论文部分内容阅读
微波调谐器件通过调控微波信号的频率、相位或幅度,能够简化电路、降低元器件数目、提高系统性能,是现代通讯系统的发展趋势。基于介电薄膜材料的介质变容管技术具有响应速度快、功率容量大、功耗小、成本低和易集成的优点,被认为是微波调谐器件的重要发展方向。目前研究较集中的介电可调材料是BaxSr1xTiO3(BST)薄膜材料,其特点是介电调谐率大、但介电损耗较高,不能满足高性能微波调谐器件的应用要求。近些年发现的烧绿石结构Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7(BZN)薄膜材料介电损耗很低,但介电调谐率较小。本论文将高可调的BST薄膜材料与低损耗的BZN薄膜材料复合,研制兼具低损耗和高调谐率的BZN/BST复合薄膜,开展高性能BZN/BST薄膜变容管技术研究,探索介质薄膜变容管在微波调谐器件的应用研究。主要内容和结论如下:1.采用射频磁控溅射法制备BZN/BST复合薄膜,研究了BZN/BST复合薄膜的介电性能。从电介质串联理论出发,建立了双层复合可调介质薄膜介电性能与结构关系参数模型,通过优化控制BZN/BST复合薄膜的各层厚度比,获得了具有低损耗、高可调的BZN/BST复合薄膜。研制的BZN/BST复合薄膜的介电损耗为~0.78%,在偏置电场1MV/cm下的介电调谐率为~46%。2.研究了BZN/BST复合薄膜的界面效应和漏电特性。研究结果表明,BZN薄膜的费米能级在带隙中比BST薄膜的费米能级深,在BZN-BST界面处形成的界面势垒提高了BZN/BST复合薄膜的P-F发射(Poole-Frenkel emission)漏电机制的开启电场,从而降低了薄膜的泄漏电流。另外,由于BZN薄膜的引入增大了介质薄膜与上电极接触面的势垒高度,减小了肖特基发射电流,从而也有利于降低复合薄膜的泄漏电流。因此, BZN/BST复合薄膜具有低损耗、高可调和低漏电流的特点。3.对BZN/BST介质薄膜变容管进行了高Q值结构设计研究,提出了一种新的平板型变容管多指电极结构。多指电极结构是多电容并联结构,与单电容结构相比具有较高的Q值,同时还具有更好的可靠性,特别适合较大容值的介质薄膜电容设计。4.采用微细加工技术研制了BZN/BST薄膜变容管。利用反转光刻胶优化了电极的图形化工艺;以HF酸为刻蚀剂、NH4F为络合剂、HNO3为助溶剂、去离子水为稀释剂的刻蚀液能很好地刻蚀介质薄膜,解决了BZN/BST复合薄膜的图形化问题。5.研究了BZN/BST介质薄膜变容管的高频介电性能。结果表明,研制的BZN/BST介质薄膜变容管在高频下具有较高的Q值,在100MHz时Q值仍达到150,变容管的电容值及调谐率具有良好的频率稳定性和温度稳定性。随频率的升高,变容管Q值主要由电极损耗决定,其Q值随频率的升高而下降。采用高电导率电极、加厚电极的方法能够减小电极损耗,从而提高变容管的高频Q值。将研制的BZN/BST薄膜变容管用于工作频率为445MHz的移相器中进行应用验证,结果表明移相器的最大插入损耗为~0.9dB,显著优于半导体变容管。6.研制了基于BZN/BST薄膜的采用周期性负载电容结构的X波段传输型移相器。为了改善阻抗匹配,将变容管负载在单节传输线两端,减小了移相器的回波损耗和插入损耗。研制的BZN/BST薄膜移相器在12GHz时的回波损耗优于-13dB,最大插入损耗为-4dB,能够提供0至65°连续变化的相移量。