Сегнетоэлектрические тонкопленочные элементы для электрически управляемых СВЧ устройств

• Автор: Иванов, Андрей Владимирович
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 151 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ.
ВВЕДЕНИЕ.
1. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМЫЕ СВЧ УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
1.1. Нелинейные свойства и СВЧ потери в объемных и пленочных сегнетоэлектрических материалах.

1.2. СВЧ устройства на основе тонких сегнетоэлектрических

пленок.

Выводы по главе

2. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ СВЧ ИЗМЕРЕНИЙ ПЛАНАРНЫХ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ НА ОСНОВЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК БгТОз и ВаДОТЮз

2.1. Методика измерений характеристик планарных сегнетоэлектрических конденсаторов

2.1.1. Конструкция измерительного резонатора.

2.1.2. Определение реактивного отклика планарного сегнето

электрического конденсатора, включенного в СВЧ резонатор
2.1.3. Определение тангенса угла диэлектрических потерь
2.1.4. Погрешности методики измерений
2.1.5. Эталонные измерения.
2.2. Планарные конденсаторы, содержащие тонкую сегнстоэлектрическую пленку.
2.3. Результаты СВЧ измерений параметров сегнетоэлектричсских планарных конденсаторов.
2.4. Параметр качества сегнетоэлектрической пленки
Выводы по главе.
3. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ СВЧ ИЗМЕРЕНИЙ ВРЕМЕНИ ОТКЛИКА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ТОНКИХ ПЛЕНОК БгТЮз и Ва,8гТЮ3 НА ВОЗДЕЙСТВИЕ УНИПОЛЯРНЫХ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ .
3.1. Методика СВЧ измерений времени отклика диэлектрической проницаемости тонких сегнетоэлектрических пленок на
управляющий видеоимпульс напряжения.
3.2. Конструкция измерительного резонатора и расчетные характеристики
3.3. Блоксхема измерений.
3.4. Результаты СВЧ измерений времени отклика планарных БгТОз и Ва,8гТЮз конденсаторов на импульсное воздействие.
Выводы по главе.
4. ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЛИНЕЙНОГО ПОВЕДЕНИЯ СЕГИЕТО
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ И УСТРОЙСТВ НА ИХ
ОСНОВЕ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ УРОВНЯХ МОЩНОСТИ СВЧ
4.1. Исследование нелинейного отклика сегнетоэлектрнческого конденсатора, включенного в резонатор, под действием электрического поля СВЧ повышенной амплитуды
4.1.1. СВЧ резонатор для исследования влияния уровня СВЧ мощности на характеристики планарных сегнетоэлектрических конденсаторов
4.1.2. Методика исследования нелинейного поведения сегнетоэлсктрических конденсаторов при повышенных уровнях
9 мощности СВЧ
4.1.3. Результаты исследований влияния повышенных уровней СВЧ на характеристики СВЧ резонатора, содержащего сегнетоэлектрический нелинейный элемент
4.1.4. Моделирование амплитудночастотной характеристики измерительного резонатора, содержащего нелинейный сегнетоэлектрический конденсатор.
4.1.5. Перегрев сегнетоэлектрических тонкопленочных элементов при воздействии СВЧ сигнала повышенного уровня
мощности
4.1.6. Предельные уровни СВЧ мощности для резонансной структуры, содержащей нелинейный сегнетоэлсктрический
конденсатор.
4.2. Исследование влияния повышенных уровней СВЧ мощности на двухрезонаторную структуру, содержащую планарные сегнетоэлектрические конденсаторы.
4.2.1. Топология исследуемой двухрезонаторной структуры, содержащей планарные сегнетоэлектрические конденсаторы
4.2.2. Исследования малосигнальных СВЧ характеристик
двухрезонаторной сегнстоэлектрической структуры.
4.2.3. Исследование СВЧ характеристик двухрезонаторной сегнетоэлсктричсской структеры при воздействии сигнала повышенного уровня СВЧ мощности
4.2.4. Результаты моделирования СВЧ характеристик двухрезонаторной структуры при воздействии сигнала повышенного уровня СВЧ мощности
4.2.5. Определение перегрева сегнетоэлектрических кондснса
торов в двухрезонаторной структуре.
Выводы по главе
5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМЫЕ СВЧ ФАЗОВРАЩАТЕЛИ НА ОСНОВЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОНКИХ ПЛЕНОК
5.1. Сегнетоэлектрический СВЧ фазовращатель на основе нагруженной микрополосковой линии сантиметрового диапазона
5.2. Сегнетоэлектрические СВЧ фазовращатели, работающие
на частотах ГГц
5.3. Электрически управляемая фазированная антенная решет
Ф ка с сегнетоэлектрическими СВЧ фазовращателями
5.4. Сегнетоэлектрический СВЧ фазовращатель работающий
на частоте ГГц.
Выводы по главе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Результаты измерений Ва,8гТЮз конденсаторов указывают на наличие двух различных механизмов изменения диэлектрической проницаемости Ва,8гТЮз пленки быстрое изменение величины диэлектрической проницаемости за время, не превышающее не, и более медленное, с временем отклика порядка мкс. Проведенные исследования позволили определить коэффициенты нелинейности сегнетоэлектрических тонкопленочных конденсаторов при воздействии СВЧ электрического поля повышенной амплитуды. Сравнение вольтфарадных характеристик позволяет сделать следующий вывод коэффициенты нелинейности сегнетоэлектрических конденсаторов, измеренные в результате малосигнальных экспериментов, совпадают с коэффициентами нелинейности, полученными при измерениях СВЧ резонатора при воздействии СВЧ сигнала высокого уровня мощности. Проведены оценки перегрева сегнетоэлектрических элементов при воздействии СВЧ сигнала повышенного уровня мощности. Па основании проведенных экспериментов определены тепловые постоянные времени планарных сегнетоэлектрических конденсаторов. Показано, что основным фактором, ограничивающим возможность сегнетоэлектрических конденсаторов работать без существенной деградации электрофизических свойств при воздействии СВЧ сигнала повышенного уровня мощности, является перегрев элементов. Проведенные исследования влияния повышенных уровней СВЧ мощности на характеристики двухрезонаторной системы продемонстрировали возможность работы при импульсной мощности Р Вт без изменения потерь в рабочем диапазоне частот. Проведены оценки перегрева сегнетоэлектрических конденсаторов, включенных в двухрезонаторную схему, при воздействии мощного СВЧ сигнала. Показано, что наибольшая мощность диссииируется в конденсаторе первого контура. Перегрев пленки сегнетоэлектрика первого конденсатора составляет величину порядка 0 К при падающей мощности Р Вт. Температурный перегрев сегнетоэлектрических конденсаторов за счет диссипации СВЧ мощности приводит к более чем изменению емкости и сдвигу АЧХ двухрезонаторной системы в более высокочастотную область. Изменение геометрических размеров сегнетоэлектричсского конденсатора первого резонансного контура в двухрезонаторной СВЧ схеме позволяет уменьшить перегрев и повысить предельный уровень мощности, при котором система способна работать без существенной деградации СВЧ характеристик. Разработан СВЧ фазовращатель на основе нагруженной микрополосковой линии, в качестве нелинейных элементов которого использованы планарные БгТОз конденсаторы. Б при Т0 К. Потери в фазовращателе не превышали величины 0. Б. Представленная конструкция фазовращателя показала возможность разработки на основе БгТЮэ конкурентоспособных электрически управляемых устройств СВЧ диапазона, работающих при Т0 К, при условии создания повышенных электрических полей в сегнетоэлектрической пленке. Разработаны и исследованы фазовращатели на основе нагруженной микрополосковой линии, работающие в диапазоне ГГц. Параметр качества разработанных фазовращателей составил величину граддБ непрерывный фазовый сдвиг до 0 град. На основе этих фазовращателей была построена фазированная антенная решетка с электрическим управлением лучом, которая продемонстрировала возможности сканирования луча в пределах град, при уровне боковых лепестков дБ. Диаграмма направленности антенной решетки составила величину град при положении луча по нормали к плоскости излучателей и град при отклонении луча на максимальные углы. Представлена конструкция СВЧ фазовращателей, способного управлять фазой СВЧ сигнала в диапазоне ГГц. Интегральный ссгнстоэлектрический СВЧ фазовращатель на основе нагруженной линии продемонстрировал параметр качества граддБ максимальные потери дБ. Экспериментальные исследования характеристик СВЧ фазовращателей продемонстрировали возможность создания на основе тонких сегнетоэлектрических пленок эффективных электрически перестраиваемых устройств работающих в диапазоне от единиц ГГц до ГГц, несмотря на возможное существование дисперсии диэлектрической проницаемости в миллиметровом диапазоне длин воли.