專利名稱：電壓可調諧變抗器和包括這種變抗器的可調諧器件的制作方法
本申請要求1998年10月16日提交的美國臨時專利申請No.60/104,504的利益。
本發明一般涉及室溫電壓可調諧變抗器和包括這種變抗器的可調諧器件。
相控陣列天線包括發射相控信號以形成一個無線電波束的大量元件。無線電信號能由各個天線元件的相對定相的主動操縱電子地控制。該電子束控制概念適用于發射機和接收機。相控陣列天線與其機械式對應天線相比就其速度、精度、及可靠性而論是優越的。用其電子掃描對應天線代替萬向掃描天線能提供更迅速和準確的目標辨別。借助于一個相控陣列天線系統也能迅速和準確地進行復雜的跟蹤練習。
可調節移相器用來控制在相控陣列天線中的波束。以前在該領域的天線包括在美國專利No.5,307,033、5,032,805、和5,561,407中的鐵電移相器。這些移相器在一個鐵電基片上包括一根或多根微波傳輸帶線作為相位調制元件。通過改變基片上一個電場的強度，能改變鐵電基片的電容率。當一個RF信號通過微波傳輸帶線時，基片的電容率調諧導致相位移動。在這些專利中公開的微波傳輸帶移相器由于鐵電基片的高介電常數，具有高導體損耗和阻抗匹配問題的缺點。
未來通信將采用寬帶跳頻技術，從而在帶上能傳送大量數字數據。用于這些用途的一個關鍵元件是一個低成本快速作用可調諧濾波器。數字數據能按通過控制可調諧濾波器的電路確定的順序在一個頻帶上分布或編碼。這允許幾個用戶在一個公共頻率范圍上發射和接收。
變抗器能獨立地利用，或者能集成到低成本可調諧濾波器中。這些變抗器和濾波器在無數商業和軍事用途中，能用在多個頻率范圍下，包括高于L-帶的頻率。這些用途包括(a)用于無線局域網絡系統的L-帶(1-2GHz)可調諧濾波器、個人通信系統、及衛星通信系統，(b)用于對衛星通信和雷達系統的跳頻的C-帶(4-6GHz)變抗器和可調諧濾波器，(c)用在雷達系統中的X-帶(9-12GHz)變抗器和濾波器，(d)用在衛星電視系統中的Ku-帶(12-18GHz)，及(e)用于衛星通信系統中的KA帶可調諧濾波器。
當今使用的普通變抗器是硅和GaAs基二極管。這些變抗器的性能由電容比值Cmax/Cmin、頻率范圍和品質因數、或規定頻率范圍下的Q因數(1/tanδ)定義。對于用于頻率高達2GHz的這些半導體變抗器的Q因數非常好。然而，在高于2GHz的頻率下，這些變抗器的Q因數迅速變壞。事實上，在10GHz下，用于這些變抗器的Q因數通常只有約30。
已經描述了與一個超導元件相結合把一層薄膜鐵電陶瓷用作一個電壓可調諧元件的變抗器。例如，美國專利No.5,640,042公開了一種薄膜鐵電變抗器，該變抗器具有一個載波基片層、一個沉積在基片上的高溫超導層、一個沉積在金屬層上的薄膜鐵電層、及沉積在薄膜鐵電層上且與調諧器件中的RF傳輸線相電氣接觸地放置的多個金屬導電裝置。使用與一個超導元件相結合的一個鐵電元件的另一種可調諧電容器公開在美國專利No.5,721,194中。
有對這樣的變抗器的需要，變抗器能在高于超導所必需的溫度下和在高達10GHz和以上的頻率下操作，同時保持高Q因數。另外，有對包括這樣的變抗器的微波器件的需要。
一種電壓可調諧介電變抗器包括一個基片，具有一個第一介電常數和帶有大體平面表面；一個可調諧鐵電層，定位在基片的大體平面表面上，可調諧鐵電層具有大于第一介電常數的一個第二介電常數；及第一和第二電極，定位在相對著基片的大體平面表面的可調諧鐵電層的一個表面上。第一和第二電極分離以形成一個第一間隙。施加到電極上的一個偏置電壓改變變抗器在其一個輸入與一個輸出之間的電容。
本發明也包容包括以上變抗器的移相器。這種移相器的一個實施例包括一個環形(rat race)耦合器，帶有一個RF輸入和一個RF輸出；第一和第二微波傳輸帶，定位在環形耦合器上；一個第一反射終端，相鄰第一微波傳輸帶的一端定位；及一個第二反射終端，相鄰第二微波傳輸帶的一端定位，其中第一和第二反射終端每個包括可調諧變抗器之一。
這種移相器的另一個實施例包括一個微波傳輸帶，帶有一個RF輸入和一個RF輸出；第一和第二徑向短線，從微波傳輸帶延伸；一個第一變抗器，定位在第一徑向短線內；及一個第二變抗器，定位在第二徑向短線內，其中第一和第二變抗器的每一個是以上可調諧變抗器之一。
本發明的平面鐵電變抗器能用來在各種微波器件中、和在諸如可調諧濾波器之類的其他器件中產生相位移動。這里的器件在結構上是獨特的，并且甚至在大于10GHz的頻率下也呈現低的插入損耗。諸器件利用低損耗可調諧厚層或膜式介電元件。
當結合附圖閱讀時從最佳實施例的如下描述能得到本發明的充分理解，在附圖中
圖1是按照本發明建造的一種平面電壓可調諧介電變抗器的俯視圖；圖2是沿線2-2得到的、圖1的變抗器的剖視圖；圖3a、3b和3c是曲線圖，表明在各種操作頻率和間隙寬度下按照本發明建造的電壓可調諧介電變抗器的電容和損耗角正切；圖4是帶有一個環形混合耦合器、包括按照本發明建造的變抗器的一種模擬反射終端移相器的俯視圖；圖5是曲線圖，表明在各種頻率和偏置電壓下由圖4的移相器產生的相位移動；圖6是帶有按照本發明建造的一種平面變抗器的加載線電路移相器的俯視圖；圖7是圖7的移相器的等效電路表示；圖8a、8b和8c是曲線圖，表明用于圖6的加載移相器的模擬性能數據；圖9是帶有按照本發明建造的平面變抗器的翅片-線波導管可調諧濾波器的俯視圖；及圖10是曲線圖，表明對于圖9的翅片-線可調諧濾波器的測量數據。
參照附圖，圖1和2是按照本發明建造的一種變抗器10的俯視和剖視圖。變抗器10包括一個帶有大體平面上表面14的基片12。一個可調諧鐵電層16相鄰基片的上表面定位。一對金屬電極18和20定位在鐵電層的頂部上。基片12由一種具有較低介電常數的材料組成，如MgO、氧化鋁、LaAlO3、藍寶石、或陶瓷。對本發明來說，低介電常數是小于約30的介電常數。可調諧鐵電層16由一種具有從約20至約2000范圍內的介電常數、且在約10V/μm的偏置電壓下具有從約10％至約80％范圍內的可調諧能力的材料組成。在該最佳實施例中，該層最好由鈦酸鋇鍶(Barium-Strontium Titanate)BaxSr1-xTiO3(BSTO)、或BSTO合成陶瓷組成，其中x能在從零至一的范圍內。這樣的BSTO合成物的例子包括但不限于BSTO-MgO、BSTO-MgAl2O4、BSTO-CaTiO3、BSTO-MgTiO3、BSTO-MgSrZrTiO6、及其組合。在一個最佳實施例中的可調諧層當經受典型直流偏置電壓，例如范圍從約5伏特至約300伏特的電壓時，具有大于100的介電常數。一個寬度g的間隙22形成在電極18與20之間。必須優化間隙寬度，以便增大最大電容Cmax與最小電容Cmin的比值(Cmax/Cmin)并且增大器件的品質因數(Q)。該間隙的寬度對變抗器參數具有最大的影響。由在其下器件具有最大Cmax/Cmin和最小損耗角正切的寬度確定最佳寬度g。
一個可控制電壓源24由線26和28連接到電極18和20上。該電壓源用來向鐵電層供給一個直流偏置電壓，由此控制層的介電常數。變抗器也包括一個RF輸入30和一個RF輸出32。RF輸入和輸出通過焊接或粘結連接分別連接到電極18和20上。
在最佳實施例中，變抗器可以使用5-50μm的間隙寬度。鐵電層的厚度在從約0.1μm至約20μm的范圍內。一種密封膠34能定位在間隙中，并且能是具有高介電擊穿強度以允許高電壓施加而不會跨過間隙起弧的任何非傳導材料。在最佳實施例中，密封膠能是環氧樹脂或聚氨基甲酸乙酯。
強烈影響變抗器的設計的其他尺寸是圖1中所示的間隙長度L。間隙長度L能通過改變電極的端部36和38的長度而調節。長度的變化對變抗器的電容具有強烈影響。對于該參數將優化間隙長度。一旦已經選擇間隙寬度，電容就成為長度L的線性函數。對于希望的電容，能用經驗、或經計算機模擬確定長度L。
可調諧鐵電層的厚度對Cmax/Cmin也具有強烈影響。鐵電層的最佳厚度由在其下最大Cmax/Cmin出現的厚度確定。圖1和2的變抗器的鐵電層能包括一種薄膜、厚膜、或厚層鐵電材料，如鈦酸鋇鍶BaxSr1-xTiO3(BSTO)、BSTO和各種氧化物、或具有各種添加摻雜物材料的BSTO合成物。所有這些材料呈現較低的損耗角正切。對于本描述來說，為了在從約1.0GHz至約10GHz的范圍內的頻率下操作，損耗角正切應在從約0.0001至約0.001的范圍內。為了在從約10GHz至約20GHz的范圍內的頻率下操作，損耗角正切應在從約0.001至約0.01的范圍內。為了在從約20GHz至約30GHz的范圍內的頻率下操作，損耗角正切應在從約0.005至約0.02的范圍內。
電極可以以包含一個預定寬度間隙的任何幾何尺寸或形狀構造。對于本發明中公開的變抗器的電容操縱要求的電流典型地小于1μA。在該最佳實施例中，電極材料是金。然而，也可以使用其他導體，如銅、銀或鋁。金耐腐蝕，并且能容易地粘結到RF輸入和輸出上。銅提供高傳導率，并且一般涂有用于粘結的金或用于焊接的鎳。
圖1和2表示一種電壓可調諧平面變抗器，該變抗器在一種單層可調諧厚層、厚膜或薄膜電介質上以一個預定間隙距離帶有一個平面電極。施加電壓產生一個跨過可調諧電介質的間隙的電場，該電場產生變抗器電容的整體變化。間隙的寬度能在從5至50μm的范圍內，這取決于性能要求。變抗器也能集成到無數可調諧器件中，如聯系變抗器通常使用的那些器件中。
本發明電壓可調諧介電變抗器的最佳實施例當在從約1GHz至約40GHz的范圍內的頻率下操作時，具有在從約50至約10,000范圍內的Q因數。對于10和20μm的間隙距離在3、10和20GHz下測量的變抗器的電容(為pF)和損耗因數(tanδ)表示在圖3a、3b和3c中。基基于表示在圖3a、3b和3c中的數據，用于變抗器的Q近擬如下在3GHz下為200，在10GHz下為80，在20GHz下為45-55。作為比較，用于GaAS半導體二極管變抗器的典型Q如下在2GHz下為175，在10GHz下為35，及更高頻率下要小得多。因此在大于或等于10GHz的頻率下，本發明的變抗器具有好得多的Q因數。
圖4表示用在1.8至1.9GHz的操作范圍內帶有按照本發明建造的變抗器的一種移相器40的俯視圖。移相器40包括一個環形耦合器42、兩個反射終端44、46及連接到圖1中所示而沒有表示在圖4中的變抗器上的一個偏置電路。反射終端的每一個包括圖1和2的一個鐵電變抗器、和一個電感器48、50的串聯組合。兩個直流塊52和54分別安裝在環形耦合器的輸入56和輸出58的臂上。直流塊可以按照已知技術建造，如通過使用一個安裝具有高電容的電容器的表面或一個分布通帶濾波器。
在施加變抗器偏置電壓0至300伏特直流的范圍內，實現對于圖4的移相器的試驗結果，如圖5中所示。品質因數是約110，在1.8至1.9GHz的頻率范圍上的相對相位移動誤差小于3％。移相器的插入損耗是約1.0dB，這包括與金屬膜中的誤匹配和損耗有關的0.5dB。器件的操作溫度是300°K。
圖6是基于一個加載線62微波傳輸帶電路的一種10GHz移相器60的俯視圖。兩個平面鐵電變抗器10包括在線62的間隙64、66中。一個RF信號分別經50歐姆微波傳輸帶68和70輸入和輸出。中心微波傳輸帶在該例子中具有40歐姆阻抗。四分之一波長徑向短線72、74、76和78用作阻抗匹配。變抗器由經接觸墊80和導線82施加的直流偏壓調諧。兩個直流塊84和86類似于在圖4中討論的那些。圖6的移相器的等效電路，沒有直流塊，表示在圖7中。插入損耗的計算值(S21)、反射系數(S11)及對于變抗器電容在從0.4pF至0.8 pF范圍內器件的相位移動(ΔΦ)表示在圖8a、8b和8c中。對于圖6移相器的品質因數在約0.5GHz的頻率范圍上是180deg/dB。該器件適于其中相位移動要求小于100deg的用途。
圖9是帶有基于在一個矩形波導管中的對稱翅片線的四個鐵電變抗器的一種可調諧濾波器88的俯視圖。在本發明的該實施例中，通過把幾個鐵電變抗器安裝在一個翅片線波導管上在室溫下實現一種電氣可調諧濾波器。翅片線構造包括在波導管96的中心處沿其縱向軸線放置的具有0.2mm厚度的三個銅箔板90、92和94。帶有短端翅片線諧振器98和100的兩塊側板由于與波導管接觸而接地。中心板92對于來自波導管的直流電壓用云母102和104絕緣，并且用來把控制電壓(Ub)施加到可調諧介電變抗器106、108、110和112上。可調諧鐵電變抗器焊接于在板90與92之間的翅片線變抗器的端部中。凸緣114和116支撐諸塊板。圖9的濾波器的頻率響應表示在圖10中。在調諧AF-0.8GHz(-4％)的頻率范圍中，濾波器表現出不大于0.9dB的插入損耗(L0)和在L0級下的Δf/f-2.0％的帶寬。對于中心頻率的反射系數對于調諧范圍的任何點不大于20dB。包含在調諧ΔF頻率范圍內的濾波器的頻帶Δf的數量是約ΔF/Δf＝2。注意偏置電壓越高，濾波器的可能調諧越大。
通過利用預定尺寸的低損耗(tanδ＜0.02)電介質的獨特用途，本發明提供一種超過半導體變抗器的高頻(＞3GHz)性能的高頻大功率變抗器。在本發明中也實現了把這些變抗器應用于可調諧器件中。描述了變抗器在移相器和可調諧濾波器中的特定用途的幾個例子。本發明具有多種實際用途，并且公開器件的多種其他修改對于熟悉本專業的技術人員是顯然的，而不脫離本發明的精神和范圍。另外，本發明的可調諧介電變抗器已經增大了RF功率處理能力，并且降低了功率消耗和成本。
本發明提供能用在室溫電壓可調諧器件中的電壓可調諧厚層、厚膜、薄膜變抗器，這些器件有濾波器、移相器、電壓控制振蕩器、延遲線、及可調諧諧振器、或其任何組合。為變抗器提供的例子是翅片線可調諧濾波器和移相器。翅片濾波器包括兩個或多個變抗器，并且基于在一個矩形波導管中的一根對稱翅片線。示范移相器包含帶有混合耦合器的反射終端和有平面變抗器并入的加載線電路。示范移相器能在2、10、20、和30GHz的頻率下操作。
盡管根據當前是其最佳實施例的例子已經描述了本發明，但能進行這樣的實施例的各種修改，而不脫離由權利要求書定義的本發明的范圍。
權利要求
1.一種電壓可調諧介電變抗器，包括一個基片，具有一個第一介電常數和帶有大體一個平面表面；一個可調諧鐵電層，定位在基片的大體平面表面上，可調諧鐵電層具有大于所述第一介電常數的一個第二介電常數；及第一和第二電極，定位在相對著基片的大體平面表面的可調諧鐵電層的一個表面上，所述第一和第二電極分離以在其之間形成一個間隙。
2.根據權利要求1所述的電壓可調諧介電變抗器，進一步包括在所述間隙中的一種絕緣材料。
3.根據權利要求1所述的電壓可調諧介電變抗器，其中可調諧鐵電層具有大于約100的介電常數。
4.根據權利要求1所述的電壓可調諧介電變抗器，其中基片具有小于約30的介電常數。
5.根據權利要求1所述的電壓可調諧介電變抗器，其中可調諧鐵電層具有從約20至約2000范圍內的介電常數、和在約10V/μm的偏置電壓下從約10％至約80％范圍內的可調諧能力。
6.根據權利要求1所述的電壓可調諧介電變抗器，其中基片包括如下組的一種MgO、氧化鋁、LaAlO3、藍寶石、和陶瓷。
7.根據權利要求1所述的電壓可調諧介電變抗器，其中可調諧鐵電層包括如下之一一層可調諧鐵電厚膜；一層可調諧鐵電厚層陶瓷；及一層可調諧鐵電薄膜。
8.根據權利要求1所述的電壓可調諧介電變抗器，其中可調諧鐵電包括一個RF輸入和一個RF輸出以便在一個第一方向經可調諧鐵電層通過一個RF信號，及其中間隙在基本上垂直于第一方向的第二方向延伸。
9.一種反射終端移相器，包括一個環形耦合器，帶有一個RF輸入和一個RF輸出；第一和第二短線，定位在所述環形耦合器上；一個第一反射終端，相鄰所述第一短線的一端定位；及一個第二反射終端，相鄰所述第二短線的一端定位；其中所述第一反射終端和所述第二反射終端的每一個包括一個可調諧變抗器，該可調諧變抗器包括一個基片，具有一個第一介電常數和帶有大體平面表面；一個可調諧鐵電層，定位在基片的大體平面表面上，可調諧鐵電層具有大于所述第一介電常數的一個第二介電常數；及第一和第二電極，定位在相對著基片的大體平面表面的可調諧鐵電層的一個表面上，所述第一和第二電極分離以在其之間形成一個間隙。
10.根據權利要求9所述的反射終端移相器，其中可調諧鐵電層具有大于約100的介電常數。
11.根據權利要求9所述的反射終端移相器，其中基片具有小于約30的介電常數。
12.根據權利要求9所述的反射終端移相器，其中所述第一反射終端和所述第二反射終端的每一個進一步包括一個與所述變抗器電氣串聯的電感器。
13.根據權利要求9所述的反射終端移相器，進一步包括第一和第二直流塊，所述第一直流塊定位在所述RF輸入中，而所述第二直流塊定位在所述RF輸出中。
14.一種加載線移相器，包括一個微波傳輸帶，帶有一個RF輸入和一個RF輸出；第一和第二徑向短線，從所述微波傳輸帶延伸；一個第一變抗器，定位在所述第一徑向短線中；及一個第二變抗器，定位在所述第二徑向短線中；其中所述第一變抗器和所述第二變抗器的每一個包括一個基片，具有一個第一介電常數和帶有大體平面表面；一個可調諧鐵電層，定位在基片的大體平面表面上，可調諧鐵電層具有大于所述第一介電常數的一個第二介電常數；及第一和第二電極，定位在相對著基片的大體平面表面的可調諧鐵電層的一個表面上，所述第一和第二電極分離以在其之間形成一個間隙。
15.根據權利要求14所述的加載線移相器，其中可調諧鐵電層具有大于約100的介電常數。
16.根據權利要求14所述的加載線移相器，其中基片具有小于約30的介電常數。
17.一種可調諧翅片線濾波器，包括一個矩形波導管；三塊導電板，沿波導管的一個縱向軸線定位，其中所述導電板之一與所述波導管絕緣；兩塊側板，具有短端翅片線諧振器，并且接地到波導管上；及多個變抗器，所述變抗器之一電氣耦合到翅片線諧振器的每一個上；其中可調諧變抗器包括一個基片，具有一個第一介電常數和帶有大體平面表面；一個可調諧鐵電層，定位在基片的大體平面表面上，可調諧鐵電層具有大于所述第一介電常數的一個第二介電常數；及第一和第二電極，定位在相對著基片的大體平面表面的可調諧鐵電層的一個表面上，所述第一和第二電極分離以在其之間形成一個間隙。
18.根據權利要求17所述的可調諧翅片線濾波器，其中可調諧鐵電層具有大于約100的介電常數。
19.根據權利要求17所述的可調諧翅片線濾波器，其中基片具有小于約30的介電常數。
全文摘要
一種電壓可調諧介電變抗器包括:一個基片,具有一個第一介電常數和帶有大體平面表面;一個可調諧鐵電層,定位在基片的大體平面表面上;及第一和第二電極,定位在相對著基片的大體平面表面的可調諧鐵電層的一個表面上。第一和第二電極分離以在其之間形成一個間隙。該變抗器包括一個用來接收一個射頻信號的輸入和一個用來發送射頻信號的輸出。施加到電極上的一個偏置電壓改變變抗器在其一個輸入與一個輸出之間的電容。也描述了包括該變抗器的移相器和濾波器。
文檔編號H01P1/201GK1326599SQ99813275
公開日2001年12月12日 申請日期1999年10月15日 優先權日1998年10月16日
發明者路易斯·森古塔, 史蒂文·C·斯特沃爾, 朱永飛, 瑟納斯·森古塔, 魯納·H·丘, 張虛白, 安德雷·克澤勒夫 申請人:帕拉泰克微波公司