Перестраиваемые планарные резонаторы на сегнетоэлектрических пленках и фильтры на их основе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Амро Абделхамид Али Аттия

• Амро Абделхамид Али Аттия
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Амро Абделхамид Али Аттия

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ФИЛЬТРЫ С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ (ОБЗОР).

1.1 Фильтры на полупроводниковых pin и р-п эле- 14 ментах

1.2. Фильтры на основе феррита.

1.3. Сегнетоэлектрики в диапазоне СВЧ.

1.4. Фильтры на сегнетоэлектрических конденсаторах (варакторах)

1.5. Выводы по главе.

ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПЛАНАРНЫХ ВОЛНОВЕДУ

ПЩ СТРУКТУР НА МНОГОСЛОЙНЫХ НАН0К0П03ИТНЫХ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНКАХ.

2.1. Щелевая линия на основе нанокомпозитных сегнетоэлектрических пленок.

2.2. Постоянная распространения щелевой линии на основе нанокомпозитной пленки.

2.3. Копланарная линия на основе сегнетоэлектрических пленок.

2.4. Двухщелевая линия.

2.5. Волновое сопротивление щелевых и многощелевых линии.

2.6. Вычисление переносимой мощности.

2.7. Вычисление коэффициентов разложения и напряжение на щелях.

2.8. Выводы по главе.

ГЛАВА 3. ПЛАНАРНЫЕ ОБЪЕМНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ НА СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНКАХ.

3.1. Резонансные свойства отрезков щелевых ли

3.2. Коротко замкнутый полуволновый отрезок щелевой линии.

3.3. Разомкнутый полуволновый отрезок щелевой линий.

3.4. Резонаторы образованные соединением отрезков щелевых линий

3.5. Выводы по главе.

ГЛАВА 4. ФИЛЬТРЫ НА ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ ОБЪЕМНЫХ РЕЗОНАТОРАХ.

4.1. Синтез АЧХ полосовых фильтров с четвертьволновыми связями.

4.2. Полосно-заграждающий фильтр на полуволновых щедевых резонаторах.

4.3. Расчет АЧХ ПЗФ без потерь.

4.4. Расчет АЧХ фильтра с учетом потерь.

4.5. Расчет погонной емкости управляющих электродов.

4.6. Выводы по главе.

ЗАКШОЧЕНИЕ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Перестраиваемые планарные резонаторы на сегнетоэлектрических пленках и фильтры на их основе»

Неотъемлемым элементом почти любого сложного оптического и микроволнового прибора является резонатор. Прогресс в совершенствовании резонаторов зачастую приводил к достижению качественно новых результатов. Так, появление мазеров и лазеров было бы невозможно без реализации высокодобротных резонаторов СВЧ и оптического диапазонов. Высокодобротные резонаторы активно используются для сужения и стабилизации линии генерации, в качестве фильтров и дискриминаторов, в разнообразных высокочувствительных сенсорах и датчиках, в метрологии и в прецизионных физических экспериментах.

Фильтрами СВЧ называют пассивные цепи с заданными частотными характеристиками, обычно определяемыми требуемым линейным затуханием в полосе пропускания и максимально возможным ослаблением частотного спектра сигнала в полосе непрозрачности. Фильтр является неотъемлемой частью различных устройств СВЧ. На основе фильтров строятся частотно-избирательные входные цепи приёмников, устройства разделения частотных каналов, выделение требуемой части спектра сигнала и т.д. Другими словами, фильтры СВЧ являются наиболее разработанными устройствами, осуществляющими передачу электромагнитной энергии в соответствии заданной амплитудно-частотной (АЧХ) и фазо-частотной характеристикой (ФЧХ). Теория фильтров и способы их построения являются наиболее разработанными разделами технической электродинамики. В этой связи необходимо назвать классический труд [1], который до настоящего времени сохраняет свою актуальность. Со временем появились новые требования к фильтрам, реализация которых стала возможной на новой элементной базе, которая ранее не существовала. Прежде всего, это связано с появлением микрополосковых линий, на основе которых стало возможным построение фильтров, конструкторские решения которых определялись топологией проводников на поверхности диэлектрической подложки. Появилось много работ, посвященных проектированию фильтров на основе полосковых и микрополосковых линий. Для обозначения важности этого этапа в теории и практике фильтров СВЧ сошлемся на сборник статей [2] . Помимо микрополосковых линий в инженерной практике стали использоваться щелевые и копланарные линии [3] , образованные металлическим пленками нанесенными на поверхность диэлектрической подложки. Таким образом, возникла возможность проектирования фильтров на основе планарной технологии, обеспечивающей требуемую топологию металлических пленок на поверхности диэлектрической подложки с целью синтеза заданных АЧХ.

Широкие возможности создания планарных структур позволили исследовать пути построения фильтров с электрически перестраиваемыми АЧХ. Элементом электрической перестройки в составе фильтров стали нелинейные ёмкости обратно включенных р-п переходов и сегнетоэлектрических конденсаторов [4]-[б]. Способ построения фильтров с электрической перестройкой основывается на связи нелинейной ёмкости с резонансным отрезком линии передачи. Конструкторские способы реализации этой связи весьма ограничены, как ограничен и частотный диапазон, в котором электрический ёмкости остаются сосредоточенными элементами.

Альтернативных способ построения электрически перестраиваемых фильтров исследован в диссертации и он состоит в перестройке резонансной частоты объёмных резонаторов, образованных отрезками линий передачи, за счёт изменения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки (СЭП), включенной в объём резонатора. Линией передачи подобного вида является щелевая линия, образованная на поверхности СЭП в структуре "СЭП-диэлектрическая подложка". Основные теоретические, экспериментальные и технологические результаты исследований таких линий представлены в [4]-[7] . Существо их можно свести к следующим выводам: электромагнитная волна в щелевой линии в диапазоне СВЧ может получить замедление, требуемое для технической о реализации устройств при толщине СЭП порядка 10 мм. Диэлектрическая подложка оказывает незначительное влияние на электродинамические параметры щелевой линии, и поэтому, её параметры - диэлектрическая проницаемость и толщина, могут быть выбраны исключительно из технологических соображений. Сегнетоэлектрическим материалом пленки является твердый раствор ВахЗг1хТ103, который при концентрации бария х = 0,5-0,6 имеет относительную диэлектрическую проницаемость ~10-3. Диэлектрическая проницаемость уменьшается в 1,5-2 раза при приложении электрического поля напряженностью 10 В/мкм. Тангенс угла диеэлектрических потерь в диапазоне СВЧ имеет значение ~10-2. Таким образом, совокупность параметров щелевой (и близкой к ней копланарной) линии даёт основание для исследований электродинамических свойств объёмных резонаторов, образованных их резонансными отрезками. Сдерживающим фактором широкого практического применения щелевых линий на основе СЭП является температурная зависимость их диэлектрической проницаемости и, как следствие, температурная зависимость АЧХ и ФЧХ фильтров, построенных на объёмных резонаторах. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков является их принципиальным свойством, которое проявляется в том, что нелинейность диэлектрической проницаемости по электрическому полю и температуре взаимосвязаны. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости приводит к изменению АЧХ резонатора сравнимым с её изменением под действием управляющего электрического поля. Появление технологических возможностей получения нанослоёв сложного химического состава даёт основание для исследования нанокомпозитных СЭП с синтезируемыми свойствами. Термином - нанокомпозитная плёнка, определяем СЭП, образованную последовательностью нанослоёв, каждый из которых имеет свой химический состав. В данной работе это нанослои ВахЗг1хТЮ3 с разным процентным содержанием бария. В щелевых резонаторах каждый нанослой участвует в формировании электромагнитного поля резонатора, поэтому можно прогнозировать результирующий эффект в виде температурной стабилизации АЧХ резонатора, за счёт взаимных компенсаций температурных зависимостей диэлектрической проницаемости отдельных нанослоёв.

В диссертационной работе была поставлена задача исследования электродинамических свойств щелевых линий (и резонаторов) на основе многослойных структур, образующих СЭП толщиной ~1 мкм. Многослойную структуру нельзя охарактеризовать таким параметром как диэлектрическая проницаемость, так как каждый нанослой сохраняет свойства сегнетоэлектрика с присущей ему температурной и полевой зависимостями диэлектрической проницаемости.

Важной технической задачей построения фильтров на основе перестраиваемых объёмных резонаторов является разработка способов подачи управляющего напряжения на СЭП. В результате диссертационных исследований были предложены и обоснованы два способа. Один связан с применением разомкнутых резонансных отрезков щелевых линий с управляющим электродом, толщина которого меньше глубины проникновения в материал электрода. В этом случае влияние электрода на электродинамические характеристики резонатора весьма незначительно. Поэтому, появляются различные топологические решения построения резонаторов с управляющим электродом. Другой способ состоит в использовании объемных резонаторов, образованных отрезками копланарной линии, центральный электрод которой разомкнут от общей металлизации. В такой конструкции электрод линии выполняет роль управляющего электрода.

В диссертации рассмотрены все вопросы, связанные с исследованием объемных резонаторов, образованных резонансными отрезками щелевых и копланарных линий на нанокомпозитных СЭП.

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Амро Абделхамид Али Аттия

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 3 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт

Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ», научно-техническом семинаре Санкт-Петербургского государственного института химии силикатов РАН.

Автор выражает глубокую сердечную благодарность Игорю Германовичу Мироненко за помощь и мудрость в процессе выполнения и обсуждении работы,

Лилие Петровне Кудряшовой за всестороннюю помощь и неустанное внимание к выполняемой работе, а так же сотрудникам кафедр "МИТ".

Аркадию Анатольевичу Иванову за постоянную помощь как настоящий друг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Амро Абделхамид Али Аттия, 2012 год

1. Д.Л. Матей, Л. Янг, Е.М.Т. Джонс, Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи, Изд-во "Связь", Москва, 1972

2. Полосовые системы сверхвысоких частот. Сб. статей под редакцией В.И. Сушкевича Изд-во ИЛ, М. 1959

3. Cohn S.B. Slot line on dielectric substrate, IEEE Trans., MTT-17, v. 10, 1969.

4. Мироненко И.Г., Иванов А.А. Дисперсионные характеристики щелевых и копланарных линий на основе структуры "сегнетоэлектрическая пленка диэлектрическая подложка", Письма в ЖТФ, 2001, т. 27, вып.13, с. 22-26.

5. Мироненко И.Г., Иванов А.А. Многощелевые линии передачи сверх высоких частот на основе структуры "сегнетоэлектрическая пленка диэлектрическая подложка". ЖТФ 2002, т. 74, вып.2, с. 68-73.

6. Мироненко И.Г., Иванов А.А. Расчет затухания в щелевой и копланарной линиях, образованных в структуре "сегнетоэлектрическая пленка диэлектрическая подложка" Письма в ЖТФ, 2002, т. 28, вып.5, с.33-38.

7. Мироненко И.Г., Иванов А.А., Семёнов А.А., Карманенко С.Ф., Назаров И.А. Сегнетоэлектрические пленки и устройства на сверх- и крайне высоких частотах, Санкт-Петербург, изд. "Элмор", 2007г., 161 с.

8. Meixner J/ The behavior of electromagnetic fields at edges. IEEE Trans., on AP, 1972, AP-20, v.20, №4 p. 442-446.

9. МИТРА P., ЛИ С. АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ТЕОРИИ ВОЛНОВОДОВ М. МИР, 197410. -TUNABLE MICROSTRIP RING BANDPASS FILTER LAN YAO; WEI

10. HONG; KE WU; MICROWAVE CONFERENCE PROCEEDINGS (CJMW), 2011 CHINA JAPAN JOINT PUBLICATION YEAR: 2011 , PAGE(S): 1-3 IEEE CONFERENCES SWITCHABLE

11. TUNABLE FILTERS WITH NONUNIFORM MICROSTRIP COUPLED LINES KOOCHAKZADEH, M.; ABBASPOUR-TAMIJANI, A.; MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS, IEEE VOLUME: 18 , ISSUE: 5 PUBLICATION YEAR: 2008 , PAGE(S): 314 316

12. DESIGN OF DUAL-STOP-BAND MICROWAVE FILTER BASED ON THE MAGNETOELECTRIC COMPOSITE; LI-MING XUAN; HAO-MIAO ZHOU; FANG LI; COLL. OF INF. ENG., CHINA JILIANG UNIV., HANGZHOU, CHINA ;

13. FUZZY SYSTEMS AND KNOWLEDGE DISCOVERY (FSKD), 2011 EIGHTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON JULY 2011 PAGE: 2263 2266

14. ПОД РЕД. ВЕНДИКА О.Г. СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ В ТЕХНИКЕ СВЧ. -М.: СОВ. РДДИО, 1979. -272 С.

15. TUNABLE MICROWAVE FILTERS BASED ON DISCRETE FERROELECTRIC AND SEMICONDUCTOR VARACTORS WANG, X.; BAO, P.;

16. JACKSON, T.J.; LANCASTER, M.J.; MICROWAVES, ANTENNAS & PROPAGATION, IET VOLUME: 5 , ISSUE: 7 PUBLICATION YEAR: 2011 , PAGE(S): 776 782

17. A FERROELECTRIC-BASED IMPEDANCE TUNER FOR ADAPTIVE MATCHING APPLICATIONS JIA-SHIANG FU; ZHU, X.A.; PHILLIPS, J.D.; MORTAZAWI, A.; MICROWAVE SYMPOSIUM DIGEST, 2008 IEEE MTT-S INTERNATIONAL PUBLICATION YEAR: 2008 , PAGE(S): 955 958

18. МИРОНЕНКО И.Г., ИВАНОВ А.А., ЯСТРЕБОВ A.H., И ДР. ЩЕЛЕВАЯ ЛИНИЯ. ПАТЕНТ ПО ЗАЯВКЕ № 2010 148 489/07 ОТ 19.11.2010.

19. S21CH(dB) S21BW(dB) LI L2 L3 L41200 -47.2 -47.58 2.53E-04 5.82E-04 5.82E-04 2.53E-04900 -51.764 -54.746 CH 600 -54.228 -57.163 3.56E-04 4.23E-04 5.60E-04 2,701,e-4

20. Расчет ПЗФ с учетом потери Чебышева 4ого порядка 61=2 микро метер W=100 микро метр1. Дю)

21. Расчет ПЗФ с учетом потери Баттерворт 4ого порядка с)1=2 микро метер W=100 микро метрIг