Температурностабильные сегнетоэлектрические пленки и вариконды на их основе для устройств СВЧ

Устройства с управляемыми АЧХ и ФЧХ базируются на материалах, электрофизические свойства которых – диэлектрическая проницаемость, магнитная проницаемость, проводимость – изменяются под воздействием управляющих электрических, магнитных полей или тока. К таким материалам относятся полупроводники, ферриты, сегнетоэлектрики.

Сегнетоэлектрические материалы, которых на сегодня синтезировано уже более трехсот, обладают нелинейными свойствами по отношению к управляющему электрическому полю. Это сближает их с ферритами по принципу получения управляемого фазового сдвига – изменению фазовой скорости электромагнитной волны в волноведущей структуре при изменении магнитной или диэлектрической проницаемости. Из всего многообразия сегнетоэлектрических материалов в СВЧ-диапазоне могут быть использованы только сегнетоэлектрики на основе твердых растворов BaxSr1‑xTiO3 (BSTO) и SrTiO3, чья диэлектрическая проницаемость по отношению к полю СВЧ изменяется в два-три раза при подаче внешнего электрического поля напряженностью 20–35 В/мкм и обладающих малыми потерями в сверхвысокочастотном диапазоне. Этот эффект сохраняется в широком диапазоне частот. Относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков типа BSTO находится в диапазоне 103. Следовательно, замедление электромагнитных волн в такой среде исключительно велико и поэтому сегнетоэлектрики могут быть использованы только в виде пленок толщиной порядка 1 мкм, нанесенных на диэлектрическую подложку. В свою очередь, диэлектрическая структура «сегнетоэлектрическая пленка – диэлектрическая подложка» представляет собой волноведущую структуру поверхностных волн, замедление которых, с одной стороны, достаточно для построения малогабаритных устройств, а с другой – предоставляет возможность управления их фазовой скоростью за счет изменения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки. Управление диэлектрической проницаемостью технически осуществлено лишь с помощью электродов, нанесенных на поверхность сегнетоэлектрической пленки, образующих планарную структуру емкостью не более нескольких десятков нанофарад, что при управляющем напряжении порядка 100 В требует затрат энергии, не превосходящих десятков микроджоулей. Интенсивный отвод тепла из тонкого слоя сегнетоэлектрика через диэлектрическую подложку с высокой теплопроводностью позволяет проектировать и изготавливать устройства с высоким уровнем передаваемой мощности. Таким образом, на основе структур, содержащих сегнетоэлектрическую пленку, возможно создание управляемых СВЧ-устройств, таких как фазовращатели, фильтры, антенны с электронной перестройкой луча ДН, и других, обладающих высоким быстродействием, низким потреблением энергии по цепям управления, имеющих малые массогабаритные характеристики по сравнению с устройствами на ферритах и полупроводниках. Однако основным сдерживающим фактором широкого распространения сегнетоэлектриков становится зависимость диэлектрической проницаемости от температуры и технологические проблемы их изготовления.

В 2012 году в ОАО «Завод Магнетон» совместно с СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) была впервые в мире разработана технология получения многослойных нанокомпозитных сегнетоэлектрических пленок (МНСЭП) на подложках различной физической природы, обладающих высокой температурной стабильностью своих электрофизических параметров. На основе структур «диэлектрическая подложка – МНСЭП» начат выпуск варикондов, работающих при уровнях управляющего напряжения 20 и 200 В. Электрофизические параметры варикондов в широком температурном интервале (–60…+85 °C) изменяются не более чем на ±5%. На рис. 1 представлена фотография, иллюстрирующая конструктивное SMD-исполнение варикондов трех типоразмеров: 0603, 0402, 0201.

Рис. 1. Конструктивное SMD-исполнение варикондов трех типоразмеров: 0603, 0402, 0201

Изменение емкости вариконда от управляющего напряжения характеризуется коэффициентом управления KU = C(0)/С(U), где C(0) — начальная емкость вариконда при Uупр = 0 В, С(U) — емкость при напряжении U, В. На рис. 2 представлена характеристика изменения емкости вариконда от управляющего напряжения C(Uупр) в различных частотных точках. Из графика видно, что при напряжении Uупр = 20 В коэффициент управления KU ≥ 2 и сама зависимость от величины напряжения практически линейна.

Рис. 2. Зависимость емкости вариконда от управляющего напряжения

Зависимости емкости вариконда в широком частотном интервале при различных управляющих напряжениях C(f) изображены на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость емкости вариконда от частоты

Имеющаяся малая частотная зависимость емкости варикондов обусловлена влиянием индуктивности контактных площадок.

Экспериментальные зависимости емкости от управляющего напряжения и температуры рис. 4, показывают, что в диапазоне –60…+20 °C изменение емкости менее 0,5%, а в интервале +20… +85 °C не превышает 9%, также можно видеть линеаризацию характеристик с увеличением величины управляющего напряжения.

Рис. 4. Зависимость емкости вариконда от температуры

Планарные конденсаторы на МНСЭП со встречно-штыревой структурой электродов в SMD-исполнении трех типоразмеров: 0603, 0402, 0201 показаны на рис. 5. Напряжение 200 В обеспечивает изменение емкости конденсатора более двух раз.

Рис. 5. Планарные конденсаторы на МНСЭП со встречно-штыревой структурой электродов в SMD-исполнении трех типоразмеров: 0603, 0402, 0201

Зависимость емкости планарного вариконда от изменения температуры для различных значений управляющего напряжения показана на рис. 6.

Рис. 6. Зависимость емкости вариконда от температуры для различных значений управляющего напряжения

Добротность варикондов на частоте 3 ГГц не менее 40. Таким образом, применение варикондов на МНСЭП с малым и высоким уровнем управляющего напряжения позволяет проектировать управляемые устройства с электрически перестраиваемыми АЧХ и ФЧХ, работающие в широком температурном и частотном интервалах.

ОАО «Завод Магнетон» для разработчиков собственной ЭКБ и устройств с электрически перестраиваемыми характеристиками (фильтры, фазовращатели, линии задержки, СВЧ-ключи и т. д.), предлагает сапфировые подложки размером 30×48 мм со сформированной структурой типов: «диэлектрическая подложка – МНСЭП», «диэлектрическая подложка – Pt-электрод – МНСЭП», «диэлектрическая подложка – Pt-электрод – МНСЭП – Cu-электрод», «диэлектрическая подложка – МНСЭП – Cu-электрод».

На основе созданных МНСЭП-пленок на предприятии выполнен ряд НИОКР по разработке фазовращателей и фильтров с плавным управлением их характеристиками работающими в СВЧ- и КВЧ-диапазонах длин волн.