2
Введение 5
1. Управляемые сверхвысокочастотныс устройства на основе активных диэлектриков 14
1.1. Ферромагнитные пленки 14
1.2. Сегнетоэлектрические пленки 23
1.3. Управляемые СВЧ устройства на основе сегнетоэлектрических пленок 30
1.4. Феррит-сегнетоэлектрические слоистые структуры 41
2. Электродинамический анализ процессов распространения электромагнитных волн в щелевых линиях 46
2.1. Дисперсия электромагнитных волн в щелевых линиях на основе сегнетоэлектрических пленок 46
2.2. Затухание электромагнитных волн в щелевых линиях на основе сегнетоэлектрических пленок 53
2.3. Многощелевая линия на основе сегнетоэлектрических пленок 60
2.4. Расчет планарных фазовращателей на основе многощелевых сегнетоэлектрических структур 65
2.5. Согласование щелевой линии с полосковой линией и прямоугольным волноводом 73
3. Экспериментальные исследования сегнетоэлектрического фазовращателя на основе многощелевой линии 82
3.1. Технология формироваїшя слоистых пленочных структур 82
3.2. СВЧ характеристики сегнетоэлектрических пленок в широком диапазоне частот 86
3.3. Исследования резонаторных структур на основе многощелевой линии 94
3.4. Исследования многощелевых отражательных фазовращателей 97
3.5. Исследования многощелевых проходных фазовращателей 101
4. Исследование слоистых структур феррит-сегнетоэлектрик 110
4.1. Исследование слоистой структуры феррит-сегнетоэлектрик 110
4.2. Электродинамическая модель щелевой линии на основе слоистой структуры феррит-сегнстоэлектрик 121
4.3. Численный анализ дисперсионного уравнения для щелевых линий на основе слоистой структуры феррит-сегнетоэлектрик 133
4.4. Исследование щелевого управляемого резонатора на основе слоистой структуры феррит-сегнетоэлектрик 138
Заключение 142
Список использованной- литературы 143
Публикации автора 152
4
Список использованных сокращений
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика
БСТ - титанах бария-стронция
ЖИГ - железо-иттриевый гранат
ИПР - ионно-плазменное распыление
КВЧ - крайне высокие частотны
ЛИ - лазерное испарение
МЛЭ - молекулярно-лучевая эпитаксия
МС13 - магнитостатическая волна
МЩЛ - многощелевая линия
ООСВ - обратная объемная спиновая волна
ПМСВ - поверхностная магнитостатическая волна
ПОСВ - прямая объемная спиновая волна
РЭС - радиоэлектронные средства
11ПФ - полосно-пропуекающий фильтр
СВ - спиновая волна
СВЧ - сверхвысокие частотны
СЭ - сегнетоэлектрик
СЭП - сегнетоэлектрическая пленка
ФАР - фазированная антенная решетка
Введение
5
По мере возрастания значения сверхвысокочастотных (СВЧ) систем связи, локации и навигации в современном обществе усиливаются требования к их надежности, мобильности, энергопотреблению. Телекоммуникационные сотовые и спутниковые радиотелефонные системы, передвижные навигационные и радарные станции, глобальные и локальные компьютерные сети испытывают потребность в электрически управляемых и недорогих компонентах. Эта потребность может быть обеспечена заменой сложных схем, использующих активные компоненты, на перестраиваемые СВЧ линии на основе пленочных материалов с нелинейными физическими свойствами, таких как сегнетоэлектрики и ферриты.
Один из способов управления параметрами радиоэлектронных компонентов основан на изменении диэлектрической проницаемости компонентов под действием внешнего электрического поля. «Электрический» способ управления отличается высокой скоростью и малыми энергетическими затратами, поскольку перестройка выполняется без протекания токов через управляющие цепи. Свойство управляемости под действием электрического поля сохраняется у некоторых сегнетоэлсктриков (СЭ) в широком частотном диапазоне - от низких до сверхвысоких и крайневысоких частот. Это свойство активно используется в СВЧ устройствах для быстрой перестройки амплитудно-частотных и фазо-частотиых характеристик (АЧХ и ФЧХ, соответственно).
Среди актуальных тенденций современной СВЧ электроники следует отметить продвижение рабочей частоты устройств в область СВЧ и КВЧ диапазонов, снижение весо-габаритньтх характеристик и стоимости устройств и систем. Всем указанным тенденциям соответствуют сегнетоэлекгрические пленочные компоненты. Вместе с этим, существует ряд сложностей, препятствующих их широкому внедрению в СВЧ устройства различного назначения.
Отмеченные актуальные требования и тенденции развития радиоэлектронных систем определяют очевидную актуальность комплексных радиофизи-
6
ческих и физико-технологических исследований, радиотехнических разработок, направленных на создание управляемых СВЧ устройств на основе материалов с нелинейными физическими свойствами.
В течение последних трех десятилетий было выполнено множество исследований в области твердотельной физики и радиоэлектроники, посвященных сегнетоэлектрическим материалам и возможности их применения в РЭС различного назначения. Было показано, что значительным потенциалом для разработки СВЧ управляемых устройств нового поколения обладают гетероструктуры и слоистые композиции на основе перовскитных пленок и родственных оксидных слоев [1, 2, 3]. В 1970 году, в результате исследований сегнето-электриков в ВЧ-СВЧ диапазоне, появилась работа Бетэ [4], направленная на применение СЭ кристаллов и керамики в радиотехнических управляемых приборах. Многие лаборатории включились в исследования ВЧ-СВЧ диэлектрических характеристик сегнетоэлектриков. Однако к середине 80-х годов прошлого столетия интерес к сегнетоэлектрическим материалам со стороны радиотехнических компаний и научных лабораторий снизился по причине высоких диэлектрических потерь, а также в связи с открытием высокотемпературной сверхпроводимости в купратах [5]. Возобновление интереса к СВЧ применениям сегнетоэлектриков проявилось вначале 90-х годов, после того как были продемонстрированы возможности формирования сверхпроводниковых высокодобротных микроструктур с сегнетоэлектрическими управляемыми компонентами [6, 7]. Появились работы, отмечавшие, что металооксидные структуры на основе сегнетоэлектрических, сверхпроводниковых и магнитных материалов способны совершить революцию в области РЭС и микроволновых систем [8 - 11]. В настоящее время интерес к комбинированным структурам, включающим управляемые и высокодобротные слои различной физической природы, продолжает развиваться. Одним из недостатков управляемых структур на СЭП является сравнительно узкий диапазон электрической перестройки рабочей частоты.
7
Традиционно для создания перестраиваемых взаимных и невзаимных управляемых компонентов СВЧ устройств используются магнитно-управляемые материалы, и в наибольшей степени ферриты. «Магнитный» способ управления реализуется посредством изменения напряженности магнитного поля, в которое помещается феррит, в сравнительно широком диапазоне длин волн и скоростей электромагнитных или спиновых волн [12 -14]. Магнитный способ перестройки радиоэлектронных компонентов имеет такие недостатки, как относительно низкая скорость перестройки параметров (микросекунды), значительное энергопотребление, большие габариты магнитных систем.
«Электрический» способ управления отличается высокой скоростью (наносекунды), малыми энергетическими затратами, поскольку перестройка выполняется без протекания токов через управляющие цепи, а также малыми габаритами электрических систем [15]. В качестве управляемых сегнетоэлектри-ческих компонентов РЭС могут применяться сосредоточенные элементы (ва-ракторы) и распределенные структуры - линии передачи [16, 17]. Чем выше рат бочая частота, тем больше возрастает целесообразность применения в РЭС щелевых и копланарных линий передачи на основе сегнетоэлектрических пленок (СЭП) возрастает. Одним из недостатков управляемых структур на основе СЭП является сравнительно узкий диапазон перестройки рабочей частоты (по сравнению с магнитным способом управления) при сохранении параметров затухания электромагнитной волны.
Указанный недостаток может преодолеваться в комбинированных системах, сочетающих сегнетоэлектрические и ферромагнитные слои. В ферромагнетиках могут возбуждаться магнитостатические волны (МСВ), которые имеют ряд преимуществ перед электромагнитными волнами с точки зрения процессов обработки СВЧ сигналов. В качестве ферромагнитной среды для распространения МСВ наиболее целесообразно использовать пленки железо-иттриевого граната ЖИГ - (УзРе5012), эпитаксиально выращенные на подложках гадолиний-галиевого граната - ГГГ (Сб?Са5012) [12, 13, 18,19].
8
Слоистая структура, состоящая из слоев сегнетоэлектрика, такого как Вах8г|.хТЮз - бария-стронциевый титанат (БСТ), позволяет существенно улучшить эксплутационные параметры приборов, расширить их функциональность, повысить управляемость и предоставить дополнительные возможности управления фазовыми характеристиками и групповым временем задержки. [18, 19]. Повышение управляемости СВЧ устройств включает как расширение диапазона перестройки передаточных характеристик при допустимом изменении параметров устройства (например, уровня потерь, ширины и формы полос пропускания/затухания), так и сокращение времени перестройки характеристик, а также увеличение точности управления эксплуатационными параметрами радиоэлектронного компонента.
Таким образом, формируется актуальная комплексная научно-техническая проблема, включающая радиофизические и физикотехнологические аспекты: исследование электродинамики новых СВЧ линий передачи, анализ волновых процессов в слоистых структурах на основе активных диэлектриков, разработку экспериментальных макетов и процессов формирования управляемых СВЧ волноведущих устройств. Указанная проблема определяет цель диссертационной работы:
Исследование процессов распространения электромагнитных волн в ще-I левых линиях на основе сегнетоэлектрических и ферриг-сегнетоэлектрических
слоев, а также разработка и изготовление на основании проведенного анализа перестраиваемых устройств СВЧ диапазона, таких как сегнетоэлектрические фазовращатели и феррит-сегнетоэлектрические резонаторы.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие научные задачи.
- исследование процессов распространения электромагнитных волн в щелевых СВЧ линиях передачи, включая изопланарные и многощелевые конструкции;
- разработка методик измерений СВЧ характеристик сегнетоэлектрических пленок в широком диапазоне частот (1-100 ГГц). Экспериментальное исследование характеристик сегнетоэлектрических пленок;
- разработка планарных фазовращателей на основе многощелевых сегнетоэлектрических структур н технологического процесса их изготовления;
- анализ волновых процессов в пленочной слоистой структуре феррит-сегнетоэлектрик и в структуре феррит - щелевая линия на основе сегнето-электрической пленки;
- разработка управляемых СВЧ интегральных приборов на волноведущих структурах феррит - щелевая линия на основе сегнетоэлектрической пленки. Научная новизна диссертационной работы определяется следующими результатами, полученными впервые:
1. Созданы оригинальные электродинамические модели и методики численного анализа волновых процессов в щелевых структурах на основе сегнетоэлектрических и феррит-сегнстоэлектрических структур.
2. Исследованы дисперсионные характеристики гибридных электромагнитно-спиновых волн, распространяющихся в структуре феррит-сегнетоэлектрик и структуре феррит - щелевая линия на основе сегнетоэлектрической пленки;
3. Определены условия для эффективной гибридизации щелевой моды в СВЧ линиях передачи на основе структуры феррит - щелевая линия на основе сегнетоэлектрической пленки;
4. Предложены оригинальные конструкции щелевых линий передачи, позволяющих существенно улучшить параметры волноведущих СЭ плеочных структур, используемых в управляемых СВЧ приборах;
5. Экспериментально показана высокая эффективность использования планарных фазовращателей-излучателей на основе СЭ пленки в прямоугольных волноводах;
Экспериментально показана эффективность управления резонансной частотой в структуре сегнетоэлектрическая щелевая линия - пленочный ферритовый
10
резонатор в результате изменения электрического и магнитного нолей смещения.
Опенка практической значимости. Практическую ценность работы составляют:
- электродинамическая модель и методика численного анализа процесса распространения гибридных спиново-электромагнитных волн в структуре феррит — щелевая линия на основе сегнетоэлектрической пленки, позволяющая рассчитывать параметры СВЧ устройств на их основе;
- СВЧ фазовращатели - излучатели на основе многощелевой передачи и щелевых линий передачи с экспоненциальным профилем (линии Вивальди), демонстрирующие фазовый сдвиг до 270 градусов при подаче смещающего напряжения до 250 В;
- методики измерения и программы расчета параметров сегнетоэлектрических I пленок в широком диапазоне СВЧ-КВЧ;
- СВЧ резонатор на основе структуры ферри т - щелевая линия на основе сегнетоэлектрической пленки, продемонстрировавший сдвиг резонансной частоты в 77 МГц при подаче смещающего электрического поля в 5 В/мкм на частотах порядка 6 ГГц;
- методика формирования щелевых линий на основе сегнетоэлектрических пленок и ферритовых слоев.
Материалы диссертации используются в учебном процессе СГ16ГЭТУ, курсах кафедры физической электроники и технологии.
I Результаты диссертационной работы использовались в следующих ор-
ганихациях: ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, Холдинговой компании «Ленинец», ОАО «Гириконд», ВНЦ «Государственный Оптический институт им С.И. Вавилова; ОАО «Феррит-Домен», ОАО «Светлана», лаборатории микроэлектроники и физики материалов университета г. Оулу (Финляндия), Корейского института науки и техники (ЮБТ, г. Сеул).
Результаты работы реализованы в следующих проектах и грантах:
• в проекте Минис терства Образования Российской Федерации «Раз-
I
11
работка элементной базы и устройств СВЧ радиоэлектроники на основе сегне-тоэлектрических пленок» (код проекта: 208.05.05.012);
• в проекте Международного научно-технического центра (МНТЦ -
2896) «Исследование планарных слоистых структур на основе сегнетоэлектри-ческих пленок с целью применения в радиоэлектронных устройствах миллиметрового диапазона длин волн» (01 января 2005 г. - 30 июня 2007);
• в проекте Международного научно-технического центра (МНТЦ -
2616) «Миниатюрные перестраиваемые сверхвысокочастотные генераторы» (2004-2006);
• в проекте Корейского института науки и техники (KIST -
АА134/2004) “Управляемый пленочные компоненты на основе сегнтоэлектри-ческих пленок» (2005 - 2007).
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и симпозиумах:
Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского Государственного Электротехнического Университета (ЛЭТИ) (2002 - 2008), Санкт-Петербург, Россия.
7-th Russia/CIS/Baltic/Japan Symposium on Ferroelectricity (RCBJSF-7), June 24-28, 2002, St.Petersburg, Russia.
Международной научно-технической школе-конференции «Молодые учёные - науке, технологиям и профессиональному образованию», 1-4 октября 2002, Москва, Россия.
17-th International Symposium on Integrated Ferroelcctrics. April, 2003. Schanghai, China.
IV Международной научно-технической конференции «Электроника и Информатика - 2002», Зеленоград. Россия.
International Symposium on Electrocderamics, June, 2005, Seoul, Korea.
International Student Seminar on Microwave Applications of Novel Physical Phenomena (2006 - 2008), Санкт-Петербург, Россия.
12
4-th international Conference on Microwave Materials and Their Applications, 12-15 June, 2006, Oulu, Finland.
Международной научно-технической школе-конференции. Молодые ученые — 2006. 14 — 18 ноября, 2006, Москва, Россия.
19-th International Symposium on Integrated Ferroelectrics. May 8 - 11, 2007. Bourdeaux, France.
37-th European Microwave Conference, October 2007, Munich, Germany.
VI Международной научно-технической конференции. Intermatic - 2007. 23 - 27 октября, 2007, Москва, Россия.
XVII Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков. 9-14 июня, 2008, Санкт-11етербург
Исследования, проведенные в рамках диссертационной работы, позволили сформулировать следующие научные положения:
1. Многощелевая линия на поверхности сегнетоэлектрической пленки, содержащая несколько внутренних полосковых элеюродов, по затуханию щелевой моды близка к аналогичной по ширине щелевой линии без внутренних электродов, что позволяет в несколько раз снизить управляющее напряжение.
2. Многощелевая СВЧ линия передачи, сформированная на поверхности сегнетоэлектрической пленки титаната бария-стронция, в сочетании с планарными экспоненциальными щелевыми элементами согласования (излучателями Вивальди) электродинамически согласована с окружающим пространством в широком диапазоне частот, что позволяет в режиме на проход излучать энергию в И - плоскости в угле раскрыва 40 - 60 градусов при минимальных потерях мощности сигнала и фазовом сдвиге до 360 градусов.
3. Взаимодействие поверхностной магнитостатической волны в ферромагнитной пленке с основной модой щелевой линии на основе сегнетоэлектрической пленки приводит к волновой гибридизации, позволяющей эффективно управлять дисперсионными характеристиками такой структуры посредством изменения как электрического, так и магнитного полей смещения.
13
4. Максимальная гибридизация поверхностной магнитостатической и электромагнитной волны щелевой сегнетоэлектрической линии достигается путем уменьшения ширины щели (в интервале 10-50 мкм) и увеличения толщин сегнетоэлектрической и ферромагнитной пленок (более 10 мкм) как результат роста замедления электромагнитной волны в щелевой линии.
Научные материалы диссертационной работы докладывались на конференциях и семинарах различного уровня. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из них 5 статей (4 статьи опубликованы в научных изданиях, определенных ВАК), 4 доклада в трудах международных и всероссийских конференций и 1 патент. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения. Она изложена на 109 страницах машинописного текста, включает 42 рисунка. 8 таблиц, и содержит список литературы из 89 наименований.
- Київ+380960830922