Поплавко Ю. М. Національний технічний університет України КПІ Проспект Перемоги, 37, Київ – 03056, Україна Тел.: +38 044 4113905; e-mail: poplavko@ieee.org

Анотація – Розглянуто механізми електричного управління величиною ефективної діелектричної проникності 8еф з метою отримання фазовращателей і перебудовуються резонансних фільтрів. Передбачається, що найбільш ефективним управлінням з найменшими втратами вносяться є електромеханічне управління системою «СВЧ-діелектрик – повітряна щілину» за допомогою електрострикційних актюатора.

I. Вступ

Можливість управління електричним полем (£) величиною діелектричної проникності (в) в діапазоні НВЧ з метою створення електрично керованих пристроїв обговорюється в літературі вже близько 40 років [1,2]. У цій області отримані багато позитивні результати і реалізовані різні пристрої, які не вийшли, проте, за рамки лабораторних макетів. Однак в останні роки технологія тонких сегнетоелектричних плівок стала настільки досконалою, що з’явилася реальна надія отримання діелектричних СВЧ приладів, конкурентно-здатних в порівнянні з напівпровідниковими і феромагнітними промисловими приладами.

Для застосування в техніці НВЧ перспективні тільки сегнетоелектрики з фазовим переходом типу зміщення, причому вони повинні бути регулярними твердими розчинами і використовуватися вище точки Кюрі – тобто, в параелектріческой області. Нижче точки Кюрі (в сегнетоелектричної області) діелектричні втрати на НВЧ різко підвищуються з-за полідоменном структури, а при використанні сегнетоелектриків з розмитим фазовим переходом великий внесок в діелектричні втрати вносить діелектрична релаксація, яка відбувається в разу-упорядкованістю структурі цих сегнетоелектриків. Винятком є ​​діелектрики з електронною релаксацією, в яких втрати істотно проявляються тільки на міліметрових хвилях, та для управління величиною в в такому випадку необхідні дуже високі напруженості поля £

Представляються привабливими спроби отримати керовані на СВЧ діелектрики зі зниженими втратами за рахунок сумішей параелектріков з «лінійними діелектриками» – такими, як оксиди типу МДО [3] або полімери [4]. Справді, в таких сумішах більш ніж на порядок за величиною знижуються як ефективна проникність вЕф (що сприятливо для узгодження СВЧ пристроїв), так і ефективні діелектричні втрати 1д5Еф. Тим не менш, на думку автора, ці суміші не мають великої перспективи для застосування. У них різко знижується (якщо не втрачається зовсім) головний параметр – можливість динамічного керування величиною

в. Механізм зміни в (£) в сумішах може виявитися непрямим, інерційним – «квазістатичного», – дієвим тільки при постійній напрузі, тоді як для приладів СВЧ необхідна швидка модуляція величини в.

II. Основна частина

Для «безінерційного» управління перспективні параелектріческіе плівки товщиною 0.3-1 ЦМ, з в = 300-1000, нанесені на підкладку з в «10. Типова характеристика в (£), використовувана в плівкових пристроях СВЧ, показана на рис. 1. Як правило, чим тонше плівка – тим менше в і tg5, але нижче і керованість Ав / вт. Таким чином, відкриваються великі технологічні можливості для компромісних технічних рішень.

Рис. 1. Керованість Ле / ет плівок BST: ет при поле Ет характеризує робочу точку при фазової модуляції.

У більшості робіт в якості основного параелектріка для приготування плівок і сумішей використовується «твердий розчин» BST = (Ba, Sr) Ti03. Однак BST, навіть вище точки Кюрі, володіє значними втратами на СВЧ-за того, що входить до BST компонент – BaTi03 – Характеризується дуже високим загасанням “м’якого” граткової фонона. Цей механізм втрат помітно позначається на величині tg5 BST вже на сантиметрових хвилях, але особливо підвищує втрати BST на міліметрових хвилях. Як показали наші дослідження, більш перспективним для застосування є твердий розчин (Sr, Pb) Ti03 = SPT, обидва компоненти якого характеризуються низько-затухаючим м’яким фононів.

Істотне зниження СВЧ втрат спостерігається в епітаксійних тонких плівках BST або SPT через «жорсткого» впливу підкладки (в якості якої зазвичай використовується монокристал МДО). Слід зазначити, що для узгодження імпедансу з НВЧ трактом величина вЕф в плівковому фазовращателе може бути знижена на порядок шляхом належного вибору ширини і розташування електродів, оскільки плівка – лише один з трьох діелектриків, в яких поширюється СВЧ хвиля (Є ще і підкладка, і повітря над лінією).

Тому необхідність розробки сумішей BST з іншими діелектриками тільки з метою зниження вЕф не представляється доцільною. Для суміші BST.MgO найкращий отриманий результат: еЕф = 120 і 1д5еф = 0,012 при керованості 10%. Проте динамічні характеристики цього управління не досліджувалися ні в роботі [3], ні в роботі [4], де використовувалася суміш BST.nonuMep. У статичних характеристиках управління еЕф може виявитися “непрямим”, зміна еЕф може бути наслідком електропровідності, об’емнозарядной поляризації і навіть зміною еЕф від температури через нагрівання суміші в сильному електричному полі.

Як альтернатива сумішей, велике управління СВЧ 8Еф, причому практично без внесених втрат, можна отримати в шаруватих системах: за рахунок управління зазором А, показаному на рис. 2. Швидке управління Л (Е) і, отже, управління еЕф (Е) проводиться електрострикційних актюатором.

Рис. 2. Ефективна діелектрична проникність ее.ф шаруватої структури (що складається з двох пластин СВЧ діелектриків з керованою повітряної щілиною Л) у стандартному хвилеводі при частоті 10ГГц; залежність Л (Е) аналогічна е (Е).

III. Висновок

1. Керовані СВЧ діелектрики, одержувані на основі суміші параелектріков і різних оксидів (або полімерів) в принципі не можуть забезпечити переважні характеристики в порівнянні з базовим параелектріком.

2. У технології отримання керованих на СВЧ плівок найбільш перспективний твердий розчин (Sr, Pb) TiC> 3, в якому очікуються менші втрати на НВЧ в порівнянні з (Ba, Sr) TiC> 3 (BST).

3. Як альтернатива застосуванню параелектріков пропонується пристрій без внесених втрат. Система «СВЧ-діелектрик – керована повітряна щілину» забезпечує невелику за величиною, але значно керовану еЕф на СВЧ.

IV. Список літератури

[1] Поплавко Ю. М., Некрасов М. М. Електрично керовані сегнетоелектрічеськие пристрої НВЧ. Радіотехніка та електроніка. 1962, V. 7, No. 8, С.1458-1462.

[2]  Gevorgian S. Do we really need ferroelectrics in paraelectric phase in electrically controlled microwave devices. IEEE, Microwave Theor. Tech. 2001, V. 49, No. 11, C. 2117-2123.

[3]  Sengupta L. C., Sengupta S. Breakthough advances in low loss tunable dielectric materials. Mat. Res. Innovat. 1999, V. 2,

C.    278-282.

[4] Модельський Ю., Ящишин E. М. фазовращатель на композитної підкладці з сегнетоелектрик. Conf. Ргос. CriMiCo ‘2003, С. 466-467.

THE NATURE OF DIELECTRIC PERMITTIVITY ELECTRIC CONTROL AT MICROWAVES

Poplavko Y. M.

National Technical University of Ukraine 37, Peremogi Ave., Kiev – 03056, Ukraine e-mail: poplavko@ieee.org

Abstract – Main mechanisms of electric control by the sef are discussed. It is supposed that the most effective low loss is to use a system “Microwave dielectric- air gap” which controlled by fast electrostrictive actuator.

I.  Introduction

The control of dielectric permittivity (s) by the bias electric field (Eb) at microwaves, and its application in a phase shifter has 40-year history [1, 2]. However, only recently ferroelectric thin film processing becomes perfect enough, and tuned microwave device based on paraelectric film can be competitive with the microwave ferrite and PIN diode. Nevertheless, there are still some problems with ferroelectric film microwave applications.

II.  Main part

Microwave tunable devices (like phase shifters or filters) need low loss dielectric material with electrically controlled permittivity s(E) by the acceptable voltage. To decrease the loss, tunable material (ferroelectric) should be used above its Curie point, i.e. in a paraelectric phase. For the purpose of matching with the microwave transmission lines, the value of s should be as small as possible. However, paraelectric materials such as (Ba,Sr)Ti03=BST might be effectively tuned only in the case of very big s~103 (in the temperatures range close to ferroelectric phase transition). Theoretical calculation shows that paraelectric tunability Ne = s’1ds/dE ~ s3. In the report this result is proved experimentally from BST films investigations, Fig. 1. It is shown also that the other composition, namely, (Sr,Pb)Ti03=SPT with lower loss is more prospective for microwave applications but with PST the fatal dependence Ne~ s3cannot be escaped.

To decrease the s and the loss, some authors elaborated the composite materials that are mixtures of BST with the low s dielectrics (ceramics [3] or polymers [4]). One composite (BST:MgO) has an acceptable effective permittivity and loss factor (seff~120, tan6~10"2). Its tunability is ~10% but at very high voltage (~20 kV/mm). However, the sef(Eb) dependence is proved only at direct bias voltage. The other published result is composite BST:polymer with unusually low (~10) but tunable Sef(Eb). For many reasons, author of this report expect that in those composites the only quasi-static tunabilty is possible because the bias voltage in any composite is applied to the microregions that have low s which is independent on Eb. However, heating or electric charge repartition in composite can provide some indirect effect of tunability that obviously should be very slow (quasi-static).

As alternative, in the Report, the other way of low-sef tunability is proposed, Fig. 2. Layered structure created from high-s dielectrics and piezo-controlled air slot. Filling various type waveguides, the structure is used as a tunable low loss wide-band phase shifter. Contemporary piezoelectric actuator is employed for fast variation of air slot width. This alteration results in considerable change in effective dielectric constant gef of the structure, Fig. 2. Used in layered structure high quality dielectrics insert practically no loss to the tunable system.

III.  Conclusion

It is possible to realize low loss phase shifters in the microwaves as well as in the millimeter waves using high quality microwave dielectrics. These structures are studied both in the waveguides and in some microstrip designs.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»