СВЧ КОНДЕНСАТОР ДЛЯ ЦЕПЕЙ СОГЛАСОВАНИЯ РАДИОФОТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Полезная модель относится к области СВЧ радиоэлектроники и предназначена для работы в адаптивных СВЧ цепях согласования радиофотонных элементов (лазеров с прямой модуляцией, электрооптических модуляторов и аналоговых фотоприемников) при повышенном уровне мощности СВЧ сигнала в качестве нелинейного элемента (конденсатора) с электрическим управлением номинала емкости.
В известных в настоящее время конструкциях сегнетоэлектрических (СЭ) СВЧ конденсаторов со структурой типа «сэндвич» (СЭ слой с металлическими пленками на противоположных поверхностях) возможность работы при повышенных уровнях мощности СВЧ сигнала обеспечивается увеличением толщины СЭ слоя. Однако увеличение толщины СЭ слоя приводит к повышению уровня управляющего напряжения, что является существенным недостатком этих конструкций. Особенно для применений в радиосистемах с низким значением напряжения управления.
Указанный недостаток устраняется путем использования нескольких последовательно включенных СЭ конденсаторов с цепями управления, подключенными к конденсаторам так, что для СВЧ сигнала СЭ конденсаторы соединены последовательно, а для управляющего напряжения они соединены в параллель. Увеличение числа СЭ конденсаторов уменьшает напряжение СВЧ сигнала на каждом конденсаторе, а управляющее напряжение остается малым. Это позволяет управлять совокупностью СЭ конденсаторов малым напряжением, в то время как СВЧ сигнал высокой амплитуды, проходя через конденсаторы, не приводит к деградации их СВЧ характеристик.
x
Известное техническое решение для реализации данной концепции достигается использованием цепей управления, выполненными из высокорезистивных пленочных материалов, таких как TaN, SiCr (J.S. Fu, X.A. Zhu, D.Y. Chen, J.D. Phillips, A. Mortazawi. A Linearity Improvement Technique for Thin-film Barium Strontium Titanate Capacitors. IEEE MTT-S International Microwave Symposium 2006 IEEE MTT-S Digest, p. 560-563). Высокорезистивные цепи управления подключаются к обоим электродам сэндвич конденсатора. Недостатками указанного технического решения являются усложнение технологии изготовления СЭ конденсаторов и повышение их стоимости.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к предлагаемой полезной модели является конструкция СЭ конденсатора, описанная в патенте США №6674321 (МПК Н03Н 1/00). Известный СЭ конденсатор состоит из изолирующей подложки, на которой расположены один или несколько электродов, покрытые СЭ пленкой, на которой расположены два или более электрода, каждый из которых частично перекрывает площадь одного или двух нижних электродов, образуя последовательное соединение для СВЧ сигнала двух или более СЭ емкостных сэндвич элементов, а на изолирующей подложке и на СЭ пленке расположены по одной контактной площадке, соединенных соответственно с нижними и верхними электродами сэндвич элементов высокорезистивными полосковыми линиями и предназначенных для подключения к внешней цепи управления.
3
3
3
x
Изолирующая подложка выполнена из диэлектрических материалов, пригодных для стандартной технологии изготовления интегральных схем. Для уменьшения стоимости, недорогие изолирующие подложки предпочтительны, такие как высокорезистивный кремний, сапфир, поликор, кварц и др. Электроды выполнены из металлов с малым электрическим сопротивлением, например, золото, платина, медь и т.д. СЭ пленка изготовлена из нелинейного диэлектрического материала, проявляющего зависимость диэлектрической проницаемости от приложенного электрического поля, например титанат бария (BaTiO), титанат стронция (SrTiO), композиция этих материалов ((Ba,Sr)TiO) и др. Встроенные цепи управления СЭ емкостными элементами изготовлены из высокорезистивных пленочных материалов, таких как TaN, SiCr и др.
Недостатком конструкции является повышение стоимости изделия за счет дополнительных технологических операций, включая нанесение высокорезистивных пленок и процессы фотолитографии с использованием дополнительных фотошаблонов для формирования структуры встроенных цепей управления.
Технической задачей, решаемой полезной моделью, является создание СЭ СВЧ конденсатора, в котором встроенные цепи управления СЭ емкостными сэндвич элементами изготавливаются без дополнительных технологических операций.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый СЭ конденсатор, также как и известный содержит изолирующую подложку, на которой расположены N электродов, где N не меньше двух, покрытые СЭ пленкой, на которой расположены N+1 электродов, каждый из которых частично перекрывает площадь одного или двух нижних электродов, образуя последовательное соединение для СВЧ сигнала двух или более СЭ емкостных сэндвич элементов. Но, в отличие от известного, в предлагаемом конденсаторе на изолирующей подложке дополнительно расположены два электрода для подачи управляющего напряжения и N полосковых линий, каждая из которых соединяет один из нижних электродов емкостных сэндвич элементов с одним из электродов для подачи управляющего напряжения, причем все элементы на изолирующей подложке выполнены из одного материала, а на СЭ пленке дополнительно расположены две контактные площадки, каждая из которых перекрывает площадь одного из электродов для подачи управляющего напряжения и предназначена для подключения к внешней цепи управления, причем все элементы на СЭ пленке выполнены из одного материала.
Достигаемым техническим результатом является создание конструкции со структурой типа «сэндвич», которая позволяет упростить технологический процесс ее изготовления за счет того, что встроенные цепи управления могут быть выполнены из того же материала, что и электроды СЭ емкостных элементов, используя один фотошаблон.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что расположенные на изолирующей подложке электроды емкостных сэндвич элементов, электроды для подачи управляющего напряжения и полосковые линии для соединения указанных электродов могут быть изготовлены из единой электропроводящей пленки, нанесенной на поверхность изолирующей подложки, используя один фотошаблон, а расположенные на поверхности СЭ пленки электроды емкостных сэндвич элементов и контактные площадки для подключения к внешней цепи управления могут быть изготовлены из единой электропроводящей пленки, нанесенной на поверхность СЭ пленки, используя один фотошаблон, что позволяет не усложнять технологию изготовления СЭ конденсатора со встроенными цепями управления.
Совокупность признаков, сформулированных в пункте 2 полезной модели, характеризует СЭ СВЧ конденсатор, в котором пары емкостных сэндвич элементов соединены полосковыми линиями с электродами, предназначенными для подачи управляющего напряжения, таким образом, что образуется их параллельное соединение.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где:
на фиг. 1 представлена конструкция СЭ СВЧ конденсатора со структурой типа «сэндвич» со встроенными цепями управления,
на фиг. 2 показано сечение СЭ СВЧ конденсатора вдоль линии А-А,
на фиг. 3 показано сечение СЭ СВЧ конденсатора вдоль линии Б-Б,
на фиг. 4 изображена эквивалентная схема СЭ СВЧ конденсатора.
Рассмотрим пример выполнения СЭ СВЧ конденсатора. Конструкция СЭ СВЧ конденсатора (Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3) содержит диэлектрическую подложку 1, на которой из электропроводящей пленки сформированы электроды 2, 3 и 4, являющиеся нижними электродами емкостных сэндвич элементов, электроды 5 и 6, предназначенные для подачи управляющего напряжения, и полосковые линии 7, 8 и 9, соединяющие электроды 2 с 5, 4 с 5 и 3 с 6, СЭ пленку 10, покрывающую диэлектрическую подложку с электродами, на которой из электропроводящей пленки сформированы электроды 11, 12, 13 и 14 над электродами 2, 3 и 4 с частичным перекрытием площадей, являющиеся верхними электродами емкостных сэндвич элементов и образующие их последовательное соединение для СВЧ сигнала, и электроды 15 и 16 над электродами 5 и 6 для подключения к внешней цепи управления.
С точки зрения эквивалентной схемы (Фиг. 4) заявляемая конструкция представляет собой совокупность емкостных элементов, индуктивностей и резисторов, где С1 - емкость сэндвич элемента с электродами 2 и 11 (аналогична емкости сэндвич элемента с электродами 4 и 14), С2 - емкость каждого из сэндвич элементов, образованных парами электродов: 2 и 12, 3 и 12, 3 и 13, 4 и 13, С3 - емкость сэндвич элемента с электродами 5 и 15 (аналогична емкости сэндвич элемента с электродами 6 и 16), L1 и R1 - индуктивность и сопротивление каждой из полосковых линий 7, 8 и 9. Емкость заявляемой конструкции определяется емкостью сэндвич элемента С2 и их количеством (K), как С2/K. Управляющее напряжение подается на каждую пару последовательно включенных емкостных элементов С2 через емкостной делитель С3-С2-С2-С3, где емкостные элементы С2 и С3 соединены полосковыми линиями 7, 8 и 9. Индуктивное сопротивление полосковых линий 7, 8 и 9 предотвращает утечку мощности СВЧ сигнала во внешние цепи управления СЭ конденсатором. Емкостные элементы С1 и С3 блокируют протекание постоянного тока через СВЧ цепи.
Таким образом, заявляемая конструкция СЭ СВЧ конденсатора со встроенными цепями управления обеспечивает развязку СВЧ цепи конденсатора и цепей его управления как по СВЧ сигналу, так и по постоянному току без дополнительных технологических операций при его изготовлении, что не ведет к повышению его себестоимости.
3
3
3
3
При изготовлении заявляемого СЭ конденсатора, так же, как и известного, используются диэлектрические подложки с низким уровнем СВЧ потерь, например поликор, сапфир, MgO и т.д. С точки зрения уменьшения стоимости конденсатора предпочтительны недорогие подложки, такие как поликор и сапфир. Технология существующих СЭ сэндвич конденсаторов предусматривает, как правило, использование пленки платины в качестве нижнего электрода, нанесенного на подложку, с последующим выращиванием пленки сегнетоэлектрика. Использование платины продиктовано ее сравнительно высокой проводимостью, а также химической и температурной стойкостью, что является необходимым при высокотемпературном процессе выращивания СЭ пленки на ее поверхности. Верхние электроды емкостных сэндвич элементов изготовлены из металлической пленки с малым электрическим сопротивлением, например золото, платина, медь и т.д. СЭ пленка выполнена из СЭ материала с малыми СВЧ потерями, например титанат бария (BaTiO), титанат стронция (SrTiO), композиция этих материалов ((Ва,Sr)TiO) и др. Предпочтительным является композиция (Ba,Sr)TiO, для которой в зависимости от необходимого диапазона рабочих температур выбирается соотношение Ba/Sr. Более детальная информация о технологии изготовления СЭ сэндвич конденсаторов и об их СВЧ свойствах представлена в (М.М. Гайдуков, А.Г. Гагарин, А.Б. Козырев, С.В. Разумов, А.В. Тумаркин, А.Г. Алтынников. СВЧ-потери в конденсаторе на основе тонкопленочной структуры металл-сегнетоэлектрик-металл. Письма в ЖТФ, 2008, том 34, вып. 13, с. 50-55).
Заявляемая в п. 2 формулы полезной модели конструкция СЭ СВЧ конденсатора (Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3 и Фиг. 4) позволяет соединять пары емкостных сэндвич элементов С2, образованных электродами 2-12-3, 3-13-4, полосковыми линиями 7, 8 и 9 с электродами 5 и 6, предназначенными для подачи управляющего напряжения, таким образом, что образуется их параллельное соединение с внешней цепью управления, подключенной к СЭ СВЧ конденсатору через контактные площадки 15 и 16. При использовании электродов 11 и 14 в качестве входа-выхода для СВЧ сигнала совокупность емкостных сэндвич элементов С1 и С2 образует их последовательное соединение в СВЧ цепи.
Таким образом, заявляемая конструкция СЭ СВЧ конденсатора обеспечивает изготовление цепей управления и СВЧ электродов, используя один фотошаблон, что позволяет упростить технологический процесс и тем самым снизить себестоимость изготовления СЭ СВЧ конденсатора. Такое устройство может работать в цепях согласования радиофотонных элементов при повышенных уровнях мощности СВЧ сигнала без деградации СВЧ характеристик устройства с сохранением малого уровня управляющего напряжения.