СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СВЧ КОНДЕНСАТОР
FERROELECTRIC UHF CAPACITOR

Изобретение относится к области СВЧ радиоэлектроники и предназначено для работы в СВЧ устройствах 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 возможность работы при повышенных уровнях мощности СВЧ сигнала обеспечивается либо увеличением толщины СЭ пленки в плоскопараллельных структурах типа металл/диэлектрик (СЭ пленка)/металл (МДМ структура), либо увеличением зазора между электродами в СЭ конденсаторах планарной конструкции. Однако увеличение емкостного зазора или толщины СЭ пленки 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, выполненых из высокорезистивных пленочных материалов (например, TaN, SiCr), что было продемонстрировано как для СЭ конденсаторов МДМ структуры /Патент США №6674321. Circuit configuration for DC-biased capacitors. Автор изобретения: R.A. York. Опубликовано: 6 января, 2004. МПК H03H 1/00/, так и для планарных СЭ конденсаторов /P. Scheele, A. Giere, Y. Zheng, F. Goelden, R. Jakoby. Modeling and Applications of Ferroelectric-Thick Film Devices With Resistive Electrodes for Linearity Improvement and Tuning-Voltage Reduction. IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques, 2007, v. 55, n. 2, p.383/. В МДМ конденсаторах высокорезистивные цепи управления подключаются к верхним и нижним электродам. В планарных СЭ конденсаторах цепи управления размещаются либо на поверхности СЭ пленки в емкостном зазоре конденсатора, либо подводятся непосредственно к его электродам. Недостатками указанного технического решения являются усложнение технологии изготовления СЭ конденсаторов, повышение их стоимости и увеличение СВЧ потерь в планарных СЭ конденсаторах.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является конструкция СЭ конденсатора, описанная в патенте США US 2002/6404614 [МПК H01G 5/00]. Известный СЭ конденсатор состоит из изолирующей подложки, на которой расположены два электрода, образующих планарный конденсатор, диэлектрической пленки с диэлектрической проницаемостью, зависящей от величины электрического поля, покрывающей изолирующую подложку с электродами, на которой расположены две контактные площадки, каждая из которых частично перекрывает площадь одного из электродов планарного конденсатора и предназначена для подключения к внешней СВЧ цепи.
3
3
Изолирующая подложка выполнена из диэлектрических материалов, имеющих низкие СВЧ потери (поликор, сапфир, MgO и т.д.). Электроды выполнены из металлов с малым электрическим сопротивлением (золото, платина, медь и т.д.). Диэлектрическая пленка является сегнетоэлектрическим материалом (SrTiO, (Ba, Sr) TiO и т.д.).
Недостатками являются отсутствие встроенных цепей управления и необходимость дополнительных технологических операций для их создания.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание цепей управления в СЭ конденсаторе без использования дополнительных технологических операций.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый СЭ конденсатор, так же, как и известный, содержит изолирующую подложку, на которой расположены два электрода, образующих планарный конденсатор, сегнетоэлектрическую пленку, покрывающую изолирующую подложку с электродами, на которой расположены две контактные площадки, каждая из которых частично перекрывает площадь одного из электродов планарного конденсатора и предназначена для подключения к внешней СВЧ цепи. Но, в отличие от известного, в предлагаемом конденсаторе на изолирующей подложке дополнительно расположена вторая пара электродов, предназначенных для подачи управляющего напряжения, и две полосковые линии, каждая из которых соединяет один из электродов второй пары с одним из электродов планарного конденсатора, а на сегнетоэлектрической пленке дополнительно расположены две контактные площадки, каждая из которых перекрывает площадь одного из электродов второй пары и предназначена для подключения к внешней цепи управления.
Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является создание конструкции электрически управляемых СЭ СВЧ конденсаторов, в которых цепи управления могут быть выполнены в едином технологическом процессе вместе с СЭ конденсатором, что позволяет не увеличивать себестоимость изготовления СЭ конденсаторов с дополнительными конструктивными элементами (цепями управления).
Влияние на получение указанного технического результата оказывают следующие существенные признаки. Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что расположенные ни изолирующей подложке электроды планарного конденсатора, электроды для подачи управляющего напряжения и полосковые линии для соединения указанных электродов могут быть изготовлены из электропроводящей пленки, нанесенной на поверхность изолирующей подложки, в едином технологическом процессе, а расположенные на поверхности СЭ пленки контактные площадки для подключения к внешней СВЧ цепи и к внешней цепи управления могут быть изготовлены из электропроводящей пленки, нанесенной на поверхность СЭ пленки, в едином технологическом процессе, что позволяет не усложнять технологию изготовления СЭ конденсатора со встроенными цепями управления.
Совокупность признаков, сформулированных в пункте 2 изобретения, характеризует СЭ конденсатор, в котором на изолирующей подложке дополнительно расположены один или несколько электродов, образующих дополнительные планарные конденсаторы, каждый электрод которых соединен полосковой линией с одним из электродов, предназначенных для подачи управляющего напряжения, а на сегнетоэлектрической пленке над электродами планарных конденсаторов дополнительно расположены одна или несколько контактных площадок, предназначенных для подключения к внешней СВЧ цепи. Такое устройство может быть использовано для работы при повышенных уровнях мощности СВЧ сигнала без деградации СВЧ характеристик устройства.
Совокупность признаков, сформулированных в пункте 3 изобретения, характеризует СЭ конденсатор, в котором полосковые линии соединяют планарные конденсаторы с электродами, предназначенными для подачи управляющего напряжения, таким образом, что образуется их параллельное соединение. Это позволяет управлять СЭ СВЧ конденсатором малым напряжением, в то время как через него проходит СВЧ сигнал высокой амплитуды.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где:
На фиг.1 представлена конструкция СЭ конденсатора со встроенными цепями управления,
На фиг.2 показано сечение СЭ конденсатора вдоль линии А-А,
На фиг.3 изображена эквивалентная схема СЭ конденсатора,
На фиг.4 представлена конструкция двух последовательно включенных СЭ конденсаторов со встроенными цепями управления, обеспечивающих параллельное подключение СЭ конденсаторов к источнику управляющего напряжения,
На фиг.5 показано сечение СЭ конденсатора вдоль линии Б-Б,
На фиг.6 изображена упрощенная эквивалентная схема СЭ конденсатора, выполненного в соответствии с п.3 формулы изобретения.
Заявляемая конструкция (Фиг.1 и Фиг.2) представляет собой СЭ конденсатор, содержащий диэлектрическую подложку 1, на которой из электропроводящей пленки сформированы электроды планарного конденсатора 2 и 3, электроды 6 и 7 для подачи управляющего напряжения и полосковые линии 4 и 5, соединяющие электроды 2 и 6 и электроды 3 и 7, СЭ пленку 8, покрывающую диэлектрическую подложку с электродами, на которой из электропроводящей пленки сформированы электроды 9 и 10 над электродами 2 и 3 с частичным перекрытием площадей для подключения к внешней СВЧ цепи и электроды 11 и 12 над электродами 6 и 7 для подключения к внешней цепи управления.
С точки зрения эквивалентной схемы (Фиг.3) заявляемая конструкция представляет собой совокупность последовательно и параллельно включенных конденсаторов плоскопараллельной и планарной структуры, индуктивностей и резисторов, где С1 - емкость конденсатора с электродами 9 и 10, С2 - емкость конденсатора с электродами 2 и 9 (аналогична емкости конденсатора с электродами 3 и 10), С3 - емкость конденсатора с электродами 2 и 3, С4 - емкость конденсатора с электродами 6 и 11 (аналогична емкости конденсатора с электродами 7 и 12), L1 и R1 - индуктивность и сопротивление каждой из полосковых линий 4 и 5. Емкость заявляемой конструкции определяется емкостью конденсатора С3. Управляющее напряжение подается на конденсатор С3 через емкостный делитель С4-С3-С4, где конденсаторы соединены полосковыми линиями 4 и 5. Индуктивное сопротивление полосковых линий 4 и 5 предотвращает утечку мощности СВЧ сигнала во внешние цепи управления СЭ конденсатором. Конденсаторы С2 и С4 блокируют протекание постоянного тока через СВЧ цепи.
Таким образом, заявляемая конструкция СЭ 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.
3
3
При изготовлении заявляемого СЭ конденсатора, так же, как и известного, используются диэлектрические подложки с низким уровнем СВЧ потерь (поликор, сапфир, MgO и т.д.), наносятся металлические пленки с малым электрическим сопротивлением (золото, платина, медь и т.д.) и СЭ пленки с малыми СВЧ потерями (SrTiO, (Ba, Sr ) TiO и т.д.).
Заявляемая в п.2 формулы изобретения конструкция СЭ СВЧ конденсатора (Фиг.4 и Фиг.5) включает в себя один или несколько дополнительных электродов, расположенных на диэлектрической подложке 1 и образующих дополнительные планарные конденсаторы. На Фиг.4 и Фиг.5 показаны два планарных конденсатора, сформированных электродами 2 и 3 и электродами 3 и 4. Каждый из электродов 2, 3 и 4 планарных конденсаторов соединен полосковыми линиями 5, 6 и 7 с электродами 8 и 9, предназначенными для подачи управляющего напряжения. На СЭ пленке 10, покрывающей диэлектрическую подложку 1 и электроды 2-9, над электродами планарных конденсаторов дополнительно расположены одна или несколько контактных площадок, предназначенных для подключения к внешней СВЧ цепи. На Фиг.4 и Фиг.5 контактные площадки 11, 12 и 13 над электродами 2, 3 и 4 планарных конденсаторов предназначены для подключения к внешней СВЧ цепи, а контактные площадки 14 15 над электродами 8 и 9 предназначены для подключения к внешней цепи управления.
Заявляемая в п.3 формулы изобретения конструкция СЭ СВЧ конденсатора (Фиг.4 и Фиг.6) позволяет соединять планарные конденсаторы с электродами 2, 3 и 4 полосковыми линиями 5, 6 и 7 с электродами 8 и 9 для подачи управляющего напряжения таким образом, что образуется их параллельное соединение с внешней цепью управления, подключенной к СЭ СВЧ конденсатору через контактные 14 и 15. При использовании контактных площадок 11 и 13 в качестве входа-выхода для СВЧ сигнала планарные конденсаторы с электродами 2, 3 и 4 образуют последовательное соединение в СВЧ цепи.
Эквивалентное представление заявляемой конструкции по п.3 формулы изобретения (Фиг.6) включает в себя два плоскопараллельных конденсатора емкостью С1, образованных парой электродов 2 и 11 и парой электродов 4 и 13, где электроды 11 и 13 предназначены для соединения с внешней СВЧ цепью. Конденсаторы С1 блокируют протекание постоянного тока через СВЧ цепи, но не влияют на прохождение СВЧ сигнала через последовательно соединенные планарные конденсаторы емкостью С2, образованные парой электродов 2 и 3 и парой электродов 3 и 4. Встроенные цепи управления, включающие в себя плоскопараллельные конденсаторы, образованные парой электродов 8 и 14 и парой электродов 9 и 15, индуктивность L1 и сопротивление R1 каждой из полосковых линий 5, 6 и 7, образуют параллельное подключение планарных конденсаторов к внешней цепи управления, причем индуктивное сопротивление полосковых линий предотвращает утечку мощности СВЧ сигнала во внешние цепи управления СЭ конденсатором.
Таким образом, заявляемая конструкция СЭ СВЧ конденсатора со встроенными цепями управления, обеспечивающими развязку между СВЧ цепями конденсатора и цепями его управления, не требует дополнительных технологических операций при его изготовлении и не ведет к повышению его себестоимости. Такое устройство может работать в СВЧ системах при повышенных уровнях мощности СВЧ сигнала с сохранением малого уровня управляющего напряжения.