким образом, что активный слой 7 представляет собой многослойную структуру, состоящую из набора сегнетоэлектрических слоев 10 и высокорезистивных электродов 11 между ними.

Таким образом, заявляемая конструкция дефлекторной структуры позволяет уменьшить уровень выделяемой энергии в плоскости апертуры при приложении управляющего напряжения, СВЧ-потери и величину управляющего напряжения.

Существо изобретения поясняется также с привлечением графических материалов.

Фиг. 1 - Двухслойная отклоняющая (дефлекторная) структура.

Фиг. 2 - Отклоняющая (дефлекторная) структура с одним активным слоем и с возможностью режима 2D сканирования.

Фиг. 3 - Структура с многослойным активным слоем.

Фиг. 4 - Прототип (патент США № US 4323901).

Фиг. 5 - Вариант реализации с выносными резисторами.

Части устройства 1.1, 1.2, 3.1, 3.2 могут быть изготовлены с использованием технологии спекания керамики. В качестве материала согласующих слоев 1.1, 1.2 могут быть использованы линейные диэлектрики. Активные слои 3.1, 3.2 изготавливаются из сегнетоэлектрических материалов. Электроды 2.1, 2.2, 4 для уменьшения СВЧ-потерь в структуре должны иметь толщину в соответствии с неравенством t<<δ (где t - толщина электрода, δ - толщина скин-слоя), данные слои могут быть изготовлены с помощью магнетронной или золь-гель технологии. Слои 2.1, 4 и 2.2, 4 должны быть нанесены на обе стороны активных слоев 3.1 и 3.2 соответственно. После нанесения электродных слоев должна быть проведена операция фотолитографии, для формирования топологии прозрачных (высокорезистивных) электродов 2.1, 2.2. В качестве материала для слоев 2.1, 2.2, 4 могут быть использованы ZnO, TiО₂, TaN и твердые растворы Si, Ti и Се.

Технология создания данного варианта структуры аналогична технологии, описанной выше, отличием является нанесение металлических контактных площадок 9.1, 9.2 на оба конца каждого полоскового проводника из слоя 8. Для нанесения контактных площадок 9.1, 9.2 может быть использована технология вакуумного напыления с использованием топологической маски.

На Фиг. 5 представлен вариант реализации отклоняющей структуры, в которой отклоняющая структура содержит, по меньшей мере, два активных слоя 3.1 и 3.2, выполненных из сегнетоэлектрического материала и расположенных между высокорезистивными слоями; высокорезистивный слой 4, расположенный между двумя активными слоями 3.1 и 3.2; два согласующих слоя 1.1 и 1.2 на обеих сторонах многослойной отклоняющей структуры; источники напряжения Ux и Uy, при этом отличительными признаками данного решения является то, что высокорезистивные слои выполнены в форме набора полосковых проводников, закороченных между собой серией последовательно соединенных резисторов, вынесенных за площадь активного слоя, причем полосковые проводники первого высокорезистивного слоя расположены перпендикулярно полосковым проводникам второго высокорезистивного слоя; первый источник напряжения Ux выполнен с возможностью создания разности потенциалов Uxl-Ux2 на концах цепочки резисторов, присоединенных к первому высокорезистивному слою; второй источник напряжения Uy выполнен с возможностью создания разности потенциалов Uyl-Uy2 на концах цепочки резисторов, присоединенных к второму высокорезистивному слою. В заявляемом варианте эффект нагрева активного материала отсутствует за счет вынесения резистивных элементов за пределы полосковых проводников, образующих высокорезистивные слои 2.1 и 2.2.

Заявляемое устройство может найти широкое применение в телекоммуникационных и радарных системах.

Изобретение относится к области телекоммуникаций, а более конкретно - к устройствам для отклонения направленного электромагнитного излучения, и может применяться в радиотехнических конструкциях, в частности в малогабаритных радарных системах. Технический результат - снижение уровня тепловой энергии, выделяемой в высокорезистивных слоях при подаче управляющего напряжения, снижение уровня СВЧ-потерь, упрощение технологического процесса изготовления дефлекторной структуры, упрощение схемы подачи управляющего напряжения. Для этого многослойная отклоняющая структура содержит два активных слоя, два высокорезистивных слоя, два согласующих слоя, два источника напряжения, причем первый источник напряжения Ux выполнен с возможностью создания разности потенциалов Ux1-Ux2 на контактных площадках первого высокорезистивного слоя; второй источник напряжения Uy выполнен с возможностью создания разности потенциалов Uy1-Uy2 на контактных площадках второго высокорезистивного слоя. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Многослойная отклоняющая структура, содержащая:
- по меньшей мере, два активных слоя, выполненных из сегнетоэлектрического материала и расположенных между двумя высокорезистивными слоями;
- высокорезистивный слой, расположенный между каждой парой активных слоев;
- два согласующих слоя, расположенных на обеих сторонах многослойной отклоняющей структуры;
- два источника напряжения,
отличающаяся тем, что:
- каждый из двух высокорезистивных слоев выполнен в форме набора полосковых проводников, соединенных гальванически с одного торца полосковым проводником, выполненным из того же высокорезистивного материала, причем соединительный полосковый проводник одного высокорезистивного слоя расположен перпендикулярно полосковому проводнику второго высокорезистивного слоя, и на каждом конце каждого соединительного полоскового проводника нанесены контактные площадки;
- первый источник напряжения подключен к контактным площадкам первого высокорезистивного слоя;
- второй источник напряжения подключен к контактным площадкам второго высокорезистивного слоя;
причем:
- первый источник напряжения Ux выполнен с возможностью создания разности потенциалов Ux1-Ux2 на контактных площадках первого высокорезистивного слоя;
- второй источник напряжения Uy выполнен с возможностью создания разности потенциалов Uy1-Uy2 на контактных площадках второго высокорезистивного слоя.

2. Структура по п.1, отличающаяся тем, что активные слои представляют собой многослойную структуру, состоящую из сегнетоэлектрических слоев, перемежающихся с высокорезистивными слоями.

3. Структура по п.1, отличающаяся тем, что согласующие слои выполнены из линейного диэлектрика.

4. Структура по п.1, отличающаяся тем, что толщина высокорезистивных слоев задается в соответствии с неравенством t<<δ, где t - толщина слоя, δ - толщина скин-слоя.

5. Структура по п.1, отличающаяся тем, что высокорезистивные слои изготовлены по технологии тонких пленок.

6. Структура по п.1, отличающаяся тем, что высокорезистивные слои изготовлены из ZnO, TiO₂, TaN.

7. Структура по п.1, отличающаяся тем, что высокорезистивные слои изготовлены из твердого раствора Si-Ti-Ce.

8. Структура по п.1, отличающаяся тем, что форма высокорезистивных слоев образуется с помощью операции фотолитографии.

9. Многослойная отклоняющая структура, содержащая:
- по меньшей мере, один активный слой, изготовленный из сегнетоэлектрического материала;
- высокорезистивный слой, выполненный в форме набора полосковых проводников, размещенных на одной из сторон активного слоя, причем каждый полосковый проводник на обоих концах снабжен контактной площадкой;
- высокорезистивный слой, размещенный на другой стороне активного слоя;
- два согласующих слоя, размещенных на обеих сторонах структуры;
- первый набор источников напряжения, где каждый источник подключен через контактные площадки к каждому полосковому проводнику с одного конца;
- второй набор источников напряжения, где каждый источник подключен через контактные площадки к каждому полосковому проводнику с другого конца,
отличающаяся тем, что источники напряжения выполнены с возможностью создания двух различных градиентов по электрическому потенциалу в двух взаимно перпендикулярных направлениях в плоскости высокорезистивного электрода.

10. Структура по п.9, отличающаяся тем, что
формирование контактных площадок выполнено с помощью
технологии вакуумного напыления с использованием топологической маски.

11. Структура по п.9, отличающаяся тем, что активный слой выполнен в форме многослойной структуры, состоящей из набора сегнетоэлектрических слоев и высокорезистивных слоев между ними.

12. Многослойная отклоняющая структура, содержащая:
- по меньшей мере, два активных слоя, выполненных из сегнетоэлектрического материала и расположенных между высокорезистивными слоями;
- высокорезистивный слой, расположенный между двумя активными слоями;
- два согласующих слоя на обеих сторонах многослойной отклоняющей структуры;
- источники напряжения, отличающаяся тем, что:
- высокорезистивные слои выполнены в форме набора полосковых проводников, закороченных между собой серией последовательно соединенных резисторов, вынесенных за площадь активного слоя, причем полосковые проводники первого высокорезистивного слоя расположены перпендикулярно полосковым проводникам второго высокорезистивного слоя;
- первый источник напряжения Ux выполнен с возможностью создания разности потенциалов Ux1-Ux2 на концах цепочки резисторов, присоединенных к первому высокорезистивному слою;
- второй источник напряжения Uy выполнен с возможностью создания разности потенциалов Uy1-Uy2 на концах цепочки резисторов, присоединенных ко второму высокорезистивному слою.