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。     

Fe2O3掺杂的BST/MgO铁电移相器材料

采用传统陶瓷工艺制备了Fe2O3掺杂BST/MgO铁电陶瓷材料。研究了Fe2O3掺杂量对该复合体系εr、tanδ等参数的影响。结果表明,适量的掺杂能有效改善体系的电性能。控制掺杂量x(Fe2O3)为0.1%,陶瓷介质在微波频段(S波段)的εr为100.5;tanδ约为5.3×10–3;4000V/mm偏压下的调谐性可达14.2%。采用极化理论对掺杂机理进行了探讨。     

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。     

X 波段铁电薄膜移相器设计

本文基于传输线周期性加载可变电容理论,设计了一种X 波段的铁电薄膜移相器。测试结果表明,随着偏压的增加,移相度增大、插损减小。在32 伏的直流偏压下,X 波段最大移相度为140°,最大插损为10dB,回波损耗优于-10dB。     

钛酸锶钡(BST)铁电移相器材料的研究现状

钛酸锶钡(BST)材料被普遍认为是最有前途的铁电移相器材料。BST作为铁电移相器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。综述了国内外研究人员在BST体材、厚膜以及薄膜方面所做的工作及获得的一些成果。     

一种新型铁电体移相器

介绍了一种用于相控阵雷达的新型铁电体移相器,利用有限元方法对铁电体材料加载波导移相器进行了分析,给出了计算结果。最后讨论了铁电体移相器设计中几个值得关注的重要问题。     

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)。     

基于铁电薄膜材料的反射式移相器设计

本文提出了一种基于正交耦合器和BST可调电容器的反射式移相器的设计.BST材料的介电常数随偏置电压所提供的不同的静电场而发生变化.因此,通过控制外部电压,可以连续地获得有效的变化介电常数和移相器的反射相位.利用PLD技术实现了0.3μm厚的BST薄膜,并采用微加工和氧化铝衬底组成的可调谐电容来测试其微波性能.通过将耦合...     

新型低插损的铁电移相材料

实验研究了Bi2O3掺杂量对钛酸锶钡/氧化镁复合体系介电常数、介质损耗等性能的影响。结果表明控制掺杂Bi2O3质量分数在0.25%左右时,Ku频段f在12~18 GHz,εr为170左右,tanδ为0.01左右,材料的电性能得到大大的改善,满足了雷达移相器的应用要求。     

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%。     

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。     

sol-gel法制备BST薄膜及介电调谐性能

采用sol-gel法制备了Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜。探讨了溶胶中醋酸和乙二醇用量对BST晶化温度和物相的影响,配制出了晶化温度低且无杂相的BST溶胶,对比了退火升温速率对BST薄膜形貌的影响。发现在低速率升温条件下生长的薄膜致密、均匀一致,无气孔、裂纹。测试了薄膜的介电调谐性能,在室温1 MHz下,BST薄膜的εr、tanδ和T分别为592,0.025和42%。     

非制冷红外焦平面阵列BST铁电薄膜的制备及性能研究

采用改进的溶胶-凝胶方法,在Pt／Ti／SiO2／Si基片上成功地制备出不同组分,具有钙钛矿型结构的BST铁电薄膜。BST5、BST10和BST15铁电薄膜的介电系数εr,分别为375、400和425,介电损耗tgδ分别为0．041、0．024和0．010,剩余极化强度Pt分别为2μc／cm^2、2.5／μc／cm^2和1．7μc／cm^2,矫顽场Ec分别为40kV／cm、50kV／cm和35kV／cm,是制备非制冷红外焦平面阵列的优选材料。     

基于铁电移相器的Ka波段低成本相控阵天线研究

为解决铁电体陶瓷移相器中高相对介电常数材料间的匹配问题,研制了一种可用于Ka波段低成本相控阵天线的新型铁电体陶瓷材料移相器,并用其设计制作了一种一维电扫低成本相控阵天线。结果表明:通过利用三级阻抗匹配技术,所制新型移相器中高相对介电常数材料间的匹配问题得到了有效解决。当外加偏置电压约为11 kV时,该移相器可在损耗小于2.2 dB的情况下实现360°相移。     

VCO电路测试新型BST电容器的可变电容特性

基于新型BST电容器的变容机理,采用集成芯片MC12148设计VCO(压控震荡器)测试电路,通过测量不同控制电压对应的频率,计算出材料的电容与介电常数,研究了新型BST的压控特性,推导出该BST材料的电压与电容关系式。结果显示:新型BST材料加正反偏压电容都发生变化;最大耐压值为40 V;其电容调谐率与压控灵敏度都很小,分别为10.691%和5.717 kHz/V;材料应用在频率合成器的微调上,可提高合成频率的灵敏度与精度。     

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。     

外延BiFeO_3薄膜的温度特性

基于Landau-Devonshire唯象理论,采用等效衬底晶格常数的方法,并拟合了磁刚度系数的温度函数,对多铁性外延BiFeO3薄膜的铁电性和磁性进行了研究。结果表明,70nm厚薄膜的磁化强度在10～731℃先增加后减小,在371℃时有最大值64569A/m,随膜厚的增加磁化强度的极值减小;自发极化、c轴晶格常数随膜厚的增加而减小,同一厚度薄膜随温度的升高自发极化强度减小;压电常数、相对介电常数随温度升高而增大,随膜厚增加而增加。     

一种X波段五位数字移相器的研究与设计

介绍了数字移相器的基本原理及设计方法。在ADS仿真环境下,基于GaAs HJ—FET开关器件,设计仿真了一种X波段五位数字移相器,大大降低了移相器的后期制作成本。利用矢量网络分析仪对制作的实物进行了测试,结果表明：在12—12．5GHz频段内,移相器的最大插损小于9．5dB,均方根相位误差在3°以内。