Щелевая линия

Щелевая линия относится к области радиоэлектроники СВЧ и КВЧ диапазонов и может быть использована как основа для построения устройств с электрически управляемыми амплитудно-частотными (АЧХ) или фазочастотными (ФЧХ) характеристиками. Щелевая линия содержит диэлектрическую подложку 1 с нанесенной на нее сегнетоэлектрической пленкой Ba_xSr_1-xTiO₃, 2, на которой расположены электроды 3, разделенные щелью, причем сегнетоэлектрическая пленка сформирована в виде нескольких последовательно расположенных по толщине пленки наноразмерных слоев с различным составом х в пленках, но с постоянной величиной х в каждой из них, причем величину х выбирают из условия близости по величине значений постоянной распространения во всех точках рабочего температурного диапазона. Техническим результатом изобретения является увеличение температурной стабильности параметров щелевой линии. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Предлагаемая щелевая линия относится к области радиоэлектроники СВЧ и КВЧ диапазонов и может быть использована как основа для построения устройств с электрически управляемыми амплитудно-частотными (АЧХ) или фазочастотными (ФЧХ) характеристиками.

Известны щелевые линии («Сегнетоэлектрики в технике СВЧ» под редакцией Вендика О.Г. 1979 г., стр.144), образованные двумя внешними электродами на поверхности диэлектрической пластины. Основной тип колебаний в таких линиях «щелевой мод» обладает слабой частотной дисперсией и по этому параметру близок к ТЕМ-типу колебаний двухпроводной линии передачи, а распределение поля щелевого мода близко к распределению ТЕ01 - волны прямоугольного волновода. Возможности управления характеристиками таких линий малы.

Известна щелевая линия, в которой внешние электроды сформированы на поверхности сегнетоэлектрической пленки Ba_xSr_1-xTiO₃ (BSTO), нанесенной на диэлектрическую подложку (А.Б.Козырев, М.М.Гайдуков и др. «Волноводно-щелевой 60 GHz фазовращатель на основе (Ва,Sr)ТiO₃ сегнетоэлектрической пленки». Письма в ЖТФ, 2002, том 28, вып.6, с.51-57). В такой конструкции заложена возможность управления фазовой скоростью щелевого мода за счет нелинейности диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки по отношению к управляющему напряжению. Рассматриваемая линия является основой для построения устройств с электрически управляемыми АЧХ и ФЧХ в диапазоне СВЧ.

Сдерживающим фактором широкого практического применения щелевых линий на основе сегнетоэлектрических пленок является температурная зависимость их диэлектрической проницаемости и, как следствие, температурная зависимость характеристик устройств, построенных на основе щелевых линий. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков является их принципиальным свойством, которое проявляется в том, что нелинейность диэлектрической проницаемости по электрическому полю и температуре взаимосвязаны (Титанат бария // Сборник докладов семинара по сегнетоэлектричеству, ФИАН, 1970 / Под ред. Н.В.Белова. М.: Наука, 1973. с.264). Снижение температурной зависимости приводит к уменьшению зависимости от электрического поля, а следовательно, к ограничению функциональных возможностей устройств на сегнетоэлектрических пленках.

Задачей, решаемой изобретением является разработка щелевой линии на основе BSTO с температурно стабильными характеристиками - с температурно стабильной и электрически управляемой постоянной распространения электромагнитной волны.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемая щелевая линия, так же как и известная, содержит диэлектрическую подложку с нанесенной на нее сегнетоэлектрической пленкой Ba_xSr_1-xTiO₃, на которой расположены электроды, разделенные щелью. Но, в отличие от известной, в предлагаемой щелевой линии сегнетоэлектрическая пленка сформирована в виде нескольких последовательно расположенных по толщине пленки наноразмерных слоев с различным составом х в слоях, но с постоянной величиной х в каждой из них, причем величину х выбирают из условия близости по величине значений постоянной распространения электромагнитной волны во всех точках рабочего температурного диапазона.

Достигаемый технический результат - увеличение температурной стабильности параметров щелевой линии.

Особенностью применения сегнетоэлектрических пленок в диапазоне сверх- и крайневысоких частот является ограничение сверху толщины пленки размером приблизительно (1.0÷0.1)×10^-6 м. Сегнетоэлектрическая пленка такой толщины в структуре щелевой линии, в сочетании с аномально большой диэлектрической проницаемостью (порядка 10) приводит к оптимальному с позиций технических требований, замедлению электромагнитной волны в линии и электрическому управлению постоянной распространения электромагнитной волны.

В щелевой линии, образованной на многослойной сегнетоэлектрической структуре, каждый наноразмерный слой может быть выбран независимо по толщине и концентрации бария в BSTO. Поэтому, в соответствии с различной зависимостью диэлектрической проницаемости от температуры в каждом нанослое, можно ожидать температурную стабилизацию постоянной распространения электромагнитной волны в линии.

Важно отметить, что этот эффект может быть достигнут на основе многослойной сегнетоэлектрической структуры, которую нельзя характеризовать таким параметром как диэлектрическая проницаемость. Эффект температурной стабилизации достигается за счет распределения электромагнитного поля в щелевой линии по толщине многослойной сегнетоэлектрической структуры. При этом каждый нанослой сохраняет свойства сегнетоэлектрика с присущей ему температурной и полевой зависимостью диэлектрической проницаемости.

На этом основании можно сделать вывод о сохранении полевой зависимости фазовой скорости электромагнитной волны в щелевой линии в той мере, которая проявляется для данного распределения поля.

Совокупность существенных признаков, изложенных в пункте 2 формулы изобретения, характеризует щелевую линию, в которой количество наноразмерных слоев равно трем.

Моделирование щелевой линии и ее экспериментальная проверка показали, что это минимальное количество слоев, при котором эффект температурной стабилизации может иметь практическое значение.

Совокупность существенных признаков, изложенных в пункте три формулы изобретения, характеризует щелевую линию, в которой количество наноразмерных слоев более трех.

Моделирование щелевой линии и изучение физических процессов, влияющих на достижение требуемого результата, доказывают, что чем больше количество используемых наноразмерных слоев, тем более высокие показатели могут быть достигнуты. Препятствием для увеличения количества слоев более одиннадцати являются технологические возможности существующего оборудования.

Совокупность существенных признаков, изложенных в пункте четыре формулы изобретения, характеризует щелевую линию, в котором наноразмерные слои сегнетоэлектрика разделены слоем диэлектрика.

Слои диэлектрика выполняют роль буферных слоев, препятствуя взаимной диффузии между сегнетоэлектрическими слоями, которая возникает в технологическом процессе напыления слоев.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где представлены:

на фиг.1 показано поперечное сечение щелевой линии,

на фиг.2 - приведены температурные зависимости постоянной распространения в щелевой линии в зависимости от количества слоев на частоте 1 ГГц,

на фиг.3 - приведены температурные зависимости постоянной распространения в щелевой линии в зависимости от количества слоев на частоте 10 ГГц.

на фиг.4 - приведены температурные зависимости постоянной распространения в щелевой линии в зависимости от количества слоев на частоте 100 ГГц,

на фиг.5 - приведены температурные зависимости постоянной распространения на частоте 100 ГГц при поданном на электроды линии управляющем напряжении 10 В/мкм.

На фиг.6 представлены зависимости постоянной распространения в щелевой линии от температуры, между сегнетоэлектрическими слоями которой включены слои диэлектрика с диэлектрической проницаемостью, равной 50-ти, и общей суммарной толщиной, не превышающей 30 процентов суммарной толщины сегнетоэлектрических размерных слоев;

на фиг.7 - зависимость постоянной распространения фазовой скорости от температуры в щелевой линии.

Щелевая линия (фиг.1) состоит из диэлектрической подложки 1, с нанесенной на нее пленкой, состоящей из наноразмерных слоев сегнетоэлектрика 2, на которой сформированы внешние электроды 3. В качестве подложки используют диэлектрические материалы, обладающие значением диэлектрической проницаемости 8 в диапазоне = 10÷100, низким значением тангенса угла диэлектрических потерь в СВЧ и КВЧ диапазонах.

Оценка температурной стабилизации постоянной распространения электромагнитной волны (γ) в щелевой линии на основе многослойной сегнетоэлектрической структуры была выполнена в полноволновом электродинамическом описании, основные идеи которого изложены в монографии: Иванов А.А., Мироненко И.Г., Семенов А.А., Карманенко С.Ф., Назаров И.А. Сегнетоэлектрические пленки и устройства на сверх- и крайне высоких частотах, Санкт-Петербург, изд. "Элмор", 2007 г., 161 с.

Температурная и полевая зависимости диэлектрической проницаемости в каждом наноразмерном слое BSTO была принята на основе классической модели Ландау-Гинзбурга, основные положения которой изложены в книге Сегнетоэлектрики в технике СВЧ / под ред. Вендика О.Г. - М.: Сов. Радио, 1979. - 272 с.

,

где х=(0,…,1) - концентрация бария,

, , ,

где ε(η,ξ) - диэлектрическая проницаемость BSTO в зависимости от концентрации бария, температуры и напряженности электрического поля, Е - напряженность электрического поля, Е_Н - нормирующее поле, Θ_F - температура Дебая, η(х) - параметр теории, ξ - нормированное электрическое поле, а концентрационная зависимость постоянной Кюри С(х) и температуры Кюри-Вейса Т_с(х) была принята в виде

С(х)=10⁵·(0.78+0.76·х²), T_c(х)=42+439·х-96·х².

Ниже приведены примеры полученных зависимостей постоянной распространения электромагнитной волны в зависимости от температуры. Расчеты выполнены для многослойных структур: На графиках обозначено:

1 - трехслойной сегнетоэлектрической структуры суммарной толщиной 1.89 мкм, состава x₁ - 0.4, x₂ - 0.6, x₃ - 1.0.

2 - четырехслойной сегнетоэлектрической структуры суммарной толщиной 1.95 мкм, состава x₁ - 0.4, x₂ - 0.5, x₃ - 0.6, х₄ - 0.9.

3 - пятислойной сегнетоэлектрической структуры суммарной толщиной 2.5 мкм, состава x₁ - 0.4, x₂ - 0.5, x₃ - 0.6, x₄ - 0.7, x₅ - 0.9.

4 - шестислойной сегнетоэлектрической структуры суммарной толщиной 2.5 мкм, состава x₁ - 0.1, x₂ - 0.4, x₃ - 0.5, x₄ - 0.6, x₅ - 0.7, x₆ - 0.9.

5 - семислойной сегнетоэлектрической структуры суммарной толщиной 2.54 мкм, состава x₁ - 0.3, x₂ - 0.4, x₃ - 0.5, x₄ - 0.6, x₅ - 0.7, x₆ - 0.8, x₇ - 0.9.

6 - восьмислойной сегнетоэлектрической структуры суммарной толщиной 2.45 мкм, состава x₁ - 0.2, x₂ - 0.3, x₃ - 0.4, x₄ - 0.5, x₅ - 0.6, x₆ - 0.7, x₇ - 0.8, x₈ - 0.9.

7 - девятислойной сегнетоэлектрической структуры суммарной толщиной 1.38 мкм, состава x₁ - 0.1, x₂ - 0.3, x₃ - 0.4, x₄ - 0.5, x₅ - 0.6, x₆ - 0.7, x₇ - 0.8, x₈ - 0.9, x₉ - 1.

8 - десятислойной сегнетоэлектрической структуры суммарной толщиной 1.75 мкм, состава x₁ - 0.1, x₂ - 0.2, x₃ - 0.3, x₄ - 0.4, x₅ - 0.5, x₆ - 0.6, x₇ - 0.7, x₈ - 0.8, x₉ - 0.9, х₁₀ - 1.0.

9 - одиннадцатислойной сегнетоэлектрической структуры суммарной толщиной 2.61 мкм, состава x₁ - 0, x₂ - 0.1, x₃ - 0.2, x₄ - 0.3, x₅ - 0.4, x₆ - 0.5, x₇ - 0.6, x₈ - 0.7, x₉ - 0.8, х₁₀ - 0.9, x₁₁ - 1.0.

Здесь и далее принято обозначение - х_i - значение концентрация бария в соответствующем слое BSTO, отсчитанном от поверхности подложки.

Параметры подложки: толщина 0.5 мм, диэлектрическая проницаемость 9.8. Ширина щели 150 мкм.

Таким образом, введение слоев диэлектрика в многослойную сегнетоэлектрическую структуру позволяет сохранить температурную стабилизацию постоянной распространения электромагнитной волны.

Как видно из графиков, температурный интервал стабилизации постоянной распространения оцениваемой единицами процента отклонения от среднего значения достигает (140-160)° при количестве нанослоев более трех.

Численное моделирование температурной зависимости постоянной распространения в щелевой линии на основе многослойной сегнетоэлектрической структуры, выполненное в широком интервале параметров позволило сделать вывод:

Число наноразмерных слоев в пределах многослойной сегнетоэлектрической структуры с распределением концентрации бария по слоям для достижения требуемого уровня термостабилизации постоянной распространения электромагнитной волны в заданном температурном интервале может быть произвольным и определяется для конкретной конструкции щелевой линии в рабочем диапазоне частот.

Последовательность расположения слоев по толщине пленки слабо влияет на эффект температурной стабилизации.

Таким образом, применение многослойных сегнетоэлектрических структур на основе твердых растворов BSTO в щелевых линиях дает эффект температурной стабилизации в широком интервале толщин пленки и значений концентрации бария в наноразмерном слое.

Для сравнения на фиг.7 приведена зависимость постоянной распространения от температуры в известной однослойной щелевой линии при значении х=0,5, причем этот график относится к щелевым линиям, которые получены в результате многолетнего поиска компромисса между температурной и полевой зависимостью диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика с технически приемлемыми диэлектрическими потерями в диапазоне СВЧ и КВЧ. Сравнение зависимостей постоянной распространения для известной и предложенной многослойной щелевой линией показывает, что интервал температурной стабилизации многослойной линии в несколько раз больше.

1. Щелевая линия, содержащая диэлектрическую подложку с нанесенной на нее сегнетоэлектрической пленкой Ba_xSr_1-xTiO₃, на которой расположены электроды, разделенные щелью, отличающаяся тем, что в предлагаемой щелевой линии сегнетоэлектрическая пленка сформирована в виде нескольких последовательно расположенных по толщине пленки наноразмерных слоев с различным составом х в пленках, но с постоянной величиной х в каждой из них, причем величину х выбирают из условия близости по величине значений постоянной распространения во всех точках рабочего температурного диапазона.

2. Щелевая линия по п.1, отличающаяся тем, что количество наноразмерных слоев равно трем.

3. Щелевая линия по п.1, отличающаяся тем, что количество наноразмерных слоев выбирается более трех.

4. Щелевая линия по п.1, отличающаяся тем, что наноразмерные слои сегнетоэлектрика разделены слоем диэлектрика.