СВЧ-фазовращатели на основе сегнетоэлектриков

В развитии радиолокационных и связных систем наблюдаются две устойчивые тенденции: освоение все более высокочастотных диапазонов волн и усовершенствование активных фазированных антенных решеток (АФАР). В радиолокации эти тенденции обусловлены растущими требованиями к увеличению дальности обнаружения и повышению точности определения координат целей, а в связи — к увеличению пропускной способности информационных каналов. Началом эпохи АФАР можно считать 1970‑е гг., когда появились первые полупроводниковые СВЧ-компоненты. Благодаря малым габаритам и невысокой стоимости они позволили создавать многоэлементные АФАР, сочетающие высокие функциональные и энергетические параметры с высокой надежностью.

Ядром каждого элемента АФАР является фазовращатель (ФВ), представляющий собой линейное двухпортовое устройство, которое, в соответствии с сигналом управления, меняет фазу сигнала выходного порта по отношению к фазе сигнала входного порта. Именно ФВ определяет не только скорость и точность формирования лучей АФАР, но и потери полезного сигнала в антенном тракте. Число элементов некоторых АФАР может достигать сотен тысяч и даже миллиона, и к каждому элементу предъявляются жесткие и вместе с тем противоречивые требования высокой надежности, малого потребления энергии по цепям управления, высокого быстродействия и точности установки фазы, малых вносимых потерь и низкой стоимости. Для работы в составе АФАР от ФВ требуется хорошее согласование по импедансу, низкое вносимое затухание, возможность работать с достаточно мощными сигналами, низкая мощность в цепи управления и малое время установления. Для бортовых АФАР важны малые размеры и вес, а также устойчивость к вибрациям и ударам.

В современной аппаратуре используются ФВ с электронным управлением на основе:

•  Ферритов. Ферритовые ФВ могут работать смощными сигналами, имеют низкие потери иобеспечивают низкую погрешность установки фазы. Однако у них высокая стоимость, большие габариты, они требуют высокой мощности в цепях управления и более инерционны по сравнению со всеми остальными типами ФВ.
•  Полупроводниковых компонентов, аименно PIN-диодов иполевых транзисторов (ПТ, FET). Полупроводниковые ФВ на ПТ и PIN-диодах имеют невысокую стоимость, малые габариты и вес. К их недостаткам можно отнести низкую допустимую мощность сигнала и значительные вносимые потери. PIN-диоды обеспечивают более низкие потери по сравнению с ПТ, но требуют большей мощности в цепи управления. Время переключения полупроводниковых ФВ находится в диапазоне наносекунд.
•  Микроэлектромеханических систем (МЭМС, MEMS). ФВ наоснове МЭМС имеют более низкие потери посравнению с полупроводниковыми, у них малые габариты и вес, а также низкая стоимость при условии массового производства. Но, будучи механическими системами, они имеют такие недостатки, как принципиально ограниченный ресурс, достигающий, правда, у лучших образцов триллиона циклов переключения, и увеличенное, по сравнению с полупроводниками, время срабатывания [1].
•  Сегнетоэлектриков. Сегнетоэлектрические (СЭ) ФВ имеют высокую скорость управления фазовым сдвигом, широкий динамический диапазон, потребляют очень малую мощность поцепям управления, они просты визготовлении и имеют низкую стоимость. К недостаткам СЭ-ФВ можно отнести сравнительно высокий температурный коэффициент диэлектрической проницаемости СЭ-материала и, в ряде случаев, заметное изменение тангенса диэлектрических потерь от управляющего напряжения, вызывающее паразитную модуляцию выходного сигнала.

По совокупности свойств СЭ-ФВ довольно перспективны для применения в АФАР. Что же представляют собой СЭ и как они используются для построения ФВ?

Рис. 1. Зависимость диэлектрической проницаемости BaTiO3 от напряженности электрического поля

Сегнетоэлектриками называют полярные диэлектрики, которые в определенном интервале температур спонтанно (самопроизвольно) поляризованы, т. е. обладают поляризованностью при отсутствии внешнего электрического поля. СЭ обладают рядом своеобразных электрических свойств [2]:

•  диэлектрическая проницаемость СЭ составляет 103–104, втовремя как у большинства обычных диэлектриков она не более 10;
•  диэлектрическая проницаемость СЭ зависит отнапряженности внешнего электрического поля Е (рис.1);
•  диэлектрическая проницаемость СЭ зависит оттемпературы (она имеет максимум, называемый точкой Кюри; при нагревании СЭ выше точки Кюри он становится обычным диэлектриком) (рис.2);
•  зависимость поляризованности Р отнапряженности поля Е уСЭ нелинейна. Начиная с некоторого значения напряженности поля, поляризованность входит в насыщение и перестает расти. Кроме того, СЭ свойственен гистерезис, представляющий неоднозначную зависимость Р от Е. 

Рис. 2. Зависимость диэлектрической проницаемости BaTiO от температуры

При первоначальном увеличении поля нарастание поляризованности идет по ветви 1. Уменьшение Р происходит по ветви 2. При нулевом Е поляризованность не исчезает, а уменьшается до значения Рr, называемого остаточной поляризованностью. Чтобы свести ее к нулю, нужно приложить поле Ес противоположного направления, называемое коэрцитивной силой (рис. 3).

Рис. 3. Петля гистерезиса BaTiO3

Поведение СЭ в электрическом поле очень напоминает поведение ферромагнетиков в магнитном поле, поэтому в зарубежной литературе их называют ферроэлектриками. Сейчас известно уже свыше ста СЭ, но в СВЧ-приложениях используются преимущественно твердые растворы титаната бария (BaTiO3) и титаната стронция (SrTiO3) с общей формулой BaхSr1‑хTiO3, где х может изменяться от 0 до 1. Этот класс сегнетоэлектриков в зарубежной литературе обозначается аббревиатурой BST. Именно на этих СЭ были получены наиболее важные практические результаты по созданию управляемых СВЧ-ФВ.

Температура Кюри этого класса соединений может контролироваться концентрацией бария х. При х ≤ 0,7 температура Кюри ниже комнатной, и при комнатной температуре вещество находится в неполярной параэлектрической фазе. В этом состоянии оно имеет высокую диэлектрическую проницаемость, большой коэффициент ее перестройки, высокую скорость перестройки и низкий тангенс потерь. Интересно, что у порошка и толстых пленок BST, например у часто используемого Ba0,6Sr0,4TiO3, в параэлектрической фазе гистерезис отсутствует, а у тонких остается в слабо выраженной форме [3]. Диэлектрическая проницаемость и диапазон ее перестройки максимальны при температуре Кюри, но в этой точке они сильно зависят от изменения температуры. Обычно х составляет около 0,6; в этом случае диэлектрическая проницаемость достаточно высока и вместе с тем относительно стабильна в коммерческом диапазоне температур.

Рис. 4. Схемы построения СЭ-фазовращателей:
а) копланарный волновод,
б) нагруженная линия,
в) левосторонняя линия,
г) квадратурный гибрид с нагрузочными конденсаторами

Управление фазой СВЧ-сигнала в СЭ-ФВ происходит за счет изменения диэлектрической проницаемости BST-материала под действием электрического поля, причем используется падающий участок этой зависимости. Обычно СЭ-ФВ строятся по следующим структурным схемам (рис. 4):

а) Копланарный волновод, нанесенный на слой

СЭ-диэлектрика. Прикладывая напряжение между центральным проводником и заземленными пластинами копланарной линии, можно менять диэлектрическую проницаемость СЭ и, тем самым, фазовую скорость сигнала и постоянную распространения, что приводит к изменению фазового сдвига.

б) Нагруженная линия с сосредоточенными

СЭ-конденсаторами. Изменение емкости конденсаторов и соответствующее изменение фазы СВЧ-сигнала происходит за счет подаваемого вместе с ним на центральный проводник постоянного напряжения. Конденсаторы могут быть как корпусными, так и бескорпусными, выполненными нанесением СЭ-пленки на топологию ФВ.

в) Перестраиваемая левосторонняя линия (в зарубежной литературе left-handed line или artificial transmissionline). Левосторонней называется линия передачи, использующая свойства метаматериала [4].Конструктивно это микрополосковая линия с последовательно включенными конденсаторами. ФВ на этих линиях передачи очень компактны и поэтому хорошо подходят для применения в АФАР.

г) Отражательная схема с квадратурным гибридом и нагрузочными СЭ-конденсаторами. ФВ на основе квадратурного гибрида обеспечивают малое изменение фазового сдвига в ограниченной рабочей полосе частот, в то время как для работы в АФАР требуется линейная фазочастотная зависимость. Они не применяются в АФАР и обычно используются в автоматизированных измерительных системах.

Основными техническими параметрами СЭ-ФВ являются:

•  диапазон рабочих частот, для СВЧ-приложений обычно выражаемый вгигагерцах (ГГц);
•  диапазон перестройки вугловых градусах (°);
•  вносимые потери вдецибелах (дБ);
•  показатель качества FoM (Figure of Merit)— этот параметр находится как отношение диапазона перестройки квносимым потерям и имеет размерность (°/дБ);
•  значение управляющего напряжения ввольтах (В);
•  скорость перестройки фазы вугловых градусах зананосекунду (°/нс);
•  габариты (мм).

СЭ-варакторы могут быть как корпусными для монтажа на плату или подложку, так и бескорпусными, выполняемыми по толстопленочной или тонкопленочной технологии на подложке ФВ.

Рис. 5. BST-варакторы серии TCP фирмы ON Semiconductor в корпусах WLCSP (а) и QFN6 (б)

В качестве примера корпусных СЭ-варакторов можно привести серию TCP, выпускаемую фирмой ONSemiconductor по технологии компании Paratek. Формула применяемого в ней СЭ не раскрывается, но указывается, что фирменный материал ParaScan основан на BST. Серия включает в себя восемь моделей варакторов с различными начальными емкостями от 1,2 пФ (модель TCP‑3012) до 8,2 пФ (модель TCP‑3082). Варакторы выпускаются в малогабаритных корпусах WLCSP (Wafer-Level Chip Scale Package) размером 0,722×0,879×0,611 мм или QFN6 размером 1,20×1,60×0,95 мм (рис. 5). Диапазон рабочих частот варакторов составляет 0,7–2,7 ГГц, диапазон управляющего напряжения 2–20 В при токе утечки по цепи управления не более 2 мкА. Варакторы обеспечивают диапазоны перестройки по емкости 3,8 при изменении управляющего напряжения от 2 до 20 В и 3,6 при обратном изменении управляющего напряжения. Различие в коэффициентах перестройки при увеличении и уменьшении управляющего напряжения вызвано гистерезисом СЭ. Зависимость емкости варактора TCP‑3082 от управляющего напряжения приведена на рис. 6. Диапазон рабочих температур варакторов этой серии составляет –30…+85 °C.

Рис. 6. Зависимость емкости СЭ-варактора серии ТСР от управляющего напряжения

BST-конденсаторы могут формироваться непосредственно на подложке ФВ по толстопленочной или тонкопленочной технологии. Процесс формирования толстых пленок считается достаточно простым и недорогим, в частности, он не требует вакуумирования. Но из-за высокой температуры спекания BST, составляющей более +1150 °C, металлические электроды должны формироваться уже после завершения этого процесса, что значительно ограничивает возможную топологию планарных конденсаторов. Обычно формируются встречно-штыревые конденсаторы, электроды которых наносятся поверх BST-пленки с помощью процесса фотолитографии, который требует вакуумной камеры.

Довольно привлекательна возможность печатать структуру ФВ последовательно в нескольких слоях и спекать их одновременно. В этом случае можно применить технологию трафаретной печати, а температуру спекания BST снизить до +850…+875 °C. Недостаток этой технологии в том, что для каждой разработки должны изготавливаться свои трафареты, а это не только снижает оперативность и гибкость разработки и производства, но и повышает их стоимость [5].

Очень перспективной представляется технология струйной печати топологии ФВ [6]. Специальный принтер последовательно наносит на подложку слой нижних проводников, затем слой BST-диэлектрика, затем слой верхних проводников. Каждый слой после нанесения просушивается. После нанесения всех слоев полученные изделия спекаются при температуре +850 °C в течение часа. Для формирования проводников используются чернила, содержащие наночастицы серебра.

BST-диэлектрик готовится в виде мелкодисперсной пудры и смешивается с органическим растворителем. В числе недостатков этой технологии можно указать невысокую точность параметров проводников и СЭ-конденсаторов, негативно влияющую на параметры ФВ. Пример сформированного по этой технологии СЭ-конденсатора показан на рис. 7 [7].

Рис. 7. BST-конденсатор, изготовленный по технологии струйной печати

Тонкопленочная технология позволяют получать пленки толщиной 0,01–1 мкм. Тонкопленочные компоненты характеризуются малыми паразитными эффектами, более широкими диапазонами параметров компонентов схем, но при их изготовлении требуется больше технологических операций.

Эта технология позволяет создать пассивные элементы с параметрами более точными и стабильными, чем при толстопленочной технологии. Она позволяет создать многослойные структуры, при этом изделия имеют малые размеры и большую надежность, но изготовление тонких пленок требует дорогостоящего оборудования. Тонкопленочная технология использует методы термического вакуумного напыления, а также катодного и ионоплазменного распыления.

Полученные по тонкопленочной технологии BST-конденсаторы имеют высокие электрические параметры. Например, созданный по этой технологии BST-конденсатор для диапазона рабочих частот до 65 ГГц при управляющем напряжении 0–25 В меняет свою емкость на 80%, тангенс угла потерь не более 0,16 [8].

Проведенные российскими специалистами ФГУП «РНИИРС» и ЮНЦ РАН исследования наноразмерных СЭ-пленок показали, что при толщине 20–50 нм они проявляют аномально высокое значение диэлектрической проницаемости (до 4000) и увеличение коэффициента управляемости. Кроме того, зависимость диэлектрической проницаемости наноразмерных СЭ-пленок от температуры составляет всего лишь 5–7% в диапазоне –40…+60 °C.

На основе наноразмерной СЭ-пленки толщиной 50 нм состава Ba0,8Sr0,2TiO3 специалистами ФГУП «РНИИРС» разработан ФВ по схеме копланарного волновода (рис. 8) для диапазона частот 33,5–35,5 ГГц. При формировании топологии ФВ использовались операции фотолитографии и электронно-лучевого испарения. Вносимые устройством потери составляют 8 дБ при отсутствии управляющего напряжения и уменьшаются до 3,5 дБ при управляющем напряжении 150 В, относительный фазовый сдвиг при этом составляет 85°, FoM составляет 24°/дБ [9].

Рис. 8. Топология ФВ на копланарном волноводе

По технологии струйной печати создан ФВ по схеме нагруженной линии для диапазона 2–4 ГГц (рис. 9). ФВ содержит семь фазосдвигающих ячеек, на частоте 2,8 ГГц он обеспечивает фазовый сдвиг 156° при управляющем напряжении 200 В. Вносимые потери составляют 7,2 дБ, значение FoM при этом 22°/дБ. Размеры ФВ 36,0×1,45 мм. Полученное значение FoM оказалось ниже расчетного, что, по мнению разработчиков, объясняется низкой точностью сформированных струйной печатью конденсаторов [10].

Рис. 9. Фазовращатель для диапазона частот 2…4 ГГц, выполненный по технологии струйной печати, и увеличенное изображение СЭ-конденсатора

Рис. 10. Фазовращатель по схеме нагруженной линии для диапазона частот до 60 ГГц и увеличенное изображение нагрузочного СЭ-конденсатора

ФВ для диапазона частот до 60 ГГц также выполнен по схеме нагруженной линии с использованием толстопленочной технологии, разработанной фирмой ST Microelectronics. Высокоомный копланарный волновод нагружен 12 идентичными СЭ-конденсаторами на основе BST (рис. 10), формула которого не раскрывается. При управляющем напряжении 90 В на частоте 60 ГГц удается получить фазовый сдвиг 150°. На этой частоте показатель FoM составляет 25°/дБ, а его максимальное значение 48°/дБ на частоте 23 ГГц, где удается получить фазовый сдвиг 60°. ФВ изготовлен на подложке из высокоомного кремния и имеет размер 1,5×0,8 мм [11].

Использование левосторонней линии передачи позволяет получить малогабаритные ФВ с большим диапазоном изменения фазы. Схема левосторонней линии передачи получается из схемы нагруженной линии перестановкой проходных и шунтирующих элементов: проходными становятся конденсаторы, а шунтирующими — индуктивности. При одинаковых параметрах конденсаторов и индуктивностей левосторонняя линия обеспечивает больший диапазон изменения фазы и имеет при этом меньшие геометрические размеры по сравнению с нагруженной линией. Левосторонняя линия имеет характеристику фильтра высоких частот, поэтому при уменьшении емкостей СЭ-конденсаторов подачей управляющего напряжения его полоса пропускания смещается вверх, и коэффициент передачи уменьшается. Но добротность СЭ-конденсаторов при увеличении управляющего напряжения растет, и потери сигнала при этом уменьшаются. Эти два фактора разнонаправлены и частично компенсируют друг друга.

На рис. 11 показана топология ФВ на основе левосторонней линии. ФВ выполнен на подложке из Al2O3 толщиной 650 мкм по толстопленочной технологии, в качестве СЭ-материала применен Ba0,6Sr0,4TiО3. Толщина СЭ-материала 2,2 мкм, в исходном состоянии его диэлектрическая проницаемость составляет 425, при напряженности электрического поля 17 В/мкм достижима перестройка 42%. СЭ-материал нанесен с помощью трафаретной печати, но для нанесения металлических проводников использовалась фотолитография и гальваническое золочение. В диапазоне частот 8–10 ГГц ФВ обеспечивает фазовый сдвиг не менее 342° при FoM 52°/дБ, его габариты 3×3 мм [12].

Рис. 11. Топология фазовращателя на основе левосторонней линии и увеличенное изображение проходных СЭ-конденсаторов

Достаточно высокие параметры ФВ могут быть получены и при использовании струйной печати для нанесения СЭ-пленки. В качестве СЭ использовался Ba0,6Sr0,4TiО3, который наносился на подложку из Al2O3 и спекался в течение часа при температуре +1150 °C. В результате на подложке формировалась полоса СЭ-диэлектрика толщиной 1,7 мкм и шириной 550 мкм. Затем на подложку с СЭ-полосой методом фотолитографии и электрогальваники наносились золотые проводники толщиной 3 мкм, формирующие проходные встречно-штыревые конденсаторы и шунтирующие индуктивности ФВ по левосторонней схеме. На рабочей частоте 12 ГГц при управляющем напряжении 200 В этот ФВ обеспечивает фазовый сдвиг 360° при FoM 38°/дБ. Размеры ФВ 4×6 мм. [13]

При разработке отражательного ФВ на основе квадратурного гибрида могут использоваться шлейфовый ответвитель и мост Ланге [14]. На рис. 12 показана топология шлейфового ответвителя, линии которого для сокращения геометрических размеров выполнены в виде меандров. Размеры ФВ 7,7×7,1 мм. На рис. 12 показана топология ответвителя с использованием моста Ланге, размеры этого ФВ 4,9×11,2 мм. Оба ФВ разработаны для S‑диапазона частот (2–4 ГГц). Нагрузками обоих ответвителей служат идентичные LC-цепи, в которых используются СЭ-конденсаторы на основе Ba0,6Sr0,4TiО3. ФВ выполнены по толстопленочной технологии на сапфировой подложке.

Рис. 12. Топология отражательных ФВ на основе: шлейфового ответвителя (а), моста Ланге (б)

Частотная зависимость вносимых ФВ с шлейфовым ответвителем потерь оказалась довольно неравномерной. На частоте 2,95 ГГц они практически не зависели от управляющего напряжения и составляли 4,2 дБ, но на частоте 3,3 ГГц возрастали до 11 дБ. При управляющем напряжении до 175 В на этом ФВ был получен дифференциальный фазовый сдвиг 90° в полосе частот 2,85–3,05 ГГц.

Рис. 13. Фазовращатель с цифроаналоговым управлением: внешний вид (а), топология (б)

ФВ с мостом Ланге продемонстрировал более широкую полосу рабочих частот. У этого ФВ вносимые потери были менее 2 дБ в полосе частот 1,6–3,7 ГГц, для управляющего напряжения до 160 В был получен фазовый сдвиг 90° в полосе частот 1,85–2,56 ГГц. Максимальное значение FoM составило 89°/дБ на частоте 1,87 ГГц.

Все приведенные выше ФВ использовали аналоговый способ управления фазой, но возможно также использование и цифрового, и смешанного цифроаналогового способов управления. Для цифрового управления характерен каскадный принцип построения ФВ. Каждый каскад проектируется на определенный фазовый сдвиг, и для повышения точности установки фазы число каскадов необходимо увеличивать. Обычно для получения полного фазового сдвига 360° и достижения необходимой для АФАР точности установки фазы используется пять или шесть каскадов. Смешанный цифроаналоговый метод позволяет получить большой фазовый сдвиг при высокой точности его установки при существенно меньшем числе каскадов. Так, например, в [15] представлен трехкаскадный ФВ на основе СЭ-варакторов фирмы Paratek, позволяющий получить полный диапазон изменения фазы с высокой точностью (рис. 13). Первый и второй каскады ФВ цифровые, они обеспечивают дискретный сдвиг фазы на 180 и 90° соответственно, а третий — аналоговый, он обеспечивает плавное изменение фазы в пределах 90°. Каждый каскад представляет собой квадратурный гибрид с нагрузочными СЭ-конденсаторами. ФВ рассчитан на диапазон частот 1,75…1,85 ГГц, его FoM достигает 120°/дБ, температурный диапазон –70…+50 °C, размер 36×36×3 мм.

ФВ на основе сегнетоэлектриков имеют хорошую управляемость и приемлемые потери сигнала вплоть до частоты 60 ГГц. При их изготовлении могут быть использованы такие несложные процессы, как трафаретная и струйная печати, позволяющие существенно снизить стоимость готового изделия. В подавляющем большинстве случаев разработчиками не приводится диапазон рабочих температур ФВ; судя по всему, он пока остается в числе нерешенных проблем даже для коммерческого применения.