介质移相器用铁电薄膜性能优化分析

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1、第一章绪论材料的介电常数在外加电场作用下会发生变化的特性和微波信号在介质中传播的相速跟介质的介电常数有关的特性进行工作。铁电介质移相器可分为三类。第一类是铁电陶瓷移相器，它需要很高的外加电压才能产生高的相移，且电路阻抗匹配困难。第二类是铁电厚膜移相器，它一般采用丝网印刷等方式制备厚膜，器件性能的一致性较差。第三类是铁电薄膜移相器，它需要的控制电压一般较低，器件性能的一致性优于厚膜移相器，且又能与半导体工艺兼容，因此铁电薄膜移相器成为铁电介质移相器的主要发展方向。1.1铁电薄膜移相器的研究现状1.1.1铁电移相器的基本原理铁电薄膜材

2、料的极化强度会随着外加电场的变化而变化，因此其介电常数有随外加电场变化的特性。介电常数的变化大小由调谐率来表示，其定义为：EMBEDEquation.3(1-1)
其中，EMBEDEquation.3是外加电场为零时铁电薄膜的介电常数，
EMBEDEquation.3是外加某一电场时铁电薄膜的介电常数。微波信号通过由
铁电薄膜材料构成的合成传输线时，改变加在介质上的直流偏压的大小，薄膜的介电常数发生变化，使微波信号的相速也发生变化，从而实现移相的目的。1.1.2铁电薄膜移相器的分类铁电薄膜移相器按照结构主要可分为

3、传输线型、分布型、反射型和全通网络型。(1)传输线型铁电薄膜移相器的基本结构是在基片上制备一层铁电薄膜，在此基础上制作各种传输线结构。根据传输线结构的不同，可分为共面波导型、耦合微带线型。这类移相器特点是容易设计在较高的频率工作(10GHz以上)。随着频率的升高，移相度线性增大，插损也增大，要产生大的移相度常需要较高的直流偏压和较长的传输线长度。(2)分布式铁电薄膜移相器的基本设计思想是在共面波导、共面带状线等高阻传输线上周期加载铁电薄膜可变电容，构成合成传输线。这类移相器又可分为分布式共面波导型、分布式共面带状线型。这类移相器的

4、特点是容易设计在较高频率下工作(10GHz以上)，随着频率的升高，移相度线性增大，插损略有增大。(3)反射型铁电薄膜移相器的结构原理与MMIC反射型移相器相似，反射终端包含铁电薄电子科技大学硕士学位论文膜可变电容，电容值的变化引起反射系数变化，使得输出信号相位变化。这种移相器的特点是，移相度的频率响应特性为单峰形状，插损一般较小，很大一部分插损来源于3dB耦合器。由于是采用了耦合器，整个器件需要占用相当大的面积。(4)全通网络型铁电薄膜移相器由集总元件构成，电路端口连接特征阻抗为Z0的传输线。该种移相器采用集总元件实现，器件面积小

5、，移相度的频率响应特性为单峰形状，插损一般较小。它能够很方便地进行级联，从而获得大的移相度。表1-1各类铁电薄膜移相器性能总结单位器件结构频率/GHz移相度(°)插损/dB伯明翰大学共面波导型4022022韩国电子电信所耦合微带线型2945810.5加州大学分布式共面波导102403加州大学分布式共面波导型84608.8Delphi与Agile公司分布式共面带状线243606乔治亚州理工学院反射型2.51332.2乔治亚州理工学院全通网络2.4

6、2553.75nGimat公司全通网络323609目前国外已研制出了性能优异的原型器件，并开始将其投入使用，出现了使用铁电薄膜移相器的相控阵天线试验阵列。国内电子科技大学、中科院物理所、华中科技大学等单位也在研制原型器件，但未见用于相控阵天线的报道。以上几种主要的铁电薄膜移相器性能列于表[1-8]1中。器件结构频率/GHz移相度(°)插损/dB伯明翰大学共面波导型4022022韩国电子电信所耦合微带线型2945810.5加州大学分布式共面波导102403加州大学分

7、布式共面波导型84608.8Delphi与Agile公司分布式共面带状线243606乔治亚州理工学院反射型2.51332.2乔治亚州理工学院全通网络2.42553.75nGimat公司全通网络323609目前国外已研制出了性能优异的原型器件，并开始将其投入使用，出现了使用铁电薄膜移相器的相控阵天线试验阵列。国内电子科技大学、中科院物理所、华中科技大学等单位也在研制原型器件，但未见用于相控阵天线的报道。以上几种主要的铁电薄膜移相器性能列于表1中[1-8]。频率/GHz移相度

8、(°)插损/dB伯明翰大学共面波导型4022022韩国电子电信所耦合微带线型2945810.5加州大学分布式共面波导102403加州大学分布式共面波导型84608.8Delphi与Agile公司