专利名称：铁电移相器的制作方法
技术领域：
本发明属于微波工程领域，涉及一种移相器，特别是涉及一种铁电移相器。
背景技术：
随着卫星电视的发展，卫星移动通信技术在民用项目上有广泛的应用前景，更加重要的是由于高新技术兵器广泛应用于战争，集移动通信技术和卫星通信技术于一身的卫星移动通信技术，成为现代战争条件下各军事强国竞相研究的崭新课题，是关系到国家安全的重大问题。
卫星移动通信的关键问题是要解决移动过程中卫星跟踪的问题，相控阵天线是一种很好的解决方案。在相控阵天线中，移相器作为基本元件起着重要作用。用移相器改变相邻天线的相位差值Δ，就可以使相控阵天线波束在空间进行电扫描而天线不必转动。为了提高相控阵的性能和降低成本，使其获得广泛应用，寻求低损耗和低成本的微波移相器成为一个刻不容缓的重大问题。
目前，大多数相控阵天线系统都使用铁氧体移相器和半导体PIN二极管移相器。但是，铁氧体移相器响应速度慢，并不适合于要求快速波束扫描的相控阵天线，而且这种移相器价格昂贵、体积大、质量重，从而限制了它的应用；半导体移相器的响应速度快、体积小，但在厘米波和毫米波频率范围内损耗比较大，功率处理能力有限。
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。由于集成度的不断提高，器件尺寸在结构上要求更加小型化、平面化、薄膜化；性能上要求小插损、具有一定的功率容量，另外还要满足成本低、能够批量生产等商业要求。
发明内容
针对上述存在的问题及要求，本发明的目的就是提供一种低损耗、低成本，及可以用电压调节的铁电移相器。
为实现上述目的，本发明一种铁电移相器，包括可变叉指电容和阻抗匹配电路，其中可变叉指电容利用铁电材料实现。
进一步，所述铁电材料为钛酸锶钡Ba1-xSrxTiO3铁电薄膜。
进一步，所述阻抗匹配电路为至少两阶四分之一波长的阻抗变换线。
进一步，所述可变叉指电容和阻抗匹配电路采用共面反射电路，通过测量反射系数实现相移。
进一步，所述钛酸锶钡Ba1-xSrxTiO3铁电薄膜的衬底材料为氧化镁或铝酸镧。
进一步，所述钛酸锶钡Ba1-xSrxTiO3铁电薄膜的导电层材料为贵金属或超导材料。
进一步，所述阻抗匹配电路为四阶四分之一波长的阻抗变换线。
与现有技术相比，本发明结构简单，通用性强，对于不同的性能要求，仅需变动个别尺寸就可以实现；可以实现大幅度的相移量；相移量可以随外加电压连续可调；能量损耗小；无需另外的偏压电路，电路本身就可实现偏压要求；电路体积小，电可控；减少了薄膜厚度不均匀性对电路性能的影响。
图1是本发明铁电移相器的结构示意图；图2是本发明铁电移相器的整体共面反射结构的示意图；图3是图2中的调整叉指电容的结构示意图；图4是图2中的调整阻抗匹配电路的结构示意图；图5是阻抗匹配电路对应反射响应曲线；图6是本发明铁电移相器整体计算机仿真结果；图7是实施例2的叉指电容的结构示意图；图8是实施例2的阻抗匹配电路的结构示意图。
具体实施例方式
本发明铁电移相器主要由两部分构成一部分为可变叉指电容，另一部分为阻抗匹配电路，两部分采用共面反射结构，其中可变叉指电容利用铁电材料实现。钛酸锶钡薄膜是一种铁电材料，其介电常数可以随外加电场变化，由其制得的可调器件有很好的应用前景。如图1所示，铁电材料是先在氧化镁或者铝酸镧衬底3上生长一层钛酸锶钡2，再在其上镀导电层1，导电层1，可以是金或铜或铂等贵金属，也可以是超导材料。在导电层1，上可以利用光刻工艺，加工生成各种图形。如图2所示，铁电移相器的两部分采用共面反射结构，其中，共面主要是指采用单面导电层3，图形全部生成在同一平面——导电层3上；反射是指通过测量反射系数，比较在不同偏压下，反射系数相位的变化，从而实现相移的目的。图3是图2中A部分调整叉指电容的放大的结构示意图，如图所示，利用铁电材料介电常数可以随外加电场变化的性质实现可变叉指电容，其电容值随外加电压连续可调，其具体结构尺寸可根据不同的设计要求进行调整。图4是图2中B部分的调整阻抗匹配电路的放大的结构示意图，如图所示，利用四分之一波长线实现不同特征阻抗之间的匹配，其具体结构尺寸与阶数可根据不同的要求进行调整，至少为二级，通常选用四阶。
当铁电移相器使用BST薄膜作为铁电材料时，由于BST材料的介电常数可以随外加电压的改变而变化，因此利用它这种性质制作的电可调器件，具有可调范围大和开关速度快的优点，并且由于是电压控制，因此能量损耗小。
当铁电移相器的整体采用共面反射结构时，具有很多优点(1)偏压电路简单，如图2所示该铁电移相器无需另外的偏压电路，外加偏压一段接信号输入/输出端5，另一段接电路等效接地面4。大大简化了设计，降低了成本；(2)采用这种结构，可以方便的实现电路对于接地的要求，降低了接地的实现难度，减少了不必要的工艺环节；(3)采用这种结构，由于电磁波主要分布在材料的表面，还可以大大减少由于薄膜厚度不均匀造成的不良影响；(4)可以大大减少器件体积，满足设备小型化的要求。
当铁电移相器利用铁电材料实现可变叉指电容，其电容值随外加电压连续可调。叉指电容设计容易，结构简单，便于用共面电路实现；另外，叉指电容与平面电容相比，减少了寄生电容的不良影响。
铁电移相器是利用四分之一波长的阻抗变换线实现阻抗匹配，最少选用二阶阻抗变换线，通常选用四阶阻抗变换线，采用这种结构，(1)可以实现大幅度的相移；(2)可以使器件在不同的工作状态下，插损尽量保持一致，达到改善插损性能的目的，如图5所示，该图是计算机仿真结果，表征阻抗匹配电路的频率特性，从图中可知阻抗匹配电路工作性能良好；(3)可以简化设计，对于不同相移量的设计要求，其它部分电路保持不动，只需要调整该部分结构就可以实现。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步地描述实施例1铁电移相器的工作的中心频率为5GHZ如图1-2所示，首先对铁电薄膜镀单面金属膜，该铁电薄膜是先在介电常数为的εr的MgO介质的衬底3上生长一层BST铁电薄膜2，然后再在其上生长一层导电层1金膜，并对其进行测量获得所需的物理参数。根据设计要求，选用的MgO介质，其介电常数εr＝9.60，调整叉指电容部分的尺寸，最终确定图形尺寸，如图3所示a＝10微米，b＝290微米，c＝100微米。
根据设计要求，调整阻抗匹配电路部分的尺寸，在本实施例中，工作的中心频率为5GHZ，实现200°的相移。最终确定图形尺寸，其结构如图4所示d＝1300微米，e＝400微米，f＝700微米，g＝900微米，h＝1260微米，阻抗匹配电路对应反射响应曲线如图5所示，由图中曲线可知阻抗匹配电路工作性能良好。
利用sonnet EM simulator仿真整个移相器，其结果如图6所示，其中“Δ”线为正常态下反射随频率的变化关系，“o”线为偏压状态下反射随频率的变化关系，“X”线为两状态下的相移随频率的变化关系。两个工作状态下铁电薄膜介电常数分别为300、600，由图可知，其在中心频率时插损相等为-0.7db，相位移动为(180+63)°，满足了设计要求。
实施例2 铁电移相器的工作的中心频率为3GHZ。
首先对铁电薄膜镀单面金属膜，该铁电薄膜是先在介电常数为的εr的MgO介质的衬底上生长一层BST铁电薄膜，然后再在其上生长一层金属膜，并对其进行测量获得所需的物理参数。
根据设计要求，选用的MgO介质，其介电常数εr＝9.6，调整叉指电容部分的尺寸，最终确定图形，结构如图7所示。
根据设计要求，调整阻抗匹配电路部分的尺寸，最终确定图形，结构如图8所示。
权利要求
1.一种铁电移相器，其特征在于，包括可变叉指电容和阻抗匹配电路，其中可变叉指电容利用铁电材料实现。
2.根据权利要求1所述的铁电移相器，其特征在于，所述铁电材料为钛酸锶钡Ba1-xSrxTiO3铁电薄膜。
3.根据权利要求1所述的铁电移相器，其特征在于，所述阻抗匹配电路为至少两阶四分之一波长的阻抗变换线。
4.根据权利要求1所述的铁电移相器，其特征在于，所述可变叉指电容和阻抗匹配电路采用共面电路，通过测量反射系数实现相移。
5.根据权利要求2所述的铁电移相器，其特征在于，所述钛酸锶钡Ba1-xSrxTiO3铁电薄膜的衬底材料为氧化镁或铝酸镧。
6.根据权利要求2所述的铁电移相器，其特征在于，所述钛酸锶钡Ba1-xSrxTiO3铁电薄膜的导电层材料为贵金属或超导材料。
7.根据权利要求3所述的铁电移相器，其特征在于，所述阻抗匹配电路为四阶四分之一波长的阻抗变换线。
全文摘要
本发明公开了一种铁电移相器，使用钛酸锶钡Ba
文档编号H01Q21/06GK1738097SQ20051010255
公开日2006年2月22日 申请日期2005年9月12日 优先权日2005年9月12日
发明者李翡, 张雪强, 孟庆端, 何豫生, 何艾生, 李春光, 黎红 申请人:中国科学院物理研究所