用于微波用途的电压可调谐分层介电材料制造技术

一种可调谐介电结构，包括：一个第一介电材料层；一个第二介电材料层，相邻第一介电材料层定位，第二介电材料层具有比第一介电材料层的介电常数小的介电常数；及诸电极，用来跨过第一介电材料施加一个可控制电压的，由此控制第一介电材料的介电常数，其中至少一个电极定位在第一与第二介电材料层之间。介电材料能以各种形状形成，并且彼此相对以各种方位装配。该可调谐介电结构用在各种器件中，包括同轴电缆、空腔天线、微波传输带线、共面线、及波导管。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本申请要求1998年10月16日提交的美国临时专利申请No.60/104,503的利益。本专利技术一般涉及用于微波用途的电子材料，更具体地说，涉及包括具有一个可调谐介电常数的铁电材料的这样的材料。可调谐铁电材料是其电容率(更普通地叫做介电常数)能通过改变材料经受或浸入的电场强度而改变的材料。尽管这些材料在居里温度以上工作在其顺电相，但他们方便地叫做“铁电体”，因为他们在居里温度以下呈现自然极化。典型的可调谐铁电材料是钛酸钡锶(Barium-Strontium Titanate)(BST)或BST合成物。这样的材料的例子能在美国专利No.5,312,790、5,427,988、5,486,491和5,643,429中找到。这些材料，特别是BSTO-MgO合成物，表现低介电损耗和高可调谐能力。调谐能力定义为介电常数随施加电压的相对变化。这些独特性质使这些材料适用于微波用途，如移相器、可调谐滤波器、可调谐谐振器、及延迟线。美国专利No.5,830,591公开了一种多层铁电合成物波导管，其中在保持可调谐能力的同时能减小波导管的有效介电常数。波导管由高和低介电常数层建造。多层波导管包括垂直于分层方向的偏置板，以保持结构中的可调谐能力。公开在美国专利No.5,830,591中的结构仅适于波导管用途。因为高介电场，例如约10V/μm，是必需的以调谐可调谐材料，特别是在波导管用途中，所以在偏置电极之间的距离应该保持较小。就美国专利No.5,830,591的偏置板排列而论，沿该偏置板的方向以及在分层介电材料堆的方向上需要多层。这使这样的器件的构造复杂。美国专利No.5,729,239公开了一种用来在一个扫描平面中扫描的器件，该器件包括沿扫描轴线布置的一个周期导电板阵列，相邻板离开约半个波长布置。该器件带有沿扫描轴线布置的一个周期平板阵列，每块平板由铁电材料组成，布置在周期导电板阵列的一对相邻导电板之间，使相邻平板由导电板之一隔离。平板的每一块带有彼此基本平行的一个接收表面和一个辐射表面。平板的每一块从接收表面向辐射表面传输一个电磁信号。输入传输装置在一个传播方向把一个输入电磁信号供给到周期平板阵列，从而输入电磁信号入射在平板每一块的接收表面上，并且从而在每个接收表面处接收的输入电磁信号的电气分量具有一个平行扫描轴线的分量。输出传输装置响应从对应平板中每个接收表面传输的电磁信号，从周期平板阵列传输一个输出信号。该器件还包括用来跨过布置在一块平板周围的导电板诸对每一对选择性施加一个电压的多个装置，以便选择性地控制已经从对应平板中的接收表面传输的、在辐射表面每一个处接收的电磁信号的相位。专利No.5,729,239公开了钛酸钡锶(BSTO)、或其合成物、或其他陶瓷作为铁电材料的使用。BSTO-MgO也已经由其他人提出用作一种可调谐铁电材料。然而，在BSTO-MgO系中的材料一般具有超过100的介电常数。高介电常数不适于诸如插接天线之类的一些微波用途，这会降低天线的效率。高介电常数材料也在微波传输带、共面、及其他平面结构传输线中引起低特性阻抗(＜10Ω)，这强烈限制高介电常数材料的应用。具有低损耗和高可调谐能力的低介电常数材料(例如，具有小于40的介电常数)希望用于插接天线和其他微波用途。希望建造一种具较低总介电常数的铁电结构，该结构具有诸如BST合成物之类的高可调谐能力和低损耗特性的优点，具有高介电常数。进一步希望建造一种用在各种微波器件，如微波传输带、共面或其他平面结构传输线、同轴电缆、或波导管，中的这种结构。本专利技术提供一种可调谐介电结构，该结构包括一个第一介电材料层、和一个相邻第一介电材料层布置的第二介电材料层，第二介电材料层具有比第一介电材料层的介电常数小的介电常数。该结构进一步包括用来跨过第一介电材料施加一个可控制电压的电极，由此控制第一介电材料的介电常数，其中至少一个电极定位在第一与第二介电材料层之间。介电材料能以各种形状形成，并且彼此相对以各种方位装配。这样的介电材料的分层结构能用作用于微波传输带、共面或其他平面结构传输线的基片，以及用作用于同轴电缆或波导管的电介质。当结合附图阅读时从最佳实施例的如下描述能得到本专利技术的充分理解，在附图中附图说明图1是按照本专利技术一个最佳实施例建造的一种分层材料介电结构的等轴测图；图2是按照本专利技术一种分层结构的示意表示；图3是按照本专利技术一种分层结构的等效电路的原理图；图4是包括按照本专利技术的一种分层材料介电结构的一根同轴线的端视图；图5是沿线5-5得到的、图4的结构的剖视图；图6是用于天线用途的本专利技术另一个可选择实施例的端视图；图7是沿线7-7得到的、图6的结构的剖视图；图8是包括按照本专利技术建造的一种分层材料介电结构的一根微波传输带线的等轴测图；图9是包括按照本专利技术建造的一种分层材料介电结构的一根共面线的等轴测图；及图10是包括按照本专利技术建造的一种分层材料介电结构的一个波导管的等轴测图。参照附图，图1是具有按照本专利技术一个最佳实施例建造的一种分层材料介电结构的一个电子器件的等轴测图。可调谐介电器件10包括介电材料12、14、16、18的一种多层结构，该结构包括具有不同介电常数的两种或多种材料，并且层压在一起以调节总介电常数和可调谐能力。在分层结构中的一种或多种材料(例如12和16)是通常具有高介电常数、低损耗、和高可调谐能力的可调谐介电材料。对该描述来说，高介电常数大于约100，低损耗材料具有小于约0.01的损耗角正切(tanδ)，及可调谐能力在2V/μm下大于约15％。高介电常数、低损耗和高可调谐能力材料可以是其中x能在从零与一之间变化的Ba1-xSrxTiO3(BSTO)、和呈现这种低损耗和高可调谐能力的其合成物。这种合成物的例子包括但不限于BSTO-MgO、BSTO-MgAl2O4、BSTO-CaTiO3、BSTO-MgTiO3、BSTO-MgSrZrTiO6、或其任何组合。在分层结构中的其他材料(例如14和18)可以是可调谐或不可调谐介电材料，如Ba1-xSrxTiO3基材料、氧化铝、云母、及空气。由于空气是最低介电材料和最低损耗材料，所以它对于某些用途特别有用。如果在本专利技术的结构中把空气用作不可调谐电介质，则可调谐材料在可调谐层之间安装有空气间隙。分层材料的合成总介电常数、可调谐能力及其他性质取决于层叠材料每一层的相对性质和厚度。因此，这些性质能通过改变具有一定介电常数特性的介电材料的层数、和改变层的厚度而调节。本专利技术的分层材料对于施加到该结构上的射频信号显得象均匀材料。尽管本专利技术的结构不限于任何具体尺寸，但层的厚度应该实现这种视在均匀性。在最佳实施例中，介电层的厚度小于与该器件一起使用的射频信号的波长的十分之一。在图1的实施例中，介电材料的每一种处于矩形平板的形式。每块平板带有一个用来接收一个射频信号的输入端20和一个用来发送该信号的输出端22。一般地，图1的分层结构能用作用于微波传输的可调谐介电介质。用来从该结构输入和输出一个射频信号的装置将取决于其中使用它的用途。导电材料片形式的电极24、26、28、30和32位于堆的每端，并且在可调谐介电材料的每一种之间。电极相邻由可调谐铁电材料组成的至少每块平板的相对表面定位。就这种结构而论，至少一些电极定位在分层堆内，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可调谐介电结构，包括：一个第一介电材料层；一个第二介电材料层，相邻所述第一介电材料层定位，所述第二介电材料层具有比所述第一介电材料层的介电常数小的介电常数；及第一和第二电极，用来跨过所述第一介电材料施加一个可控制电压，由此控 制所述第一介电材料的介电常数，其中至少一个所述电极定位在所述第一与第二介电材料层之间。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：路易斯森古塔，史蒂文斯特沃尔，朱永飞，瑟纳斯森古塔，鲁纳H丘，张虚白，
申请(专利权)人：帕拉泰克微波公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]