Нелинейные эффекты в сегнетоэлектрическом конденсаторе под воздействием СВЧ мощности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Васильев, Алексей Николаевич

• Васильев, Алексей Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Васильев, Алексей Николаевич

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПРИМЕНЕНИЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ В ФАЗОВРАЩАТЕЛЯХ ДЛЯ ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК.

1.1. Фазированные антенные решетки.

1.2 Сегнетоэлектрики в технике СВЧ.

1.3 Сегнетоэлектрические фазовращатели.

1.4 Модель диэлектрического отклика сегнетоэлектрика.

1.5 Электрическая компенсация температурной зависимости емкости сегнетоэлектрического конденсатора.

1.6 Сегнетоэлектрики при повышенном уровне СВЧ мощности.

ГЛАВА 2. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭФФЕКТЫ В

СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКОМ КОНДЕНСАТОРЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПОВЫШЕННОЙ МОЩНОСТИ СВЧ СИГНАЛА.

2.1. Модуляция емкости сегнетоэлектрического конденсатора.

2.2. Генерация высших гармоник в параллельном резонансном контуре на одиночном и сдвоенном вариконде.

2.3. Расчет высших гармоник методом гармонического баланса.

2.4. Модель зависимости тангенса угла диэлектрических потерь сегнетоэлектрика от амплитуды СВЧ сигнала.

ГЛАВА 3. МОДЕЛЬ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ФАЗОВРАЩАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ УПРАВЛЯЕМОГО СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОНДЕНСАТОРА.

3.1. Основные положения.

3.2. Оптимизация СВЧ фазовращателя на основе гибридного моста и управляемого сегнетоэлектрического элемента.

3.3. Моделирование сегнетоэлектрического фазовращателя на повышенный уровень СВЧ мощности.

3.4. Электродинамический расчет.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ФАЗОВРАЩАТЕЛЯ ДЛЯ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ.

4.1. Фазовращатель на основе одиночных сегнетоэлектрических управляющих элементов для работы в составе фазированной антенной решетки.

4.2. Исследование сегнетоэлектрического фазовращателя на основе сдвоенного конденсатора на повышенном уровне СВЧ мощности.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Нелинейные эффекты в сегнетоэлектрическом конденсаторе под воздействием СВЧ мощности»

Характерной особенностью СЭ является большая величина диэлектрической проницаемости и ее зависимость от напряжённости электрического поля. Интерес к сегнетоэлектрическим перестраиваемым СВЧ цепям постоянно растет из-за их способности управлять высокой СВЧ мощностью, незначительного потребления постоянной мощности и потенциально низких потерь и низкой стоимости изготовления.

Использование сегнетоэлектрических материалов позволяет осуществить производство фазовращателей для фазированных антенных решеток (ФАР), обладающих следующими свойствами: высоким быстродействием, малой мощностью в цепях управления, большой мощностью СВЧ-сигнала, низкой стоимостью массового производства. На сегодняшний день сочетание названных свойств в одном изделии не удается осуществить на основе существующих ферритовых или полупроводниковых материалов.

Целесообразность применение СЭ при конструировании фазовращателя обосновывается следующими факторами:

1) Управление диэлектрической проницаемостью СЭ элемента обеспечивается приложением управляющего напряжения при ничтожно малом токе. Поэтому мощность управляющих цепей, которая оказывается на 1 -2 порядка меньше, чем в случае применения ферритовых управляющих устройств или устройств на основе р-г-п диодов.

2) Сегнетоэлектрические устройства изготавливаются по планарной технологии, вписывающейся в развитую технологию СВЧ интегральных схем.

Активный элемент СЭ ФВ представляет собой конденсатор, емкость которого изменяется под действием приложенного управляющего напряжения. В настоящее время развиваются два направления оптимизации СЭ конденсатора с управляемой ёмкостью:

1) Снижение величины управляющего напряжение до 5 -10 В для того, чтобы управляемый конденсатор вписывался в схему управления на традиционных полупроводниковых транзисторах,

2) Обеспечение устойчивой работы конденсатора с достаточно большим управляющим напряжением 200 - 300 В. Это требует разработки специальных схем для выработки управляющего напряжения, но при этом позволяет существенно повысить мощность СВЧ сигнала, проходящего через СЭ ФВ.

В первом случае СЭ конденсатор по величине управляющего напряжения и допустимому уровню СВЧ мощности сопоставим с полупроводниковым варикапом на управляемом р-п переходе. Преимуществом СЭ конденсатора по сравнению с полупроводниковым варикапом на основе ваАэ являются меньшая стоимость материала и меньшее число технологических операций при массовом производстве. Однако, технология производства полупроводниковых варикапов разработана и доступна для практического освоения, в то время как развитие технологии производства СЭ конденсаторов (ва-рикондов) требует достаточно больших усилий. Затраты на развитие технологии производства СЭ конденсаторов могут оказаться нерентабельными по сравнению с использованием готовых полупроводниковых варикапов.

Во втором случае затраты на развитие технологии производства СЭ конденсаторов будут оправданы тем, что СЭ ФВ на основе конденсатора с достаточно большим управляющим напряжением 200 - 300 В обладает конкретными преимуществами по сравнению с существующими СВЧ управляющими устройствами (на частоте 3-10 ГГц):

1) Достаточно высокий уровень СВЧ мощности (до 50 Вт в импульсе и до 5 Вт средней мощности),

2) Малый уровень мощности в цепях управления ( и = 200 В, средний ток 0,01 - 0,1 мА, ток в момент коммутации не более 1 мА),

3) При обеспечении высокого качества получаемых диэлектрических слоев СЭ и проводящих слоев (медь, золото) следует ожидать высокого качества СЭ ФВ в виде характеристики, полученной как отношение управляемого сдвига фазы (в градусах) к потерям сигнала на проход (в дБ): 150-200 град/дБ.

Каждая ФАР содержит от сотен до десятков тысяч фазовращателей. При этом фазовращатели представляют значительную часть полной стоимости антенны, по некоторым оценкам стремящуюся к 40% от стоимости решетки. На первых этапах разработки ФАР стоимость производства фазовращателя не играла существенной роли, потому что ФАР разрабатывались как в СССР, так и в США по заказу военных ведомств.

В настоящее время появилась потребность в антеннах с управляемой диаграммой направленности для использования в системах связи, передачи интернет-информации, а также на коммерческих коммуникационных спутниках, охватывающих околоземную орбиту и в радарах предупреждения столкновения автомобилей, составной части автомагистральной системы контроля движения автомобилей. Поэтому стоимость производства фазовращателя приобрела решающее значение.

Сегнетоэлектрические фазовращатели могут управляться как в цифровом, так и в аналоговом режиме. Продолжительность перестройки фазового распределения происходит за наносекундный временной интервал. Несмотря на это, маленькая емкость управляемого конденсатора обеспечивает малый ток перезарядки. Утечка тока в сегнетоэлектрическом конденсаторе не более чем 10"9 А.

При воздействии повышенной мощности СВЧ сигнала на сегнетоэлек-трический конденсатор возникают следующие эффекты:

1) Изменение тангенса диэлектрических потерь в СЭ материале с ростом

СВЧ мощности.

2) Модуляция емкости СЭ конденсатора.

3) Возникновение высших гармоник благодаря нелинейности СЭ элемента.

4) Нагрев СЭ пленки во время действия СВЧ мощности.

В работе рассматриваются только три первых эффекта. Т.к. влияние температуры на комплексную диэлектрическую проницаемость, а также подавления этой зависимости уже достаточно хорошо изучены. К тому же в эксперименте мы будем использовать импульсный режим, при котором нагрев пленки будет незначительным и нагревом можно пренебречь.

Модуляция емкости и возникновение высших гармоник существенно ограничивают работу СВЧ устройств на СЭ элементах по уровню СВЧ мощности. Поэтому подавление этих эффектов приведет к повышению уровня СВЧ мощности, при которой могут использоваться СЭ элементы.

Отсутствие на сегодняшний день СВЧ устройств на сегнетоэлектриче-ских элементах, работающих на СВЧ мощности, объясняется недостаточностью исследований нелинейных эффектов в сегнетоэлектрическом конденсаторе на высоком уровне СВЧ мощности и отсутствием надежных и простых моделей для систем автоматизированного проектирования таких устройств.

Целью диссертационной работы является исследование нелинейных эффектов, возникающих в сегнетоэлектрическом конденсаторе под воздействием СВЧ мощности.

Для достижения указанной цели решались следующие научные задачи:

1. Исследование модуляции емкости СЭ конденсатора под действием СВЧ поля.

2. Расчет высших гармоник полного тока, возникающих в нелинейном СЭ элементе.

3. Моделирование зависимости тангенса угла диэлектрических потерь СЭ элемента от амплитуды СВЧ сигнала.

4. Экспериментальное исследование планарного сегнетоэлектрического конденсатора в составе фазовращателя при высоком уровне СВЧ мощности.

Объектами исследования являются планарный сегнетоэлектрический конденсатор, аналоговый отражательный СВЧ фазовращатель на основе се-гнетоэлектрика.

Основные методы исследования: а) теоретические: методы теории длинных линий, методы теории цепей, метод гармонического баланса, численные методы электродинамического моделирования. б) экспериментальные.

Защищаемые научные положения

1. Средняя емкость сдвоенного сегнетоэлектрического конденсатора, имеющего вольт-фарадную характеристику, соответствующую степенной модели, наименее чувствительна к амплитуде СВЧ поля при показателе у = 2.

2. Средняя емкость сдвоенного сегнетоэлектрического конденсатора, имеющего вольт-фарадную характеристику, соответствующую степенной модели с показателем у = 1,2 , практически не зависит от амплитуды СВЧ поля при изменении управляющего напряжения (иАс) в пределах итт<1/ас<итах, где итт соответствует амплитуде СВЧ напряжения, а [/тач обеспечивает требуемую управляемость.

3. Тангенс угла диэлектрических потерь тонкой сегнетоэлектриче-ской пленки, имеющей толщину меньше половины длины акустической волны на частоте СВЧ сигнала, падает с ростом амплитуды СВЧ поля для поликристаллических пленок и растет для высококачественных монокристаллических пленок.

4. Зависимость амплитуды второй гармоники полного тока, протекающего через сегнетоэлектрический конденсатор, от постоянного и переменного полей, полученная путем непосредственного решения уравнения Гинзбурга-Девоншира методом гармонического баланса, совпадает с расчетом по методу разложения полного тока в ряд Фурье с использованием степенной модели.

Научные результаты работы

1. Теоретически и экспериментально исследованы нелинейные свойства сегнетоэлектрического конденсатора под воздействием СВЧ сигнала большой мощности.

2. Сформулированы рекомендации к проектированию фазовращателя, предназначенного для работы при высоком уровне СВЧ мощности.

3. Установлено, что вид вольт-фарадной характеристики (ВФХ) сегнетоэлектрического конденсатора существенным образом влияет на нелинейные эффекты, возникающие в нем под воздействием СВЧ сигнала. Определены значения параметров модели ВФХ, обеспечивающие подавление модуляции емкости конденсатора СВЧ полем.

Практическая ценность работы

1. Предложены способы подавления модуляция емкости сегнетоэлектрического конденсатора и высших гармоник полного тока, протекающего через него, под действием СВЧ мощности.

2. Разработана модель зависимости тангенса угла диэлектрических потерь в сегнетоэлектрике от амплитуды СВЧ поля, позволяющая оценить потери в сегнетоэлектрическом конденсаторе при разных уровнях СВЧ мощности.

3. Разработана оригинальная конструкция фазовращателя, содержащего сдвоенный сегнетоэлектрический конденсатор, работающего при повышенном уровне СВЧ мощности и малой мощности в цепях управления.

4. Разработана методика измерения характеристик нелинейного се-гнетоэлектрического элемента в составе отражательного фазовращателя при повышенном уровне СВЧ мощности.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 50 наименований. Основная часть работы изложена на 131 страницах машинописного текста. Работа содержит 77 рисунков и 4 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Васильев, Алексей Николаевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе исследованы нелинейные эффекты, возникающие в сегнетоэлектрическом материале под действием СВЧ поля большой амплитуды. Предложена конструкция сдвоенного сегнетоэлектрического конденсатора, выдерживающего достаточно большое СВЧ напряжение. Экспериментально подтверждено, что фазосдвигающая цепочка на основе такого конденсатора способна работать при импульсной мощности, достигающей 8 Вт. Кроме того, в сдвоенном конденсаторе полностью подавлены четные гармоники полного тока.

Теоретически показано, что вид вольт-фарадной характеристики (ВФХ) сегнетоэлектрического конденсатора имеет определяющее влияние на нелинейные эффекты, возникающие в нем при повышенном уровне СВЧ напряжения. Чем больше величина управляющего напряжения, соответствующего точке перегиба ВФХ, тем шире диапазон амплитуд СВЧ поля, в котором эффективно подавлены модуляция емкости конденсатора СВЧ напряжением и высшие гармоники полного тока, текущего через конденсатор. Было установлено, что наибольшее значение напряжения точки перегиба ВФХ имеют конденсаторы на основе сегнетоэлектрической керамики. При амплитуде СВЧ напряжения не превышающей 1/2 значения управляющего напряжения, соответствующего точке перегиба ВФХ, относительное изменение средней емкости конденсатора под действием СВЧ поля не превышает 5% во всем диапазоне управляющих напряжений.

Разработана модель зависимости диэлектрических потерь в сегнетоэлек-трике от амплитуды СВЧ поля. Установлено, что тангенс угла диэлектрических потерь тонкой пленки сегнетоэлектрика падает с ростом амплитуды СВЧ поля.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Васильев, Алексей Николаевич, 2012 год

1. O.G. Vendik, "Insertion Loss in Reflection-Type Microwave Phase Shifter Based on Ferroelectric Tunable Capacitor", IEEE Trans. MTT, Vol. 55, No. 2, Feb. 2007, pp. 425-429.

2. Сегнетоэлектрики в технике СВЧ, под ред. Вендика О.Г., М. «Сов. Радио», 1979. 272 с.

3. О.Г. Вендик, М.Д. Парнес, «Антенны с электрическим сканированием (Введение в теорию)» / Под ред. чл.-корр. РАН Л.Д. Бахраха,- М.: САЙНС-ПРЕСС, 2002, с. 232, ил.

4. О.Г. Вендик, Ю.В. Егоров, «Опыт создания и разработки теории ФАР (работы группы Ю.Я. Юрова в 1955-1960 гг.)», Антенны, вып. 1(42) 1999 г. стр. 74-77.

5. О. G. Vendik, Yu.V. Yegorov, The First Phased-Array Antennas in Russia: 1955-1960, IEEE Antenna and Propagation Magazine, Vol. 42, No. 4, pp. 46-52, August 2000.

6. R. R. Romanofsky, "Array Phase shifters: Theory and Technology" в книге John L. Volakis "Antenna Engineering Handbook", pp. 21.1-21.25

7. O.G. Vendik, S.P. Zubko, and M. A. Nikol'ski, "Microwave loss-factor of BaxSrixTi03 as a function of temperature, biasing field, barium concentration,and frequency", Journal of Applied Physics, Vol. 92, No. 12, pp. 7448-7452, Dec., 2002.

8. A.K. Tagantsev, V.O. Shtrman, K.F. Astaviev, J. Venkatash, and N. Setter, "Ferroelectric Materials for Microwave Tunable Applications", Journal of Electroceramics, Vol. 11, pp. 5-66, 2003.

9. Ji-Won Choi, Yong-Yoon Ha, Chong Yun Kang et al. "Low loss dielectric thin films for tunable devices", Proc. of 4th International Conference on MMA, 12-15 June 2006, Oulu, Finland.

10. С.Ф. Карманенко, А.И. Дедык, H.H. Исаков, A.C. Гордейчук, А.А. Семенов, JI.T. Тер-Мартиросян, J. Hagberg, «Исследование влияния примесей марганца на диэлектрические характеристики пленок BSTO», ЖТФ, 2001, т. 71, вып.4, стр. 136-140.

11. В.А. Вольпяс, А.Г. Гагарин, А.Б. Козырев, А.Г. Алтынников, «Распределение неравновесных носителей заряда в нелинейном тонкопленочном конденсаторе» Письма в ЖТФ, 2007, т. 33, вып. 19, стр. 80-86.

12. M. W. Cole, E. Ngo, S. Hirsch, M. B. Okatan, and S. P. Alpay, "Dielectric properties of MgO-doped compositionally graded multilayer barium strontium titanate films", Appl Phys. Lett., Vol. 92, pp. 072906 (1-3), 2008.

13. О.Г. Вендик, M.A. Никольский, M.C. Гашинова, «Потери на СВЧ в электродах распределенных и сосредоточенных элементов на основе сегне-тоэлектриков», Письма в ЖТФ, том 29, вып. 4, стр. 5- 13, февр. 2003.

14. А.Б. Козырев, О.И. Солдатенков, А.В. Иванов «Время переключения планарных сегнетоэлектрических конденсаторов на основе пленок титаната стронция и титаната бария-стронция» Письма в ЖТФ, 1998, т. 24, № 19, стр.19-25.

15. I.B. Vendik, O.G. Vendik, E.L. Kollberg, "Commutation Quality Factor of Two-State Switching Devices", IEEE Trans. MTT, Vol. 48, No. 5, May 2000, pp. 802-808.

16. О.Г. Вендик, С.П. Зубко, «Феноменологическое описание зависимости диэлектрической проницаемости титаната стронция от приложенного электрического поля и температуры», ЖТФ, том. 67, вып. 3, стр. 29-33, 1997.

17. O.G. Vendik, S.P. Zubko, « Modeling the dielectric response of incipient fer-roelectrics», Journal of Applied Physics, Vol. 82, No. 9, pp. 4475-4483, 1997.

18. O.G. Vendik, L. T. Ter-Martirosyan, S.P. Zubko, "Microwave losses in incipient ferroelectrics as function of the temperature and the biasing field", Journal of Applied Physics, Vol. 84, No. 2, pp. 993-998, 1998.

19. О.Г. Вендик, «Модель сегнетоэлектрической моды», ФТТ, т. 14, вып. 4, стр. 989-998, 1972.

20. O.G. Vendik, S.P. Zubko, "Feroelectric phase transition and maximum dielectric permittivity of displacement type ferroelectrics (BaxSr|.xTi03)", Journal of Applied Physics, Vol. 88, No. 9, pp. 5343-5350, 2000.

21. О.Г. Вендик, «Затухание сегнетоэлектрической моды в кристаллах типа SrTi03», ФТТ, т. 17, вып. 6, стр. 1683-1690, 1975.

22. А.К. Tagantsev, "dc-electric-field-induced microwave loss in ferroelectrics and intrinsic limitation for the quality factor of a tunable components", Applied physics Letters, Vol. 76, No. 9, pp. 1182-1184, 2000.

23. О.Г. Вендик, JI.M. Платонова, «Влияние зараженных дефектов на диэлектрические свойства материалов», ФТТ, т. 13, вып. 6, стр. 1617-1625, 1971.

24. S. S. Gevorgian, Т. Martinsson, P. L. J. Linner, and Е. L. Kollberg, "CAD Models for Multilayered Substrate Interdigital Capacitors", IEEE Trans, on MTT, Vol. 44, No. 6, June 1996, pp. 896-905.

25. A.C. 261493 (СССР). Емкостный Фазовращатель. Авт. Изобр.: Н.Н. Ан-тоновб О.Г. Вендик, А.А. Дахнович, И.Г. Мироненко. Заявл. 2.12.68; Опубл. в Б.И., 1970, № 5, кл. Н 01р, 21 а4, 74.

26. О. G. Vendik, М. Nikol'ski, and S.P. Zubko, "Widening of Operational Temperature Range of Microwave Ferroelectric Tunable Devices", Integrated Ferroelectrics, Vol. 55, pp. 807-813, 2003.

27. Гольман E.K., Гольдрин В.И., Логинов B.E., Прудан A.M., Земцов А.В. «Свойства пленок Ва^г^ТЮз, выращенных методом ВЧ магнетронного распыления на сапфире с подслоем БгТЮз» ПЖТФ, т. 25, вып. 14, стр.15, 1999

28. Минкин С.Б., Шашков А.Г., «Позисторы», М. Энергия, Библиотека по автоматике, вып. 498, 1973.

29. С.П. Зубко, А.Х. Курбанов, «Обеспечение устойчивой работы сверхвысокочастотных сегнетоэлектрических устройств в широком температурном диапазоне», ПЖТФ, 2003, т. 29, вып. 17, стр. 55-61

30. О.Г. Вендик, С.П. Зубко, М.А. Никольский, «Моделирование и расчёт ёмкости планарного конденсатора, содержащего тонкий сегнетоэлек-трический слой», ЖТФ, т. 69. Вып. 4, стр. 1-7, 1999.

31. M. DiDomenico, D.A. Johnson, and R.H. Pantell, "Ferroelectric Harmonic Generator and the large Signal Microwave Characteristics of a Ferroelectric Ceramic", Journal of Applied Physics, Vol. 33, No. 5, pp. 1697-1706, 1962.

32. B.B. Леманов, H.K. Юшин, «Нелинейные эффекты при распространении упугих волн в пьезоэлектрических кристаллах», ФТТ, т. 15, вып. 2, стр. 3206-3210, 1973.

33. А.Г. Липчинский, A.M. Прудан, Л.Т. Тер-Мартиросян, «Сегнетоэлектри-ки в парафазе в однородном интенсивном поле СВЧ», Известия Высших Учебных Заведений, Физика, № 8, стр. 69-80, 1981.

34. L.T. Ter-Martirosyan, "Investigation of non-equilibrium heating-up of thermal phonons in ferroelectrics films at microwaves", Ferroelectrics, vol. 13, pp. 423-424, 1974.

35. О.Г. Вендик, Л.Т. Тер-Мартиросян, «Электрострикционный механизм СВЧ потерь в планарном конденсаторе на основе плёнки титаната стронция», ЖТФ, т. 69. Вып. 8, стр. 93-99, 1999.

36. О.Г. Вендик, А.Н. Рогачёв, «Электрострикционный механизм сверхвысокочастотных потерь в плёнке сегнетоэлектрика и его экспериментальное подтверждение », Письма в ЖТФ, т. 25, вып17, стр. 62-68, 1999.

37. S. Тарре, U. Bottger, and R. Waser, "Electrostrictive resonances in (Ba0.7Sr0.3)Ti03 thin films at microwave frequencies", Applied physics Letters, Vol. 85, No. 4, pp. 624-626, 2004.

38. Т.Б. Самойлова, К.Ф. Астафьев, «Влияние тепловых эффектов на нелинейность планарных конденсаторов на основе пленок титаната стронция на сапфире в поле СВЧ», ЖТФ, т. 70, вып. 6, стр. 90-97, 2000.

39. Антонова Л.М., Вендик О.Г., Дахнович A.A., Мироненко И.Г., Тер-Мартиросян J1.T. в кн. «Титанат бария», под ред. Н.В. Белова. 1973. М.; «Наука», 263 с.

40. О.Г. Вендик, «Сегнетоэлектрики находят свою «нишу» среди управляющих устройств СВЧ», ФТТ, том. 51, вып 7, стр. 1441 1445 (2009).

41. И.Б. Вендик, О.Г. Вендик, М.Д. Парнес, Р.Г. Шифман, «Фазовращатель для отражательной антенной решетки», Электромагнитные волны и электронные системы, т. 11, стр. 63-69, 2006.

42. Гупта К., Гардж Р., Чадха Р., Машинное проектирование СВЧ устройств. Москва, Радио и связь, 1987 г. -432 с.