專利名稱：鐵電薄膜移相器及檢測與優化其反射特性的方法
技術領域：
本發明屬于微波工程領域，涉及一種阻抗匹配的鐵電薄膜移相器及檢測與優化其反射特性的方法。
背景技術：
相控陣天線在雷達及通信領域有著廣泛的應用，在高精度相控陣天線中，移相器部分的費用約占整個天線成本的40％。到目前為止，研究得最為廣泛的移相器是基于鐵氧體塊材和半導體開關管制作的。由鐵氧體塊材制作的相控陣天線不容易加工此外其體積比較大，功耗大，并且波束掃描隨控制信號的響應也比較慢。因此在某些要求波束快速掃描的領域有明顯的不足。基于半導體開關管制作的相控陣天線，雖然可以滿足快速波束掃描的要求，但在微波及毫米波頻段，它會產生較高的損耗，導致其功率承載能力很有限。為了克服上述相控陣天線的缺點，從二十世紀六十年代以來，鐵電材料已被研究應用于鐵電調制器件的制作，與鐵磁調制器件及半導體調制器件相比，基于鐵電材料制作的調制器件具有以下優點調制速度快，體積小及重量輕，并且由于它們利用外加電場改變介電常數，所以功耗也很低。
到目前為止，在微波調制器件應用領域研究最為廣泛的鐵電材料是鈦酸鍶鋇薄膜(BaxSr1-xTiO3)，分子式中x/(1-x)是鋇與鍶組份的比例，其x值可從0變到1，相應的鈦酸鍶鋇薄膜的居里轉變溫度點可以從純鈦酸鍶薄膜的居里溫度點(小于0K)到鈦酸鋇薄膜的居里溫度點(約400K)，這樣通過調整鋇鍶組份的方法可以選擇鈦酸鍶鋇薄膜的工作溫區，通常當x取0.5時，鈦酸鍶鋇薄膜常被用來制作在室溫下工作的器件。
在由鐵電薄膜材料制作的移相器中，通常采用兩種結構形式微帶線結構和共面線結構。前者需要設計一個偏置電路用來給鐵電薄膜施加外加電場，因此利用這種結構制作的移相器具有較大的尺寸，不利于器件的小型化；后者利用共面線結構的端口直接給鐵電薄膜提供外加電場，這樣的結構不需要額外的偏置電路，因此這種結構在鐵電薄膜移相器制作方面已得到很多應用，尤其是以共面傳輸線單周期性裝載鐵電可調電容的方案報導得最多。采用共面線結構有下述優點由于鐵電薄膜只存在于制作可調電容的區域，其它地方的鐵電薄膜均被腐蝕或者刻蝕掉，這樣可以減少介電損耗比較大的鐵電薄膜對整個器件損耗的影響；此外，由于介電常數比較大的鐵電薄膜僅僅存在于制作鐵電可調電容的區域，因此這種結構還有助于實現器件與外電路的阻抗匹配。但在這種單周期性裝載鐵電可調電容的結構中，隨著頻率的增加，其反射損耗變得越來越強，相應的其傳輸損耗也逐漸惡化。
發明內容
本發明的目的在于提供一種能夠減小反射損耗、改善其傳輸特性，同時增加其工作頻率帶寬且使其阻抗高度匹配的鐵電薄膜移相器。
本發明的另一目的在于提供一種檢測與優化鐵電薄膜移相器的反射特性的方法。
為實現上述目的，本發明一種鐵電薄膜移相器，所述鐵電薄膜移相器為在共面線上雙周期性地裝載鐵電可調電容，該共面線包括一條傳輸線和兩個位于傳輸線兩側的接地面，接地面和傳輸線共同附著在基片的同一平面上，接地面與傳輸線之間是等寬度的縫。
進一步，所述裝載鐵電可調電容的間距是兩個不等長度的傳輸線，且該兩個不等長度的傳輸線相間地呈周期性排列。
進一步，所述的裝載鐵電可調電容為交叉指狀電容或者平行板電容。
進一步，所述傳輸線和所述接地面為金屬薄膜或者超導薄膜構成。
進一步，所用基片材料為氧化鎂MgO或氧化鋁Al2O3或鋁酸鑭LaAlO3。
進一步，在制作所述裝載鐵電可調電容的區域內均覆蓋有一定厚度的鐵電材料薄膜。
進一步，所述鐵電材料薄膜為鈦酸鍶鋇。
一種檢測與優化鐵電薄膜移相器反射特性的方法，首先將相鄰兩段傳輸線的長度固定，改變裝載可調電容的位置，然后通過計算機仿真查看這種結構的反射及傳輸特性曲線，主要關注其反射幅度的大小及工作帶寬的寬窄，調整裝載鐵電可調電容的位置，利用仿真得出的反射頻率響應曲線，比較判斷出具有反射損耗比較小且工作帶寬又比合適的最終結構。
與現有單周期性裝載可調電容結構相比，本發明采用雙周期性裝載可調電容的辦法來降低移相器的反射損耗，保證了在較寬的工作頻段內，移相器的反射損耗始終被控制在一個較低的水平，并且其反射損耗的極值保持在同一幅度；另外在較高的工作頻段內，由于其反射損耗的降低，相對應的其傳輸特性也有一定程度的提高，這有利于提高器件的品質因子。
圖1是本發明鐵電薄膜移相器共面線結構的截面示意圖；圖2是本發明鐵電薄膜移相器的阻抗匹配理論模型示意圖；圖3是本發明鐵電薄膜移相器的結構的部分俯視圖；圖4是本發明實施例1的Lsect1取不同長度時的計算機仿真得出的頻率響應曲線；圖5是本發明實施例2的計算機仿真得出的頻率響應曲線。
具體實施例方式
圖1中，鐵電薄膜移相器的上層為導體薄膜30，中間是鐵電薄膜介質20，下層是已知介電特性的常用介質基片10，基片由氧化鎂(MgO)或氧化鋁(Al2O3)或鋁酸鑭(LaAlO3)材料制成。鐵電薄膜移相器為共面線結構，共面線結構是指上層共面導體薄膜30構成的幾何結構。圖3中，共面線結構包括一條傳輸線2和兩個位于傳輸線2兩側的接地面(圖中未示出)，接地面和傳輸線2共同附著在基片10的同一平面上，接地面與傳輸線2之間是等寬度的縫，該傳輸線2上雙周期性裝載鐵電可調電容5，所裝載的鐵電可調電容5是交叉指狀電容，也可以為平行板電容。在制作可調電容的區域內覆蓋有一定厚度的鐵電薄膜如鈦酸鍶鋇薄膜，傳輸線2和接地面均由常規金屬薄膜構成，如金或銀或銅或鉑薄膜，也可以用超導薄膜構成。
本發明中設計工作是利用微波仿真軟件如sonnet在計算機上進行的，移相器是按常用平面工藝制作的，即按光刻、干法刻蝕、切割、組裝等工藝步驟制作。在設計過程中，首先將相鄰兩段傳輸線2的長度固定，改變裝載可調電容5CBST1的位置，然后通過計算機仿真查看這種結構的反射及傳輸特性曲線，主要關注反射損耗幅度的大小及移相器工作帶寬的寬窄，修改裝載鐵電可調電容5CBST1的位置，利用仿真得出的反射及傳輸頻率響應曲線，比較判斷出具有反射損耗比較小且工作帶寬又比合適的最終結構。
下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步地描述實施例1圖2和3中，傳輸線21Lsect1和傳輸線22Lsect2均為傳輸線2的其中一部分，保持Lsect1和Lsect2的總長度不變，改變夾在Lsect1和Lsect2之間的鐵電可調電容5的位置，即連接在Lsect1末端的CBST1的位置。當鐵電可調電容5CBST1從單周期性結構(即Lsect1＝Lsect2)增加Lsect1的長度時，從電路的輸入端向右看，其輸入阻抗會隨著CBST1的位置的不同而不同，也就是說輸入阻抗是Lsect1函數。針對采用雙周期性結構設計的移相器來說，存在一個適當的CBST1的位置，即適當的Lsect1長度，使得圖2中鐵電可調電容6CBST2與器件的輸入阻抗相匹配。從電路的頻率響應特性曲線上來看，即電路的反射損耗比較小。在圖2和3中的所有的鐵電可調電容沒有區別，圖2中的CBST1和CBST2完全相同，為了方便解釋，二者僅僅標號不一樣。
圖4是本實施例1中，當Lsect1取不同長度式，器件的頻率響應曲線。圖中曲線B為Lsect1和Lsect2非別取660微米時電路的反射特性曲線；曲線C為Lsect1和Lsect2非別取700微米和620微米時電路的反射特性曲線；曲線D為Lsect1和Lsect2非別取740微米和580微米時電路的反射特性曲線；曲線E為Lsect1和Lsect2非別取780微米和540微米時電路的反射特性曲線；曲線F為Lsect1和Lsect2非別取820微米和500微米時電路的反射特性曲線。從圖4中可以看出，顯然當Lsect1取曲線D所對應的值(即Lsect1＝740微米，Lsect2＝580微米)時，在電路的整個工作頻率范圍內，其反射損耗的極值始終保持在同一幅度。這說明此時電路的阻抗匹配在整個工作頻段內均做得很好。與采用單周期性裝載鐵電可調電容制作的移相器的頻率響應曲線(如圖4中的曲線B)相比，采用雙周期性裝載鐵電可調電容制作的移相器的工作頻率帶寬明顯拓寬了。
實施例2圖3中，在面積為5mm×10mm、表面鍍有金導電薄膜的且在形成可調電容5的區域沉積有300nm厚的鈦酸鍶鋇薄膜的氧化鎂基片1上，采用雙周期性結構制作的如圖3所示的移相器結構版圖。圖5是經過計算機仿真優化后得出移相器的頻率響應曲線，其中，S11為移相器的反射損耗，S21為移相器的傳輸損耗。從圖5中可以看出，其工作頻率范圍從直流一直延伸到14GHz，并且在整個工作頻率范圍內，其反射損耗的極值均小于-17dB，并且保持在同一幅度。本實施例中，仿真選取的MgO介電常數εr＝9.8，介電損耗1.6×10-6，沉積在氧化鎂基片1上的鈦酸鍶鋇薄膜的厚度為300nm，介電常數300，介電損耗0.05。
權利要求
1.一種鐵電薄膜移相器，其特征在于，所述鐵電薄膜移相器為在共面線上雙周期性地裝載鐵電可調電容，該共面線包括一條傳輸線和兩個位于傳輸線兩側的接地面，接地面和傳輸線共同附著在基片的同一平面上，接地面與傳輸線之間是等寬度的縫。
2.根據權利要求1所述的移相器，其特征在于，所述裝載鐵電可調電容的間距是兩個不等長度的傳輸線，且該兩個不等長度的傳輸線相間地呈周期性排列。
3.根據權利要求2所述的移相器，其特征在于，所述的裝載鐵電可調電容為交叉指狀電容或者平行板電容。
4.根據權利要求3所述的移相器，其特征在于，所述傳輸線和所述接地面為金屬薄膜或者超導薄膜構成。
5.根據權利要求4所述的移相器，其特征在于，所用基片材料為氧化鎂MgO或氧化鋁Al2O3或鋁酸鑭LaAlO3。
6.根據權利要求5所述的移相器，其特征在于，在制作所述裝載鐵電可調電容的區域內均覆蓋有一定厚度的鐵電材料薄膜。
7.根據權利要求6所述的移相器，其特征在于，所述鐵電材料薄膜為鈦酸鍶鋇。
8.一種檢測與優化權利要求1所述鐵電薄膜移相器反射特性的方法，其特征在于，首先將相鄰兩段傳輸線的長度固定，改變裝載可調電容的位置，然后通過計算機仿真查看這種結構的反射及傳輸特性曲線，主要關注其反射幅度的大小及工作帶寬的寬窄，調整裝載鐵電可調電容的位置，利用仿真得出的反射頻率響應曲線，比較判斷出具有反射損耗比較小且工作帶寬又比合適的最終結構。
全文摘要
本發明公開了一種鐵電薄膜移相器，為在共面線上雙周期性地裝載鐵電可調電容，共面線包括一條傳輸線和兩個位于傳輸線兩側的接地面，接地面和傳輸線共同附著在基片的同一平面上，接地面與傳輸線之間是等寬度的縫；本發明還公開了一種檢測與優化鐵電薄膜移相器反射特性的方法，將相鄰兩段傳輸線的長度固定，改變裝載可調電容的位置，通過計算機仿真查看這種結構的反射及傳輸特性曲線，調整裝載鐵電可調電容的位置，利用仿真得出的反射頻率響應曲線，比較判斷出具有反射損耗比較小且工作帶寬又比合適的最終結構。本發明可以增加移相器的工作頻率帶寬，在較高的頻率范圍內，有利于提高器件的品質因子。
文檔編號H03H9/00GK1780045SQ20051010578
公開日2006年5月31日 申請日期2005年9月29日 優先權日2005年9月29日
發明者張雪強, 孟慶端, 李翡, 孫亮, 黃建冬, 張強, 何豫生, 李春光, 何艾生, 黎紅 申請人:中國科學院物理研究所