一种新型BST薄膜移相器的电路设计

采用铁电材料钛酸锶钡(BST)的薄膜移相器以其成本低廉、响应速度快、频带宽、体积小、重量轻、控制简单等诸多优点而引起关注.本文对BST薄膜移相器的设计模型进行研究分析,提出了一种新型的电路结构,在BST材料移相器的大移相量和尽可能低的损耗一对矛盾中找到一个平衡点.并通过ADS仿真验证了这一新型电路.     

用正交法优化BST/MTO铁电移相器材料性能

利用正交试验方法研究了Bi2O3、MnCO3、SnO2等添加剂对钛酸锶钡/钛酸镁(BST/MTO)复合铁电移相器材料介电常数r、介质损耗tg以及调谐性T等性能的影响,并对影响机理作了初步探讨。实验结果表明选择合适种类与数量的添加剂能有效提高铁电移相器材料的性能。通过正交试验获得综合性能优异的移相器材料性能:r=315,tg=0.002 8,T=14.27%。     

原料配方对移相器用BST陶瓷材料性能的影响

为了使钛酸锶钡(BST)铁电陶瓷应用于移相器,研究了原料配方和合成方法对钛酸锶钡(BST)铁电陶瓷的结构与性能的影响。以钛酸盐、碳酸盐和二氧化钛为原料进行组合,并掺杂改性物质,制备BST陶瓷,用XRD、SEM检测其晶相及显微结构,用闭腔法测量其微波介电性能。结果表明,不同原料或合成方法形成的BST陶瓷的晶相组成均相同,其中以钛酸钡、钛酸锶合成BST陶瓷的微波介电性能最佳。添加质量分数60%MgO和少量La2O3的(Ba0.6Sr0.4)TiO3的介电性能为:εr=96.6,Q·f=1 155 GHz,T=9.5%(2×103 V/mm),τf=2.5×10–3/℃,满足移相器对BST材料的要求。用该组成设计了3节阻抗匹配的360°铁电体移相器,8~12 GHz范围内,插入损耗小于3 dB,电压驻波比小于1.5。     

宽带双周期性BST电容加载共面波导移相器

提出了一种双周期性BST电容加载共面波导传输线的移相器结构。基于这种结构设计制作的铁电薄膜移相器较好地解决了整个电路的阻抗匹配问题,其反射损耗的波纹在较宽的工作频带内趋于同一幅度。在沉积有钛酸锶钡(BST)薄膜的氧化镁基片上设计并制作了一个宽带双周期性BST叉指电容加载共面波导移相器,测试结果显示该移相器的反射损耗在0~15GHz内保持在–15dB,其中在14.5GHz处,在30V的外加偏压下其移相能力可达35o。     

BST薄膜非线性特性及机理研究

钛酸锶钡(BaxSr1-xTiO3,简称BST)薄膜具有非线性强、漏电流小、居里温度可调等特点,因而在介质移相器、压控滤波器等方面有着广泛的应用前景。笔者对BaxSr1-xTiO3(x=0.45~0.90)系列陶瓷的晶体结构和介电性能、膜厚均匀性控制、BST薄膜的微结构(包括组成、晶体结构和电畴等)和介电非线性尺度效应、铁电薄膜介电非线性模型、薄膜型介质移相器的设计和制作等重要问题进行了研究,取得了以下研究结果:通过研究靶基中心不重合的磁控溅射系统,建立了平面磁控溅射膜厚分布的数学模型,提出了采用T=∫Ld(x,y)ds=∫0td(ξ(t),ψ(t))ξ'2(t)+ψ'2(t)dt来描述靶基中心不重合的平面磁控溅射的膜厚分布情况。在靶基距为72mm、公自转转速比为5.3的条件下,采用自行设计的射频磁控溅射设备和φ100mm靶材制备的BST薄膜膜厚均匀性偏差为2.8%。采用压电力显微镜(PFM)研究了BST薄膜中电畴的类型和尺寸。不仅证实BST薄膜中存在90°铁电畴,而且确定了BST薄膜由多畴转变为单畴结构的晶粒临界尺寸(单畴临界尺寸)为31nm左右。通过研究BST薄膜的介电非线性尺度效应,发现晶粒尺寸和膜厚对薄膜的介电非线性具有重要的作用。随着晶粒尺寸和膜厚的增加,BST薄膜的介电系数、介电系数变化率都逐渐增大。晶粒尺寸对单畴态薄膜的介电系数电压变化率和矫顽场强影响特别显著,而对多畴态薄膜的介电系数电压变化率和矫顽场强影响不明显。在上述实验研究的基础上,对铁电材料的介电非线性机理进行了研究。首先,从简单、实用的角度出发写出表征P(E)和ε(E)非线性的数学多项式,根据介电偏压特性曲线和电滞回线的特征值和连续性原理,给出边界条件和初始条件,解出表达式中的各项系数,从而建立了铁电晶体的介电非线性模型。然后,采用理想的晶粒–晶界几何模型,画出铁电陶瓷材料的等效电路,引入晶粒和晶界的大小,从而建立了铁电陶瓷的介电非线性模型。再采用理想二极管等效界面势垒,得到薄膜型平板电容器等效电路,引入膜厚和界面厚度两个尺度变量,从而建立了铁电薄膜的介电非线性模型。最后,利用文献的数据和曲线对模型进行了验证,模拟得到的曲线与实验得到的曲线变化趋势基本一致,表明该模型可以较好地解释铁电材料(包括陶瓷和薄膜)的介电非线性特性及其随晶粒大小、膜厚和界面厚度等尺度变化的规律。对薄膜型介质移相器的设计、制作和测试进行了研究。采用ADS和HFSS软件进行仿真,设计出了分布式电容负载型铁电薄膜介质移相器的电路结构和各部分的尺寸;采用改进的剥离工艺,制作出了电极线条整齐的铁电薄膜介质移相器;采用矢量网络分析仪,在频率为35GHz、控制电压为40V条件下,测得介质移相器的移相度为180°,插损为9.7dB。     

铁电（Ba,Sr）TiO3及介电Bi2O3-ZnO-Nb2O5薄膜材料应用于电调谐微波器件研究进展

铁电钛酸锶钡BaxSr1-xTiO3(BST)是一种拥有十分优越铁电/介电性能的材料,在可调谐微波器件方面具有很好的应用前景。本文概括介绍了BST薄膜的研究意义、基本结构、薄膜的制备方法,并针对可调谐微波器件应用需求,详细探讨了通过掺杂、组分梯度变化、纳米铁电多层薄膜以及将铁电BST与新型介电Bi2O3-ZnO-Nb2O5(BZN)薄膜相结合等对铁电薄膜性能进行优化的手段,最后对该领域的前沿问题从材料研究层面作了小结与展望。     

BST薄膜铁电移相器研究进展

钛酸锶钡(BST)薄膜因其具有高的介电调谐量,相对低的损耗tgδ和快的开关速度,在微波移相器的应用中显示出巨大优势。介绍了改善BST薄膜的介电性能的有效方法,衬底材料的选择,以及BST薄膜铁电移相器的结构类型和研究进展。     

BST移相器的优化设计算法

近年来,人们在微波应用领域对BST移相器进行了很多研究。本文对BST铁电移相器电路进行了等效分析,就电路中重要部分-BST电容加载的方法进行研究,创新地提出了BST电容非周期性加载的设计思路。用M atlab编程实现并论证这种设计思路。使用这种优化方法设计出的非周期性加载移相器各项指标均优于周期性加载移相器,现已申请专利(专利号:200510028313.9)。     

BST-MEMS移相器开关

为了提高MEMS电容开关性能,介绍了移相器的一种新型结构——分布式电容周期性加载结构。分析发现移相器的相移度和单元可变电容的变化率有关。目前MEMS可变电容单元采用的介质基本上是氮化硅。BST薄膜作为一种性质优良的介电材料,其介电常数远大于氮化硅。从MEMS移相器开关性能的几个关键指标出发,探讨在MEMS移相器开关中,用BST薄膜代替氮化硅介质的可能性。     

BST红外探测器阵列像元信号检测电路设计(英文)

针对铁电材料BST的电容在直流偏场下电性能随温度变化,设计了一种用来检测微小差分电容的电路。采用性能、形状较为一致的BST铁电陶瓷单元电容器配对结构,以电脉冲的方式读取不同温度下材料的充放电电荷数,从而探测辐射到铁电材料上的红外信息。实验结果与理论分析较为吻合,中心频率10Hz、带宽2Hz、放大倍数9000倍。这种BST红外探测器阵列像元信号检测电路具有抗寄生电容干扰强、灵敏度高、容易实现、成本低等优点。改进该探测电路,有望开发出结构简单、性能优良的新一代红外探测器。     

X‐Band Phased Array Antenna Using Ferroelectric (Ba,Sr)TiO3 Coplanar Waveguide Phase Shifter

A phased array antenna was fabricated using four‐element ferroelectric phase shifters with a coplanar waveguide (CPW) transmission line structure based on a Ba0.6Sr0.4TiO3(BST)/MgO structure. Epitaxial BST films were deposited on MgO (001) substrates by pulsed laser deposition. To attain the large differential phase shift and small losses for a ferroelectric CPW phase shifter, an impedance‐matching‐part adding technique between the effective transmission line and connecting cable was used. The return loss and insertion loss for this technique‐adapted BST CPW device were improved with respect to those for a normal BST CPW device. For an X‐band phased array antenna system consisting of ferroelectric BST CPW phase shifters, power divider, dc block, patch antenna, and programmed dc power, the steering beam could be tilted by 15° in either direction.     

2.4 GHz continuously variable ferroelectric phase shifters using all-pass networks

Continuously variable ferroelectric (BST on sapphire) phase shifters based on all-pass networks are presented. An all-pass network phase shifter consists of only lumped LC elements, and thus the total size of the phase shifter is kept to less than 2.2 mm /spl times/ 2.6 mm at 2.4 GHz. The tunability (C/sub max//C/sub min/) of a BST interdigital capacitor is over 2.9 with a bias voltage of 140 V. The phase shifter provides more than 121/spl deg/ phase shift with the maximum insertion loss of 1.8 dB and the worst case return loss of 12.5 dB from 2.4 GHz to 2.5 GHz. By cascading two identical phase shifters, more than 255/spl deg/ phase shift is obtained with the maximum insertion loss of 3.75 dB. The loss figure-of-merit of both the single- and double-section phase shifters is over 65/spl deg//dB from 2.4 GHz to 2.5 GHz.     

梯度多层BST薄膜介电性能研究

成分梯度多层钛酸锶钡薄膜具有较好的综合介电性能,包括适中的介电常数、高的介电调谐率、低的介质损耗及低的介电温度系数等,日益成为微波调制器件如移相器、滤波器、谐振器等的重要候选薄膜材料。就国内外近年来取得的重要成果进行了综述,对今后成分梯度多层BST薄膜的研究前景及方向进行了展望。     

微波烧结Ba_(6-3x)Sm_(8+2x)Ti_(18)O_(54)陶瓷材料的初步研究

研究了Ba_(6-3x)Sm_(8+2x)Ti_(18)O_(54)(x=0.67,BST)陶瓷材料的微波烧结情况,从烧结特性、微结构与相组成及微波介电性能等方面对微波烧结的样品与传统工艺制得的样品进行了对比.结果表明, 与传统制备工艺相比,微波烧结BST陶瓷缩短了烧结周期,并促进了样品的致密化,其物相组成和传统烧结的样品没有区别,且晶粒细小分布均匀.微波烧结BST陶瓷可获得较优的微波介电性能:介电常数ε_r=82.89,品质因数与频率之积Qf=8 450 GHz(频率f=4.75 GHz),谐振频率温度系数τ_f=22.58×10~(-6)/℃.     

BST铁电薄膜压控微波器件

作为一种典型的钙钛矿结构铁电体,BST具有极强的非线性介电性质,其介电常数随外加直流偏压变化,同时BST薄膜易于与微带共面波导等电路集成,能有效减小电路体积,因此可广泛应用于压控变容器、滤波器、移相器、振荡器等微波器件中。该类器件调谐速度极快,损耗低,工作频带宽,功率承载能力强,可调性好。介绍了BST薄膜的非线性介电性质与其在微波应用中的国外研究现状。     

BST材料在DRAM电容中的应用研究

钛酸锶钡(BST)高介电常数材料被普遍认为是最有前途的DRAM电容介质材料。BST作为DRAM电容介质材料的研究已有多年，到目前为止取得了不少突破性的进展。介绍了BST的材料特性和堆积型电容结构电极、埋层材料的设计考虑，探讨了BST膜的制备、掺杂及刻蚀工艺技术。