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

.

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 ½ 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.