微波滤波网络薄膜移相器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种微波滤波网络的薄膜移相器及其制备方法。该移相器由衬底、铁电薄膜、表面电极以及底电极组成且具有微波滤波网络的多层结构；所述的微波滤波网络由可变分布参数部分和不可变分布参数部分组成；所述微波滤波网络的可变分布参数部分构筑在铁电薄膜上，所述微波滤波网络的不可变分布参数部分构筑在衬底上。本发明专利技术通过改变网络中的分布电容参数值，实现微波相移。此外，本发明专利技术所选用的铁电薄膜为锆钛酸钡薄膜。因此，该移相器，具有以下优点：性能稳定，良好的阻抗匹配，损耗小，电路拓扑结构简单，工艺易于实现，尺寸小，重量轻。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种薄膜移相器，特别涉及一种用于无线通信领域的微波低 通滤波网络铁电薄膜移相器及其制备方法。
技术介绍
相控阵天线是现代雷达和无线通信领域发展的主流。不论是在军事 方面还是在民用通信系统中都充分表现了它的优势，现已成为各国竞相 研究的重点。而电控数字式移相器是相控阵雷达、卫星通信、移动通信 领域相控阵天线的核心组件。电控数字式移相器是相控阵雷达、卫星通 信、移动通信领域相控阵天线的核心组件，不论是在军事方面还是在民用通信系统中都充分表现了它的优势。例如，在Wi-Fi、 3G和Wimax当 中均采用了基带信号的相位调制方式；F-22战机上火控相控阵雷达，每 部上有1980条移相组件；美国国家导弹防御系统地基雷达使用了 81000 条移相组件。移相器的性能不仅取决于所选用的材料，结构设计也很重要。因此， 研制出重量轻、体积小和高性价比的电控数字式移相器成为现今技术发 展的关键。当前，常用移相器有PIN 二极管数字式移相器、铁氧体数字式移相 器和单片微波集成电路(MMIC)数字式移相器。虽然都能实现移相的功 能，它们有各自固有的弱点(1) PIN二极管移相器所需控制电流直流 功耗大，插入损耗大，结构的版面尺寸大，功率处理能力有限，X波段 四位移相器插入损耗达8dB，并且每增加一位相移，插入损耗就会增加 2dB。 (2)铁氧体移相器的复位/置位瞬时冲击电流可达十几安培。相移 转换时间慢，甚至可达毫秒量级，在应用当中严重影响信号的调制速度 和雷达波束的电扫速度，而且只能在波导管当中制作，不能用于平面电 路。(3)砷化钾单片微波集成电路(MMIC)的数字式移相器同样存在插入损耗过大的固有缺陷，并且只能在砷化钾生产线上制作，成本较高。 近几年来，人们利用铁电材料介电性能随电压而改变的特点，研制 了一类新型的移相器，即铁电薄膜移相器。相比而言，铁电薄膜移相器 具有耗电省、插入损耗小、易控制、尺寸小等优点，将成为未来移相器 件的主流形式。基于铁电移相器的复杂结构和工作原理，铁电薄膜基的微波移相器 件的性能受到多方面条件的影响，研究表明，对于铁电薄膜基的微波移 相器，铁电薄膜基的微波移相器件的性能受到多方面条件的影响，其性 能取决于多方面的因素(1) 电极的导电性能及电极在电路中的形状。通用的电极材料包括 金和高温超导氧化物，其中，金电极较为常用；从材料而言，金是良导 体，但是如果没有良好的附着性以及足够的厚度，金电极本身会给器件 带来大的损耗，通常存在的问题是金电极厚度不够，电极设计不合理 导致与电路阻抗失配。另外，电极的形状直接影响到整个器件的交流阻 抗和可调性能。因此，通过合理设计电极的导电性能及形状，才能使得 器件与外电路形成良好的匹配是一个重要的考虑因素。(2) 铁电薄膜的结构与介电性能。较常见的铁电薄膜在满足较好的 可调介电性能的同时，往往因材料本征或非本征的因素(比如选择衬底 不当导致界面性能不好、薄膜成分控制不当、晶粒过大等等)，导致介 电损耗相对较大的不足，而这种不足将导致器件损耗的增大。(3) 衬底与铁电薄膜的结构匹配性、绝缘性能及介电常数。衬底的 结构和表面形态对铁电薄膜的生长质量有直接影响，同时，衬底的微波 介电性能也直接关系到器件的性能。较常用的单晶衬底包括铝酸镧(化学式为LaA103)、氧化镁(化学式为MgO)等。但是铝酸镧的表面平整 度不是很理想，影响铁电薄膜的质量和微波性能。而氧化镁易潮解，化 学稳定性不好，对铁电薄膜的性能也有负面影响。因此，从上述三个方面的因素可以看出，如何在对各种因素的综合 考虑和优化的设计之上，提升铁电移相器的集成度，使器件尺寸在结构 上要求更加小型化、平面化和薄膜化，性能上要求小的插入损耗，具有 一定的功率容量，以及成本低等问题，是目前业界急需解决的问题。中国专利申请号为200510102551.x公开了一种铁电薄膜移相器，使 用钛酸锶钡(Ba"SrJ103简称BST)铁电薄膜，整体采用共面反射结构， 主要由两部分构成 一为可变叉指电容，另一部分为阻抗匹配电路；其 中可变叉指电容利用铁电材料实现，其电容值随外加电压连续可调，具 体结构尺寸可根据不同的设计要求进行调整；阻抗匹配电路是利用四阶 四分之一波长线实观；与同类产品相比，该专利技术部分满足了移相器需具 有小型化、平面化、薄膜化以及较小插入损耗的要求。然而，由于上述铁电薄膜移相器存在如下不足(1) 输入输出电路没有放在微波电路拓扑模型中一起仿真优化，上 述铁电薄膜移相器还需要另外考虑输入输出微波电路的匹配问题，这样， 较难得到最佳的阻抗匹配，电路拓扑结构较复杂，工艺难于实现。(2) 微波低通滤波网络的不变部分和可变部分均构筑在构成钛酸锶钡 (Ba^SivTi03简称BST)铁电薄膜，无法减少微波低通滤波网络系统中的失配性和较小插入损耗的要求。(3) 钛酸锶钡虽然具有较好的可调介电性能；它的缺点是介电损耗 相对较大，而这种损耗是来源于两个方面 一方面，是本征的原因，即 钛本身有+3和+4两种价态，在薄膜中难以保证所有钛的离子都是处于+4 的价态；而这两种价态之间的变化，导致材料损耗的增大，另一方面， 薄膜制备过程也可能造成损耗增大。
技术实现思路
鉴于上述技术方案的不足，本专利技术的目的在于，提供一种微波低通滤波 网络铁电薄膜移相器，该铁电薄膜移相器性能稳定，阻抗匹配良好，损耗小， 电路拓扑结构简单，工艺易于实现，尺寸小以及重量轻。本专利技术通过微波低 通滤波网络实现微波相移，即用分布参数代替集中参数(LC)，通过改变网 络中的分布电容参数值(利用铁电薄膜的电压可调性质)来实现微波相移。为实现上述目的，本专利技术提供了一种微波滤波网络的薄膜移相器， 其由衬底、铁电薄膜、表面电极以及底电极组成且具有微波滤波网络的 多层结构；所述的微波滤波网络由可变分布参数部分和不可变分布参数 部分组成；所述微波滤波网络的可变分布参数部分构筑在铁电薄膜上，所述微波滤波网络的不可变分布参数部分构筑在衬底上。所述的微波滤波网络为一节或多节级联的微波低通滤波网络；其中，所述的不可变分布参数部分为50Q传输线、阻抗匹配电路、表面电极以及底电极和分布参数电感，所述的可变分布参数部分为分布参数电容。所述的级联数目为两级，所述分布参数电容由在50Q传输线与分布 参数电感之间联结的四只交叉指电容组成，通过对交叉指电容供电来改 变其电容值，以使低通滤波网络产生群时延形成相移。所述的阻抗匹配电路为至少两阶的四分之一波长阻抗变换线。所述的铁电薄膜为锆钛酸钡薄膜。所述的衬底材料为铝钽锶镧单晶材料。所述的50Q传输线、分布参数电感、表面电极以及底电极的材料为 金薄膜，且厚度大于等于500纳米。所述金薄膜与所述衬底之间预制有一层薄的镍膜。本专利技术还提供一种微波滤波网络薄膜移相器的制备方法，其包括如 下步骤步骤Sl:在衬底表面上覆盖一个特定形状的掩模板,以遮挡衬底表面不需要生长铁电薄膜的部分，其中，所述的特定形状用于生长所述微波滤被网络的可变分布参数电路；步骤S2:采用脉冲激光沉积法或磁控溅射的生长方法，在衬底上生长一层铁电薄膜，且在进行脉冲激光沉积过程中的氧分压控制在低于5Pa 的范围内；步骤S3:将制得的薄膜连同衬底在较高的温度下进行提高薄膜质量 的热本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微波滤波网络的薄膜移相器，其由衬底、铁电薄膜、表面电极以及底电极组成且具有微波滤波网络的多层结构；其特征在于：　所述的微波滤波网络由可变分布参数部分和不可变分布参数部分组成；所述微波滤波网络的可变分布参数部分构筑在铁电薄膜上，所述微波滤波网络的不可变分布参数部分构筑在衬底上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王雨，陈王丽华，陈雪娇，
申请(专利权)人：香港理工大学，
类型：发明
国别省市：HK[中国|香港]