DE69909313T2

DE69909313T2 - Spannungsgesteuerte varaktoren und abstimmbare geräte mit derartigen varaktoren

Info

Publication number: DE69909313T2
Application number: DE69909313T
Authority: DE
Inventors: Louise Sengupta; C. Steven STOWELL; Yongfei Zhu; Somnath Sengupta; H. Luna CHIU; Xubai Zhang; Andrey Kozyrev
Original assignee: Paratek Microwave Inc
Current assignee: BlackBerry RF Inc
Priority date: 1998-10-16
Filing date: 1999-10-15
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2019-10-16
Also published as: EA200100448A1; CA2346856A1; ES2201797T3; EP1121725B1; EP1121725A1; US6531936B1; WO2000024079A1; KR20010089308A; AU1117500A; US6686814B2; DE69909313D1; US20030001692A1; CN1326599A; JP2002528899A; ATE244459T1

Description

Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der United States Provisional Patent Application Nr. 60/ 104,504, die am 16. Oktober 1998 eingereicht wurde.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein bei Raumtemperatur über die Spannung abstimmbare Varaktoren und abstimmbare Einrichtungen, die derartige Varaktoren einschließen.
Phasenfeld-Antennen (Phased Array Antennen) bestehen aus einer großen Anzahl von Elementen, die in der Phase gesteuerte Signale aussenden, um einen Funkstrahl zu bilden. Das Funksignal kann elektronisch durch die aktive Manipulation der relativen Phaseneinstellung der einzelnen Antennenelemente gesteuert werden. Das elektronische Strahlsteuerkonzept findet sowohl bei Sendern als auch Empfängern Anwendung. Phased Array Antennen sind im Vergleich mit ihren mechanischen Entsprechungen hinsichtlich ihrer Geschwindigkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit vorteilhaft. Der Austausch von Kompassscanantennen durch deren elektronisch gescannte Entsprechung kann einen schnellere und genauere Zielidentifikation bereitstellen. Komplexe Nachverfolgungsübungen können ebenfalls schnell und genau mit einem Phased Array Antennensystem ausgeführt werden.
Einstellbare Phasenschieber werden verwendet, um den Strahl in Phased Array Antennen zu steuern bzw. lenken. Vorangehende Patente in diesem Gebiet umfassen ferroelektrische Phasenschieber in den United States Patenten mit den Nrs.: 5,307,033, 5,032,805 und 5,562,407. Diese Phasenschieber umfassen ein oder mehrere Mikrostreifenleitungen auf einem ferroelektrischen Substrat als die Phasenmodulationselemente. Die Permitivität des ferroelektrischen Substrats kann durch Ändern der Stärke eines elektrischen Felds auf dem Substrat verändert werden. Eine Abstimmung der Permitivität des Substrats führt zu einer Phasenverschiebung, wenn ein HF Signal durch die Mikrostreifenleitung geführt wird. Die ferroelektrischen Phasenschieber in Form eines Mikrostreifens, die in diesen Patenten offenbart sind, weisen den Nachteil von hohen Leiterverlusten und von Impedanzanpassungsproblemen als Folge der hohen dielektrischen Konstanten der ferroelektrischen Substrate auf.
Kommunikationen der Zukunft werden Breitband-Frequenzsprungtechniken verwenden, so dass große Mengen von digitalen Daten über das Band transferiert werden können. Eine kritische Komponente für diese Anwendungen ist ein kostengünstiges schnellarbeitendes abstimmbares Filter. Digitale Daten können über ein Band von Frequenzen in einer Sequenz, die durch eine Steuerschaltungsanordnung des abstimmbaren Filters bestimmt wird, verteilt oder kodiert werden. Dies ermöglicht mehreren Benutzern über einen gemeinsamen Bereich von Frequenzen zu senden und zu empfangen.
Varaktoren können unabhängig verwendet werden oder können in kostengünstige abstimmbare Filter integriert werden. Diese Varaktoren und Filter können in zahlreichen Frequenzbereichen, einschließlich von Frequenzen über den L-Band in einer Vielzahl von kommerziellen und militärischen Anwendungen verwendet werden. Diese Anwendungen umfassen (a) L-Band (1–2 GHz) abstimmbare Filter für drahtlose Lokalnetzsysteme, Personalkommunikationssysteme und Satellitenkommunikationssysteme, (b) C-Band (4–6 GHz) Varaktoren und abstimmbare Filter für ein Frequenzsprungverfahren für Satellitenkommunikationen und Radarsysteme, (c) X-Band (9–12 GHz) Varaktoren und Filter zur Verwendung in Radarsystemen, (d) Ku-Band (12–18 GHz) zur Verwendung in Satellitenfernsehsystemen, und (e) K_A-Band abstimmbare Filter für Satellitenkommunikationen.
Übliche Varaktoren, die heutzutage verwendet werden, sind Dioden auf Silizium und GaAs Basis. Das Betriebsverhalten von diesen Varaktoren wird durch das Kapazitätsverhältnis C_max/C_min, den Frequenzbereich und die Gütezahl oder den Q Faktor (1/ tan δ) in dem spezifizierten Frequenzbereich definiert. Die Q Faktoren von diesen Halbleitervaraktoren für Frequenzen bis zu 2 GHz sind gewöhnlicher weise sehr gut. Bei Frequenzen über 2 GHz nehmen die Q Faktoren von diesen Varaktoren schnell ab. Tatsächlich sind bei 10 GHz die Q Faktoren für diese Varaktoren gewöhnlicher weise nur ungefähr 30.
Varaktoren, die eine ferroelektrische Dünnfilmkeramik als ein über die Spannung abstimmbares Element in Kombination mit einem supraleitenden Element verwenden, sind beschrieben worden. Zum Beispiel offenbart das United States Patent Nr. 5,640,042 einen ferroelektrischen Dünnfilmvaraktor mit einer Trägersubstratschicht, einer Hochtemperatur-Supraleiterschicht, die auf dem Substrat abgelagert ist, als eine ferroelektrische Dünnfilmschicht, die auf der Metallschicht aufgebracht ist, und eine Vielzahl von metallischen Einrichtungen, die auf der ferroelektrischen Dünnfilmschicht aufgebracht sind, und die in einen elektrischen Kontakt mit HF Übertragungsleitungen in Abstimmeinrichtungen gelegt sind. Ein anderer abstimmbarer Kondensator unter Verwendung eines ferroelektrischen Elements in Kombination mit einem Supra leitenden Element ist in dem United States Patent Nr. 5,721,194 offenbart.
Kozyrev A. et al. „Ferroelectric Films: Nonlinear Properties And Applications In Microwave Devices" , IEEE MIT-S International Microwave Symposium Digest, US, New York, NY, IEEE, 7–12 June 1998, Seiten 985–988, offenbart einen in der Spannung abstimmbaren Varaktor mit einer abstimmbaren dielektrischen Schicht auf einem Substrat und Elektroden auf der dielektrischen Schicht, die dem Substrat gegenüberliegt.
Es besteht ein Bedarf für Varaktoren, die bei Temperaturen oberhalb von denjenigen, die für eine Supraleiterung erforderlich sind, und bei Frequenzen bis zu 10 GHz und darüber hinaus arbeiten können, während hohe Q Faktoren aufrecht erhalten werden. Zusätzlich besteht ein Bedarf für Mikrowelleneinrichtungen, die derartige Varaktoren einschließen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein dielektrischer Varaktor, der in Abhängigkeit von einer Spannung abstimmbar ist, umfasst ein Substrat mit einer ersten dielektrischen Konstanten und mit einer allgemein planaren Oberfläche, eine abstimmbare ferroelektrische Schicht, die auf der allgemein planaren Oberfläche des Substrats positioniert ist, wobei die abstimmbare ferroelektrische Schicht eine zweite dielektrische Konstante größer als die erste dielektrische Konstante aufweist, und erste und zweite Elektroden, die auf einer Oberfläche der abstimmbaren ferroelektrischen Schicht, der allgemein planaren Oberfläche des Substrats gegenüberliegend, positioniert sind. Die ersten und zweiten Elektroden sind getrennt, um einen Spalt dazwischen zu bilden. Eine Vorspannung, die an die Elektroden angelegt ist, ändert die Kapazität des Varaktors zwischen seinem Eingang und seinem Ausgang. Die abstimmbare dielektrische Schicht umfasst eine Barium-Strontium-Titanat-Verbundkeramik.
Die Erfindung schließt auch Phasenschieber ein, die die obigen Varaktoren einschließen. Eine Ausführungsform von derartigen Phasenschiebern umfasst einen Umlaufring-Koppler (Rat Race Koppler) mit einem HF (RF) Eingang und einem HF (RF) Ausgang, erste und zweite Mikrostreifen, die auf dem Umlaufring-Koppler positioniert sind, einen ersten reflektierenden Abschluss, der benachbart zu einem Ende des ersten Mikrostreifens positioniert ist, und einen zweiten reflektierenden Abschluss, der angrenzend zu einem Ende des zweiten Mikrostreifens positioniert ist, wobei die ersten und zweiten reflektierenden Abschlüsse jeweils einen der abstimmbaren Varaktoren einschließen.
Eine andere Ausführungsform von derartigen Phasenschiebern umfasst einen Mikrostreifen mit einem HF (RF) Eingang und einem HF (RF) Ausgang, ersten und zweiten radialen Stichleitungen, die sich von dem Mikrostreifen erstrecken, einen ersten Varaktor, der innerhalb der ersten radialen Stichleitung positioniert ist, und einen zweiten Varaktor, der innerhalb der zweiten radialen Stichleitung positioniert ist, wobei jeder der ersten und zweiten Varaktoren einer der vorangehenden abstimmbaren Varaktoren ist.
Die planaren ferroelektrischen Varaktoren der vorliegenden Erfindung können verwendet werden, um eine Phasenverschiebung in verschiedenen Mikrowelleneinrichtungen und in anderen Einrichtungen, wie beispielsweise abstimmbaren Filtern, bereitzustellen. Die hier betrachteten Einrichtungen sind in der Konstruktion einzigartig und zeigen einen niedrigen Einfügeverlust sogar bei Frequenzen größer als 10 GHz auf. Die Einrichtungen verwenden abstimmbare dielektrische Block- oder Filmelemente.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein vollständiges Verständnis der Erfindung kann aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen gewonnen werden, wenn diese im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Draufsicht von oben auf einen planaren über die Spannung abstimmbaren dielektrischen Varaktor, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
2 eine Querschnittsansicht des Varaktors der 1, entlang der Schnittlinie 2-2;
3a, 3b und 3e Graphen, die die Kapazität und die Verlusttangente von in der Spannung abstimmbaren Varaktoren darstellen, die in Übereinstimmung mit dieser Erfindung konstruiert sind und zwar bei verschiedenen Betriebsfrequenzen und Spaltbreiten;
4 eine Draufsicht von oben auf einen analogen Phasenschieber mit einem reflektierenden Abschluss und einem hybriden Umlaufring-Koppler, der Varaktoren einschließt, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruiert sind;
5 einen Graph, der eine Phasenverschiebung darstellt, die von dem Phasenschieber der 4 bei verschiedenen Frequenzen und Vorspannungen erzeugt wird;
6 eine Draufsicht von oben auf einen Phasenschieber mit einer Schaltung einer belasteten Leitung mit einem planaren Varaktor, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
7 ein Ersatzschaltbild des Phasenschiebers der 7;
8a, 8b und 8e Graphen, die simulierte Betriebsdaten für den Phasenschieber mit der belasteten Leitung der 6 darstellen;
9 eine Draufsicht auf ein abstimmbares Filter mit einem Finnleitungs-Wellenleiter mit planaren Varaktoren, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruiert sind;
10 einen Graph, der Messdaten für das abstimmbare Filter mit Finnleitungen der 9 darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bezugnehmend auf die Zeichnungen sind die 1 und 2 eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht eines Varaktors 10, der in Übereinstimmung mit dieser Erfindung konstruiert ist. Der Varaktor 10 umfasst ein Substrat 12 mit einer allgemein planaren Oberfläche 14. Eine abstimmbare ferroelektrische Schicht 16 ist angrenzend zu der oberen Oberfläche des Substrats positioniert. Ein Paar von Metallelektroden 18 und 20 sind oben auf der ferroelektrischen Schicht positioniert. Das Substrat 12 ist aus einem Material mit einer relativ geringen Permitivität gebildet, wie MgO, Aluminiumoxyd, LaAlO₃, Saphir oder einer Keramik. Für die Zwecke dieser Erfindung ist eine niedrige Permitivität eine Permitivität von weniger als ungefähr 30. Die abstimmbare ferroelektrische Schicht 16 ist aus einem Material mit einer Permitivität in einem Bereich von ungefähr 20 bis ungefähr 2000 und mit einer Abstimmbarkeit in dem Bereich von ungefähr 10% bis ungefähr 80% bei einer Vorspannung von ungefähr 10 V/μm gebildet. In der bevorzugten Ausführungsform ist diese Schicht aus einem Barium-Strontium-Titanat, Ba_xSr_1–xTiO₃ (BSTO) gebildet, wobei x im Bereich von null bis eins liegen kann, oder ist aus einer BSTO-Verbundkeramik gebildet. Beispiele von derartigen BSTO Zusammensetzungen umfassen beispielsweise: BSTO-MgO, BSTO-MgAl₂O₄, BSTO-CaTiO₃, BSTO-MgTiO₃, BSTO-MgSrZrTiO₆, und Kombinationen davon, sind aber nicht darauf beschränkt. Die abstimmbare Schicht in einer bevorzugten Ausführungsform weist eine dielektrische Permitivität von größer als 100 aus, wenn sie typischen DC Vorspannung ausgesetzt wird, zum Beispiel Spannungen im Bereich von ungefähr 5 Volt bis ungefähr 300 Volt. Ein Spalt 22 mit einer Breite g ist zwischen den Elektroden 18 und 20 gebildet. Die Spaltbreite muss optimiert werden, um ein Verhältnis der maximalen Kapazität C_max zu der minimalen Kapazität C_min(C_max/C_min) zu erhöhen und den Qualitätsfaktor (Q) der Einrichtung zu erhöhen. Die Breite dieses Spalts hat den größten Einfluss auf die Varaktorparameter. Die optimale Breite g würde durch die Breite bestimmt, bei der die Einrichtung ein maximales C_max/C_min Verhältnis und eine minimale Verlusttangente aufweist.
Eine steuerbare Spannungsquelle 24 ist über Leitungen 26 und 28 mit Elektroden 18 und 20 verbunden. Diese Spannungsquelle wird verwendet, um an die ferroelektrische Schicht eine DC Vorspannung zu liefern, wodurch die Permitivität der Schicht gesteuert wird. Der Varaktor umfasst auch einen HF (RF) Eingang 30 und einen HF (RF) Ausgang 32. Der HF Eingang und der Ausgang sind mit Elektroden 18 bzw. 20 über gelötete oder gebondete Verbindungen verbunden.
In den bevorzugten Ausführungsformen können die Varaktoren Spaltbreiten von weniger als 5–50 μm verwenden. Die Dicke der ferroelektrischen Schicht liegt im Bereich von ungefähr 0,1 μm bis ungefähr 20 μm. Ein Abdichtungsmittel 34 ist in dem Spalt positioniert und kann irgendein nicht-leitendes Material mit einer hohen dielektrischen Durchbruchfestigkeit sein, um die Anlegung einer hohen Spannung ohne eine Funkenbildung über dem Spalt zu erlauben. In der bevorzugten Ausführungsform kann das Dichtungsmittel Epoxyd oder Polyurethan sein.
Die andere Abmessung, die die Konstruktion der Varaktoren stark beeinflusst, ist die Länge L des Spalts, wie in 1 gezeigt. Die Länge des Spalts L kann durch Ändern der Länge der Enden 36 und 38 der Elektroden eingestellt werden. Veränderungen in der Länge weisen einen starken Einfluss auf die Kapazität des Varaktors auf. Die Spaltlänge wird für diesen Parameter optimiert. Sobald die Spaltbreite gewählt worden ist, wird die Kapazität eine lineare Funktion der Länge L. Für eine gewünschte Kapazität kann die Länge L experimentell oder durch eine Computersimulation bestimmt werden.
Die Dicke der abstimmbaren ferroelektrischen Schicht weist ebenfalls einen starken Effekt auf das C_max/C_min Verhältnis auf. Die optimale Dicke der ferroelektrischen Schichten wird durch die Dicke bestimmt, bei der das maximale C_max/C_min auftritt. Die ferroelektrische Schicht des Varaktors der 1 und 2 kann aus einem Dünnfilm, einem Dickfilm, oder einem ferroelektrischen Blockmaterial wie Barium-Strontium-Titanat Ba_xSr_1–xTiO₃ (BSTO), BSTO und verschiedenen Oxyden, oder einem BSTO Verbund mit verschiedenen hinzugefügten Dotiermaterialien gebildet sein. Alle diese Materialien zeigen eine niedrige Verlusttangente. Für die Zwecke dieser Beschreibung würde die Verlusttangente, für einen Betrieb bei Frequenzen im Bereich von ungefähr 1,0 GHz bis 10 GHz, im Bereich von ungefähr 0,0001 bis ungefähr 0,001 liegen. Für einen Betrieb bei Frequenzen im Bereich von ungefähr 10 GHz bis ungefähr 20 GHz würde die Verlusttangente im Bereich von ungefähr 0,001 bis ungefähr 0,01 liegen. Für einen Betrieb bei Frequenzen im Bereich von über 20 GHz bis ungefähr 30 GHz, würde die Verlusttangente im Bereich von ungefähr 0,05 bis ungefähr 0,02 liegen.
Die Elektroden können invgendeiner Geometrie oder Form hergestellt werden, die einen Spalt mit einer vorgegebenen Breite enthält. Der erforderliche Strom für eine Manipulation der Kapazität der Varaktoren, die in dieser Erfindung offenbart werden, ist typischerweise kleiner als 1 μA. In der bevorzugten Ausführungsform ist das Elektrodenmaterial Gold. Jedoch können auch andere Materialien, wie Kupfer, Silber oder Aluminium, verwendet werden. Gold ist gegenüber einer Korrosion widerstandsfähig und kann leicht an den HF Eingang und Ausgang gebondet werden. Kupfer stellt eine hohe elektrische Leitfähigkeit bereit und würde typischerweise mit Gold für einen Bondungsvorgang oder mit Nickel für einen Lötvorgang beschichtet werden.
Die 1 und 2 zeigen einen über die Spannung abstimmbaren planaren Varaktor mit einer planaren Elektrode mit einem vorgegebenen Spaltabstand auf einem abstimmbaren Einzelschichtblock, einem Dickfilm oder Dünnfihndielektrikum. Die angelegte. Spannung erzeugt ein elektrisches Feld über dem Spalt des abstimmbaren Dielektrikums, das eine Gesamtänderung in der Kapazität des Varaktors erzeugt. Die Breite des Spalts kann im Bereich von 5 bis 50 μm liegen, in Abhängigkeit von den Betriebsanforderungen. Der Varaktor kann wiederum in eine Vielzahl von abstimmbaren Einrichtungen integriert werden, beispielsweise in diejenigen, die gewöhnlicher weise im Zusammenhang mit Halbleitervaraktoren verwendet werden.
Die bevorzugten Ausführungsformen von über die Spannung abstimmbaren dielektrischen Varaktoren dieser Erfindung weisen Q Faktoren im Bereich von ungefähr 50 bis ungefähr 10.000 auf, wenn ein Betrieb von Frequenzen, im Bereich von ungefähr 1 GHz bis ungefähr 40 GHz vorgenommen wird. Die Kapazität (in pF) und der Verlustfaktor (tan δ) der Varaktoren, gemessen bei 3, 10 und 20 GHz für Spaltabstände von 10 und 20 μm, sind in den 3a, 3b und 3c gezeigt. Auf Grundlage der Daten, die in den 3a, 3b und 3c gezeigt sind, sind die Qs für die Varaktoren ungefähr die folgenden: 200 bei 3 GHz, 80 bei 10 GHz, 45–55 bei 20 GHz. Im Vergleich sind typische Qs für GaAs Halbleiterdiodenvaraktoren wie folgt: 175 bei 2 GHz, 35 bei 10 GHz und viel kleiner bei noch höherer Frequenz. Deshalb weisen die Varaktoren dieser Erfindung bei Frequenzen, die größer oder gleich zu 10 GHz sind, viel bessere Q Faktoren auf.
4 zeigt eine Draufsicht auf einen Phasenschieber 40 mit Varaktoren, die in Übereinstimmung mit der Erfindung zur Verwendung in einen Betriebsbereich von 1,8 bis 1,9 GHz konstruiert sind. Der Phasenschieber 40 umfasst einen Umlaufring-Koppler 42, zwei reflektierende Abschlüsse 44, 46 und eine Vorspannungsschaltung, die mit den Varaktoren verbunden sind, wie in 1 gezeigt, aber in 4 nicht gezeigt. Jeder der reflektierenden Abschlüsse umfasst eine Serienkombination eines ferroelektrischen Varaktors der 1 und 2, und einen Induktor 48, 50. Zwei DC Blöcke 52 und 54 sind auf den Armen des Eingangs 56 und bzw. dem Ausgang 58 des Umlaufring-Kopplers angebracht. Die DC Blöcke können in Übereinstimmung mit bekannten Techniken konstruiert werden, beispielsweise durch Verwendung eines Oberflächenanbringungskondensators mit einer hohen Kapazität oder einem Verteilungs-Bandpassfilter.
Experimentelle Ergebnisse für den Phasenschieber der 4 wurden wie in 5 gezeigt in dem Bereich der angelegten Varaktorvorspannung von 0 bis 300 Volt DC ermittelt. Die Gütezahl ist ungefähr 110, mit einem relativen Phasenverschiebefehler von geringer als 3% über einem Frequenzbereich von 1,8 bis 1,9 GHz. Der Einfügeverlust des Phasenschiebers beträgt ungefähr 1,0 dB, was 0,5 dB im Zusammenhang mit einer Fehlanpassung und von Verlusten in den Metallfilmen einschließt. Die Betriebstemperatur der Einrichtung betrug 300°K.
6 ist eine Draufsicht auf einen 10 GHz Phasenschieber 60 auf Grundlage einer Mikrostreifenschaltung mit einer beladenen bzw. belasteten Leitung 62. Zwei planare ferroelektrische Varaktoren 10 sind in die Spalte 64, 66 der Leitung 62 eingebaut. Ein HF (RF) wird mit Hilfe von 50-Ohm Mikrostreifen 68 bzw. 70 eingegeben und ausgegeben. Der mittlere Mikrostreifen weist in diesem Beispiel einen Impedanz von 40-Ohm auf. Radiale Viertel-Wellenlängen-Stichleitungen 72, 74, 76 und 78 werden für die Impedanzanpassung verwendet. Die Varaktoren werden durch die DC Vorspannung, die durch das Kontaktkissen 80 und den Draht 82 angelegt wird, abgestimmt. Zwei DC Blöcke 84 und 86 sind ähnlich zu denjenigen, die in 4 diskutiert wurden. Die Ersatzschaltung des Phasenschiebers der 6, ohne die DC Blöcke, ist in 7 gezeigt. Berechnete Werte des Einfügeverlusts (S21), des Reflektionskoeffizienten (S11) und der Phasenverschiebung (Δϕ) der Einrichtung für die Varaktorkapazitäten im Bereich von 0,4 pF bis 0,8 pF, sind in den 8a, 8b und 8c gezeigt. Die Gütezahl für den Phasenschieber der 6 ist 180 Grad/dB über einem Frequenzbereich von 0,5 GHz. Die Einrichtung ist geeignet für Anwendungen, bei denen die Phasenverschiebeanforderungen kleiner als 100 Grad sind.
9 ist eine Draufsicht auf ein abstimmbares Feld 88 mit 4 fenoelektrischen Varaktoren auf Grundlage einer symmetrischen Finnenleitung in einem rechteckförmigen Wellenleiter. In dieser Ausführungsform der Erfindung wird ein elektrisch abstimmbares Filter bei Raumtemperatur erhalten, indem mehrere ferroelektrische Varaktoren auf einem Finnenleitungs-Wellenleiter angebracht sind. Die Finnenleitungs-Konstruktion umfasst 3 Folienkupferplatten 90, 92 und 94 mit einer Dicke von 0,2 mm, die an der Mitte des Wellenleiters 96 entlang dessen longitudinaler Achse angeordnet sind. Zwei laterale Platten mit kurzgeschlossenen Endfinnenleitungs-Resonatoren 98 und 100 sind als Folge des Kontakts mit dem Wellenleiter auf Masse gelegt. Die zentrale Platte 92 ist für die DC Spannung von dem Wellenleiter durch Mica 102 und 104 isoliert und wird verwendet, um die Steuerspannung (U_b) an die abstimmbaren dielektrischen Varaktoren 106, 108, 110 und 112 anzulegen. Die abstimmbaren ferroelektrischen Varaktoren werden in dem Ende der Finnenleitungs-Resonatoren zwischen den Platten 90 und 92, und den Platten 94 und 92 angelötet. Flansche 114 und 116 halten die Platten. Die Frequenzantwortfilter der 9 ist in 10 gezeigt. In dem Frequenzbereich der Abstimmung ΔF ∼0,8 GHz (∼4%) des Filters demonstriert die Einfügeverluste (L₀) von nicht mehr als 0,9 dB und die Bandbreite von Δf/f ∼ 2,0% bei dem Pegel von L₀. Der Reflektionskoeffizient für die zentrale Frequenz betrug nicht mehr als –20 dB für irgendeinen Punkt des Abstimmungsbereichs. Die Anzahl von Bändern Δf des Filters, die in dem Frequenzbereich der Abstimmung ΔF enthalten sind, betrug ungefähr ΔF/Δf = 2. Es sei darauf hingewiesen, dass für höhere Vorspannungen eine größere Abstimmung des Filters möglich ist.
Durch Verwenden der einzigartigen Anwendung von Dielektrika mit geringen Verlusten (tan δ < 0,02) von vorgegebenen Abmessungen stellt diese Erfindung einen Hochfrequenz-Hochleistungs-Varaktor bereit, der das Hochfrequenz-(>3 GHz) Betriebsverhalten der Halbleitervaraktoren übergeht. Die Verwendung von diesen Varaktoren in abstimmbare Einrichtungen wird ebenfalls in dieser Erfindung realisiert. Mehrere Beispiele von spezifischen Anwendungen der Varaktoren in Phasenschiebern und einem abstimmbaren Filter sind beschrieben worden. Diese Erfindung hat viele praktische Anwendungen und viele andere Modifikationen der offenbarten Einrichtungen können Durchschnittsfachleuten in dem technischen Gebiet offensichtlich sein, ohne von dem Grundgedanken und dem Umfang dieser Erfindung abzuweichen. Zusätzlich haben die abstimmbaren dielektrischen Varaktoren dieser Erfindung eine erhöhte HF Leistungs-Behandlungsmöglichkeit und einen verringerten Energieverbrauch und geringere Kosten.
Die Erfindung stellt über die Spannung abstimmbare Block-, Dickfilm- und Dünnfilm-Varaktoren bereit, die in bei Raumtemperatur über die Spannung abstimmbaren Einrichtungen verwendet werden können, beispielsweise in Filtern, Phasenschiebern, spannungsgesteuerten beiden Oszillatoren, Verzögerungsleitungen und abstimmbaren Resonatoren, oder irgendeiner Kombination davon. Beispiele sind für Varaktoren, finnenleitungs-abstimmbaren Filtern und Phasenschiebern bereitgestellt. Das Finnenleitungs-Filter umfasst zwei oder eine größere Anzahl von Varaktoren und ist auf einer symmetrischen Finnenleitung in einem rechteckförmigen Wellenleiter gestützt. Die beispielhaften Phasenschieber enthalten reflektierende Abschlüsse mit hybriden Kopplern und eine Schaltung mit belasteter Leitung mit dem Einbau von planaren Varaktoren. Die beispielhaften Phasenschieber können bei Frequenzen von 2, 10, 20 und 30 GHz arbeiten.

Claims

Dielektrischer Varaktor (10), der in Abhängigkeit von einer Spannung abstimmbar ist und umfasst: ein Substrat (12) mit einer ersten dielektrischen Konstanten und mit einer allgemein planaren Oberfläche (14); eine abstimmbare ferroelektrische Schicht (16), die auf der allgemein planaren Oberfläche des Substrats positioniert ist, wobei die abstimmbare ferroelektrische Schicht eine zweite dielektrische Konstante größer als die erste dielektrische Konstante aufweist; und erste und zweite Elektroden (18, 20), die auf einer Oberfläche der abstimmbaren fenoelektrischen Schicht, der allgemein planaren Oberfläche des Substrats gegenüberliegend, positioniert ist, wobei die ersten und zweiten Elektroden getrennt sind, um einen Spalt (22) dazwischen zu bilden; dadurch gekennzeichnet, dass die abstimmbare ferroelektrische Schicht eine Barium-Strontium-Titanat-Verbundkeramik umfasst.
Dielektrischer Varaktor, der in Abhängigkeit von einer Spannung abstimmbar ist, nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein isolierendes Material (34) in dem Spalt.
Dielektrischer Varaktor, der in Abhängigkeit von einer Spannung abstimmbar ist, nach Anspruch 1, wobei die abstimmbare ferroelektrische Schicht (16) eine Permittivität in einem Bereich von ungefähr 20 bis ungefähr 2000 und eine Abstimmbarkeit in einem Bereich von ungefähr 10% bis ungefähr 80% bei einer Vorspannung von ungefähr 10 V/μm aufweist.
Dielektrischer Varaktor, der in Abhängigkeit von einer Spannung abstimmbar ist, nach Anspruch 1, wobei die abstimmbare ferroelektrische Schicht einen RF Eingang (30) und einen RF Ausgang (32) zum Führen eines RF Signals durch die abstimmbare ferroelektrische Schicht in einer ersten Richtung einschließt, und wobei sich der Spalt in einer zweiten Richtung, im wesentlichen senkrecht zu der ersten Richtung, erstreckt.
Phasenschieber (40) mit einem reflektierenden Abschluss, umfassend einen Umlaufring-Koppler mit einem RF Eingang (56) und einem RF Ausgang (58); erste und zweite Stichleitungen, die auf dem Umlaufring-Koppler (42) positioniert sind; einen ersten reflektierenden Abschluss (44), der benachbart zu einem Ende der ersten Stichleitung positioniert ist; und einen zweiten reflektierenden Abschluss (46), der benachbart zu einem Ende der zweiten Stichleitung positioniert ist; wobei der erste reflektierende Abschluss und der zweite reflektierende Abschluss jeweils einen abstimmbaren Varaktor (10) einschließt, der umfasst: ein Substrat (12) mit einer ersten dielektrischen Konstanten und mit einer allgemein planaren Oberfläche (14), eine abstimmbare ferroelektrische Schicht (16), die auf der allgemein planaren Oberfläche des Substrats positioniert ist, wobei die abstimmbare ferroelektrische Schicht eine zweite dielektrische Konstante größer als die erste dielektrische Konstante aufweist, und die ersten und zweiten Elektroden (18, 20) auf einer Oberfläche der abstimmbaren ferroelektrischen Schicht gegenüberliegend zu der allgemein planaren Oberfläche des Substrats positioniert sind, wobei die ersten und zweiten Elektroden getrennt sind, um einen Spalt dazwischen zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die abstimmbare ferroelektrische Schicht eine Barium-Strontium-Titanat-Verbundkeramik umfasst.
Phasenschieber mit einem reflektierenden Abschluss (40) nach Anspruch 5, wobei der erste reflektierende Abschluss und der zweite reflektierende Abschluss jeweils ferner einen Induktor (48, 50) einschließt, der elektrisch in Reihe zu dem Varaktor geschaltet ist.
Phasenschieber mit einem reflektierenden Abschluss (40) nach Anspruch 5, ferner umfassend: erste und zweite DC Blöcke (52, 54), wobei der erste DC Block in dem RF Eingang positioniert ist, und wobei der zweite DC Block in dem RF Ausgang positioniert ist.
Phasenschieber mit einer belasteten Leitung (60), umfassend einen Mikrostreifen (62) mit einem RF Eingang (68) und einem RF Ausgang (70); erste und zweite radiale Stichleitungen (72, 74), die sich von dem Mikrostreifen erstrecken; einen ersten Varaktor (10), die innerhalb der ersten radialen Stichleitung positioniert ist; und einen zweiten Varaktor (10) der innerhalb der zweiten radialen Stichleitung positioniert ist; wobei der erste Varaktor und der zweite Varaktor jeweils umfasst: ein Substrat (12) mit einer ersten dielektrischen Konstanten und mit einer allgemein planaren Oberfläche (14), eine abstimmbare ferroelektrische Schicht (16), die auf der allgemein planaren Oberfläche des Substrats positioniert ist, wobei die abstimmbare ferroelektrische Schicht eine zweite dielektrische Konstante größer als die erste dielektrische Konstante aufweist, wobei die ersten und zweiten Elektroden (18, 20) auf einer Oberfläche der abstimmbaren fenoelektrischen Schicht gegenüberliegend zu der allgemein planaren Oberfläche des Substrats positioniert sind, wobei die ersten und zweiten Elektroden getrennt sind, um einen Spalt dazwischen zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die abstimmbare ferroelektrische Schicht eine Barium-Strontium-Titanat-Verbundkeramik umfasst.
Leitungsfilter mit einer abstimmbaren Finne (88), umfassend: einen rechteckförmigen Wellenleiter (96); drei leitende Platten (90, 92, 94), die entlang einer longitudinalen Achse des Wellenleiters positioniert sind, wobei eine der leitenden Platten von dem Wellenleiter isoliert ist; zwei laterale Platten (90, 94), die Finnen-Leitungsresonatoren mit Kurzschlussende (8, 100) aufweisen und an dem Wellenleiter mit Masse verbunden sind; und eine Vielzahl von Varaktoren (106, 108, 110, 112), wobei einer der Varaktoren elektrisch mit jedem Finnen-Leitungs-Resonator gekoppelt ist; wobei jeder abstimmbare Varaktor einschließt: ein Substrat (12) mit einer ersten dielektrischen Konstanten und mit einer allgemein planaren Oberfläche (14), eine abstimmbare ferroelektrische Schicht (16), die auf der allgemein planaren Oberfläche des Substrats positioniert ist, wobei die abstimmbare ferroelektrische Schicht eine zweite dielektrische Konstante größer als die erste dielektrische Konstante aufweist, und wobei die ersten und zweiten Elektroden auf einer Oberfläche der abstimmbaren ferroelektrischen Schicht gegenüberliegend zu der allgemein planaren Oberfläche des Substrats positioniert sind, wobei die ersten und zweiten Elektroden (18, 20) getrennt sind, um einen Spalt dazwischen zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die abstimmbare ferroelektrische Schicht eine Barium-Strontium-Titanat-Verbundkeramik umfasst.
Dielektrischer Varaktor (10), der in Abhängigkeit von einer Spannung abstimmbar ist, nach den Ansprüchen 1, 5, 8 oder 9, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Barium-Strontium-Titanat-Verbundkeramik umfasst: BSTO-MgO, BSTO-MgAl₂O₄, BSTO-CaTiO₃, BSTO-MgTiO₃, BSTO-MgSrZrTiO₆, oder Kombinationen davon.