Національний технічний університет України
Національний технічний університет України“
Київський політехнічний інститут”
Казміренко Віктор Анатолійович
УДК 621.372.413
ДІЕЛЕКТРИЧНІ ФАЗООБЕРТАЧІ
НАДВИСОКИХ ЧАСТОТ
05.27.01 – твердотільна електроніка
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2003
Дисертацією є рукопис
Дисертація виконана на кафедрі фізичної та біомедичної електроніки
Національного Технічного університету України “КПІ”
Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: | доктор фізико-математичних наук, професор,
Поплавко Юрій Михайлович
Національний Технічний університет України “КПІ”,
професор кафедри мікроелектроніки | Офіційні опоненти: | доктор технічних наук,
Трубін Олександр Олексійович
Національний Технічний університет України “КПІ”
Інститут телекомунікаційних систем
професор кафедри телекомунікаційних систем та мереж | кандидат технічних наук,
Наритник Теодор Миколайович
Інститут електроніки та зв'язку Української академії наук національного прогресу,
директор |
Провідна організація: ВАТ Науково-виробниче підприємство “Сатурн” (м. Київ)
Захист відбудеться “15” вересня 2003р. о 1500 годині
на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.28 при
Національному технічному університеті України “КПІ”
за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корп. №12.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці НТУУ “КПІ”
Автореферат розіслано “____” ________ 2003р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради Д 26.002.28,
к.т.н., професор Л.Д. Писаренко
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Застосування антен з вузькими діаграмами направленості в системах навігації та зв’язку дозволяє підвищити роздільну здатність навігаційного обладнання, зменшити потужність, необхідну для підтримання зв’язку, і в такий спосіб зменшити взаємний вплив сусідніх каналів. Для стеження за зміною положення рухомих об’єктів — літальних апаратів, супутників, водного та наземного транспорту, — а також для підтримання зв’язку рухомого об’єкта з базовою станцією або супутником необхідно оперативно перенацілювати вузький електромагнітний промінь антени передавача на приймач і навпаки.
На відміну від традиційного — механічного приводу, за допомогою якого змінюється просторова орієнтація антени, сучасний підхід ґрунтується на використанні фазованих антенних решіток. Скануючі антенні решітки мають значні переваги перед механічними системами, зокрема такі, як висока надійність, швидкодія, електронне керування.
Ключовим елементом системи з електронним керуванням електромагнітним променем є фазообертач, який використовується для керування фазовим зсувом сигналів окремих випромінюючих елементів.
Традиційно як фазообертачі у колах з високими значеннями передаваної потужності застосовуються ферити. Дискретні фазообертачі можуть бути реалізовані на основі набору ланок ліній передачі різної довжини, які комутуються електронними, мікроелектромеханічними ключами або діелектричними резонаторами. Напівпровідникові фазообертачі можуть бути створені на основі мініатюрних, в тому числі й інтегральних елементів, наприклад, pin-діодів. Потенціал застосування традиційних малопотужних фазообертачів у мобільних системах ще не використано до кінця, тоді як конструкції потужних фазообертачів вже не відповідають вимогам сучасності, зокрема, за масо-габаритними показниками та економічністю. Разом з тим, і феритові, і напівпровідникові фазообертачі мають фундаментальне обмеження робочого діапазону частот, що стримує тенденцію до підвищення діапазонів робочих частот.
Одним із шляхів розв’язання проблеми є пошук і застосування таких фізичних явищ, які б не мали обмеження робочих частот, або це обмеження було б менш жорстким. Таким фізичним феноменом може бути явище поляризації діелектричних матеріалів, яка зберігається в діапазоні частот аж до інфрачервоного. У певних галузях НВЧ техніки діелектричні матеріали вже зараз здатні успішно конкурувати з традиційно використовуваними феритами та напівпровідниковими матеріалами. Діелектричні матеріали легко інтегруються як у хвилеводні конструкції, так і у прилади у інтегральному виконанні. Остання обставина зумовлює стійкий інтерес до дослідження і застосування діелектричних матеріалів у вигляді тонких плівок.
Найпоширенішими є планарні конструкції на багатошарових діелектричних основах, а самі прилади утворюються елементами з розподіленими параметрами.
Незважаючи на невпинний рух електроніки у напрямку мініатюризації та підвищення ступеня інтеграції, хвилеводні НВЧ прилади продовжують відігравати важливу роль. Тому вдосконалення хвилеводних приладів продовжує залишатися актуальним питанням сьогодення.
Застосування діелектричних матеріалів у поєднанні з новими принципами керування дозволяє створювати прилади з дуже привабливими характеристиками. Досвід дослідження складених діелектричних резонаторів показав, що пристрої із застосуванням композитів “діелектрик–повітря” мають такі незаперечні переваги, як висока добротність, температурна стабільність, простота та надійність. Разом з тим, реалізація цих переваг у повному обсязі стала можливою завдяки створенню новітніх п’єзоелектричних актюаторів, здатних виробляти значні переміщення за порівняно низьких керуючих напруг. Поєднання високоякісних діелектричних матеріалів із перевагами електричного керування дозволяє створювати НВЧ прилади на основі композитів “діелектрик–повітря”, які здатні конкурувати з традиційними.
Отже, в даній роботі розглядаються принципи застосування діелектричних матеріалів як фазообертачів надвисоких частот у вигляді інтегральних, гібридних та хвилеводних приладів.
Зв’язок роботи з науковими програмами. Частина робіт, висвітлених у дисертації, пов’язана з виконанням науково-дослідної роботи “Дослідження польових гетероструктурних приладів на основі сполук А3В5 для створення монолітних НВЧ пристроїв та надшвидкодіючих інтегральних схем”, тема “ТА_КПИ-15-УВО”. Розробка електродинамічних моделей запропонованих у роботі пристроїв та їх теоретичний аналіз проведено здобувачем особисто, виготовлення макетів пристроїв та їх експериментальне вимірювання було проведено спільно із закордонними партнерами в рамках спільного українсько-корейського проекту “НВЧ-діелектрики та компоненти для засобів телекомунікацій та радарних систем” (наказ Міністерства освіти і науки №595 від 18.10.2002р.) у Науково-технологічному університеті м. Поханг, Республіка Корея.
Мета дисертаційної роботи полягає у розробці принципів побудови інтегральних, гібридних та хвилеводних фазообертачів з використанням діелектричних матеріалів, створенні методів розрахунку характеристик фазообертачів, експериментальному дослідженні запропонованих фазообертачів, розробці та вдосконаленні методів вимірювання електрофізичних параметрів діелектричних матеріалів, які використовуються для виготовлення фазообертачів.
Об’єктом дослідження є хвилеводні, гібридні та інтегральні пристрої НВЧ, які містять діелектричні матеріали у вигляді об’ємних частин конструкції та тонких плівок і які відіграють роль елемента керування.
Предметом дослідження є електродинамічні властивості і характеристики інтегральних та гібридних ліній передачі з використанням керованих діелектричних матеріалів, хвилеводів з частковим діелектричним заповненням, а також НВЧ властивості використовуваних матеріалів.
Задачі, які вирішувалися для досягнення поставленої мети:
–
розробка принципу п’єзоелектричного керування характеристиками поширення хвиль у хвилеводі з частковим діелектричним заповненням;
–
побудова електродинамічних моделей діелектричних інтегрального, гібридного та хвилеводного фазообертачів;
–
дослідження характеристик інтегральних ліній передачі на багатошарових діелектричних основах;
–
дослідження умов збудження та характеристик поширення вищих типів хвиль у хвилеводі з частковим діелектричним заповненням;
–
розробка безелектродного хвилеводного методу вимірювання електрофізичних параметрів тонких діелектричних плівок;
–
вдосконалення хвилеводного методу вимірювання електрофізичних параметрів діелектричних матеріалів на НВЧ.
Методика наукових досліджень включає методи аналізу і синтезу НВЧ-пристроїв, обчислювальні методи електродинаміки, чисельні методи розв’язання математичних задач на ЕОМ, аналітичне та натурне моделювання, методи вимірювання параметрів кіл НВЧ векторними панорамними вимірювачами.
Наукова новизна роботи полягає в тому, що:
–
показано доцільність використання діелектричних матеріалів у фазообертачах НВЧ, що дозволяє розширити діапазон робочих частот, покращити їх якісні та масо-габаритні показники;
–
показано високу чутливість пристроїв з п’єзоелектричним керуванням до малих змін повітряного зазору, запропонований принцип керування має чутливість, яка майже втричі перевищує показники відомих аналогів;
–
запропонована безелектродна методика вимірювання електрофізичних властивостей тонких сегнетоелектричних плівок в діапазоні НВЧ, яка дозволяє вимірювати власні властивості плівок, не спотворені металізацією;
–
вдосконалено хвилеводний метод вимірювання електрофізичних параметрів діелектричних матеріалів на НВЧ, що дозволяє з високою точністю визначати властивості матеріалів як з низькими, так і надвисокими значеннями діелектричної проникності.
Практична цінність дисертаційної роботи полягає в тому, що:
–
запропоновано, реалізовано практично і експериментально досліджено фазообертачі нового типу, які мають привабливіші характеристики, ніж існуючі;
–
розроблено комплекс алгоритмів та прикладних програм для розрахунку основних характеристик хвилеводних, інтегральних та гібридних діелектричних фазообертачів, які дозволяють автоматизувати процес проектування таких пристроїв;
–
розроблено і реалізовано недеструктивний безелектродний нерезонансний метод оперативного вимірювання комплексної діелектричної проникності тонких сегнетоелектричних плівок на діелектричних основах в діапазоні НВЧ у прямокутному хвилеводі;
–
вдосконалено метод вимірювання електрофізичних властивостей об’ємних матеріалів у прямокутному хвилеводі з використанням діелектричних трансформаторів імпедансу.
Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі узагальнено результати досліджень, виконаних здобувачем особисто та спільно з Ю.В. Прокопенком під керівництвом Ю.М. Поплавка, а також спільно з лабораторією неорганічних і тонких плівок Науково-технологічного університету м. Поханг (Республіка Корея). Особисто здобувачем виконано:
–
розроблено принцип п’єзоелектричного керування фазовим зсувом гібридних та хвилеводних фазообертачів за допомогою зміни величини повітряного включення;
–
створено електродинамічні моделі запропонованих структур та розроблено обчислювальні програми для автоматизації їх аналізу та проектування;
–
запропоновано конструкції діелектричних фазообертачів у вигляді інтегральних, гібридних та хвилеводних приладів, придатних до роботи у діапазоні надвисоких частот;
–
розроблено і реалізовано недеструктивний безелектродний нерезонансний метод оперативного вимірювання комплексної діелектричної проникності тонких сегнетоелектричних плівок на діелектричних основах в діапазоні НВЧ у прямокутному хвилеводі;
–
вдосконалено метод вимірювання електрофізичних властивостей об’ємних матеріалів у прямокутному хвилеводі з використанням діелектричних трансформаторів імпедансу.
Апробація роботи. Основні результати дисертації доповідалися і обговорювалися на Міжнародній конференції з НВЧ техніки, радіолокації та радіозв’язку МІКОН-2000 (2000р., Вроцлав, Польща), Міжнародних конференціях “НВЧ-техніка і телекомунікаційні технології КриМіКо” (2001р., 2002р., Севастополь), симпозіумі Material Research Society (2002р., Сан-Франциско, США), Симпозіумі по сегнетоелектричних матеріалах (2002р., Санкт-Петербург, Росія), Міжнародному мікрохвильовому симпозіумі (2003р., Філадельфія, США) та 61-й конференції “Похибки вимірювань” Advanced Radiofrequency Techniques Group (2003р., Боулдер, США).
Публікації. Основний зміст роботи викладено у 16 публікаціях регулярних видань та збірниках конференцій.
Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів з підсумками, висновків, викладених на 129 сторінках машинописного тексту, списку використаних джерел із 99 публікацій вітчизняної та зарубіжної літератури та додатку. Загальний обсяг дисертації — 146 сторінок. Робота містить 54 ілюстрації, 9 таблиць.
Основний зміст роботи
У вступі викладено загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність проблеми, сформульовано мету та основні завдання досліджень, викладено наукову новизну роботи, показано її практичну цінність та апробацію.
В першому розділі проведено огляд відомих принципів керування фазою надвисокочастотних коливань, наведено їх порівняльні характеристики, а також вказано на обмеження існуючих приладів та їх природу. На основі проведеного аналізу публікацій у вітчизняних та зарубіжних виданнях обґрунтовано вибір напрямку досліджень і визначені завдання дисертаційної роботи. Так, зроблено висновок, що недоліки аналогових фазообертачів переважно пов’язані з особливостями фізичного явища, використовуваного для керування фазою. Зокрема, використання феромагнітного резонансу феритових матеріалів утруднене на частотах близько 20 ГГц і вище. Напівпровідникові компоненти, такі, як pin-діоди здатні працювати і на більш високих частотах. Однак, принцип дії таких пристроїв ґрунтується на керуванні провідністю напівпровідникового матеріалу, що призводить до підвищених втрат електромагнітної енергії, особливо з переходом в діапазон міліметрових хвиль.
Тому за головний напрям дослідження взято пошук шляхів та принципів застосування діелектричних матеріалів як керуючих елементів фазообертачів НВЧ, оскільки явище поляризації діелектриків характеризується значно ширшим діапазоном частот. Особливий інтерес становить використання керованих діелектричних матеріалів, зокрема, сегнетоелектриків. Проте їх застосування пов’язане з багатьма технічними обмеженнями, такими як утруднене узгодження надвисоких значень діелектричної проникності сегнетоелектриків з іншими частинами конструкції, необхідність прикладення керуючих напруг величиною в кілька кіловольт та значні втрати електромагнітної енергії у сегнетоелектриках. Таким чином, принциповою причиною втрат є дисипативні втрати у керованому матеріалі, і їх не можна уникнути, оскільки вони зумовлені тим же фізичним явищем, що і керованість. Частково ця проблема розв’язується застосуванням матеріалів у параелектричній фазі. Разом з тим, привабливим виглядає пошук способів керування НВЧ приладами з використанням діелектричних матеріалів із низькими втратами, але не через безпосередній вплив на властивості матеріалу. Другий параграф першого розділу присвячений огляду матеріалів, придатних до використання у НВЧ-приладах, зокрема, лінійних діелектриків із підвищеними значеннями діелектричної проникності.
У другому розділі розроблено принцип п’єзоелектричного керування частковим діелектричним заповненням прямокутного хвилеводу, придатний для створення хвилеводних фазообертачів. Запропоновано можливі варіанти реалізації фазообертачів та викладено теоретичні засади їх електродинамічного аналізу з використанням уявлення поздовжніх хвиль. За допомогою розроблених електродинамічних моделей та прикладних програм проведено аналіз залежностей основних показників фазообертача від параметрів конструкції та властивостей використовуваних матеріалів, показано один із можливих шляхів розв’язання проблеми збудження вищих мод.
Оскільки дисипативні втрати електромагнітної енергії у діелектрику справляють вирішальний вплив рівень втрат у приладі в цілому, застосування для заповнення хвилеводу діелектричних матеріалів із низькими втратами дозволяє забезпечити високий ККД пристрою, що і було підтверджено експериментом (рис. ). Крім того, АЧХ пристрою зазнає незначних змін у процесі керування. При переміщеннях до 30 мкм було досягнуто максимальних диференціальних фазових зсувів від 25 до 200 град/см (рис. ).
а)
б)
Рис. . Виміряні АЧХ хвилеводного фазообертача. Хвилевод 2 мм.
а) діелектрична вставка з Al2O3;
б) діелектрична вставка з (Mg,Ca)TiO3. |
Рис. . Виміряна залежність відносного фазового зсуву від величини повітряного зазору (прикладеної до актюатора напруги). Частота f ГГц, хвилевод 2 мм. |
Найбільшою перевагою запропонованого пристрою є відсутність фундаментального обмеження діапазону робочих частот, тому з мінімальними модифікаціями така конструкція може бути поширена і в діапазон міліметрових хвиль.
У третьому розділі розроблено принципи побудови інтегральних фазообертачів НВЧ з використанням тонких діелектричних плівок та гібридних фазообертачів з п’єзомеханічним керуванням.
Порівняно успішним можна вважати досвід використання тонких сегнето- і параелектричних плівок для створення керованих пристроїв НВЧ. В оглянутих роботах повідомляється про можливість отримання прийнятних показників керованості та робляться припущення про можливі шляхи зменшення діелектричних втрат. Разом з тим, конструкція описаних в літературі експериментальних зразків зумовлена переважно можливостями доступних авторам технологій і не ґрунтується на дослідженні електромагнітних явищ, що мають місце. Тому одним із завдань роботи поставлено всебічне вивчення електродинамічних властивостей ліній передачі на багатошарових діелектричних основах, їх аналіз та розробка рекомендацій щодо покращення показників приладів на їх основі.
Для моделювання розподілу електромагнітного поля у поперечному перерізі та поздовжнього поширення електромагнітних хвиль у лінії передачі була поставлена двомірна задача. Електродинамічна задача формулюється у вигляді гіперболічного або еліптичного диференціального рівняння у часткових похідних із узагальненими граничними умовами Неймана. Для розв’язання диференціального рівняння використовується метод скінчених елементів. При цьому задача знаходження розподілу електромагнітного поля у поперечному перерізі для ТЕ та ТМ хвиль зводиться до проблеми власних значень. За описаною схемою розраховуються ефективні параметри ліній передачі такі, як ефективна діелектрична проникність, хвильове число та хвильовий опір. На їх основі з використанням матриць передачі розраховуються параметри пристрою в цілому.
Проведеним аналізом встановлено, що при використанні параелектриків як елемента керування інтегральною лінією передачі хвильовий опір керованої області приладу не тільки низький, порівняно з іншими ланками кола, а й зазнає суттєвих змін під час керування. Тому принциповим є використання широкосмугових узгоджуючих трансформаторів. Для їх аналізу та проектування розроблено алгоритм та реалізовано пакет прикладних програм. Також розроблено рекомендації щодо вибору власне керованої плівки та геометрії електродів пристрою. Експериментальний макет було реалізовано практично і досліджено за допомогою панорамного вимірювача на проб-станції. Копланарна лінія із золотих провідників сформована методом фотолітографії на поверхні плівки (Ba0.7Sr0.3)TiO3, товщиною 0.7мкм, нанесеної методом лазерної абляції на основу з оксиду магнію, товщиною 0.5мм. Виміряні характеристики пристрою показано на рис. . Наведені залежності підтверджують очікуваний ККД приладу. Досягнутий показник керування до 22 /см не є межею потенціальних можливостей і може бути покращений у кілька разів з урахуванням розроблених рекомендацій щодо параметрів плівки, основи та геометрії електродів.
Рис. . Виміряні залежності коефіцієнта відбиття інтег-рального фазообертача на параелектричній плівці. |
Рис. . Виміряні залежності коефіцієнта передачі інтег-рального фазообертача на параелектричній плівці. |
Рис. . Виміряна залежність фазового зсуву від керуючої напруги інтегрального фазо-обертача, довжина приладу 2.8 мм, частота — 10 ГГц.
В закордонних публікаціях останніх років повідомляється про спроби створення гібридних керованих приладів, у яких властивості інтегральної лінії передачі змінюються шляхом збурення електромагнітного поля лінії за допомогою рухомого діелектрика (рис. , а). Однак, запропоновані способи керування дозволяють отримати порівняно низьку його ефективність. Це пов’язано з тим, що в запропонованих схемах електромагнітне поле мікрополоскової лінії зосереджене переважно у міжелектродному просторі всередині основи і мало збурюється рухомим діелектриком. В даній роботі для покращення керованості пропонується вносити значні збурення в розподіл електромагнітного поля шляхом створення на шляху силових ліній поля сильних неоднорідностей. Стосовно мікрополоскової лінії бажаний ефект може бути досягнутий шляхом відривання від основи сигнального провідника, закріпленого на рухомій діелектричній пластині (рис. , б). При цьому величина максимального диференціального зсуву може бути збільшена майже в три разирис. , в).
Величина переміщень, необхідних для роботи пристрою, складає всього десятки мікрометрів (рис. , г), тому для їх реалізації можуть бути застосовані мініатюрні швидкодіючі п’єзоактюатори. Такий же принцип керування може бути поширений і на інші типи ліній передачі, такі, як копланарна та щілинна.
Вимірювання експериментального макета підтвердили високі показники максимального фазового зсуву на рівні 25–270 /см, в залежності від використовуваних матеріалів (рис. ), та високий ККД пристрою (рис. ).
Рис. . Гібридні фазообертачі з п’єзо-керуванням:
а) відома конструкція;
б) запропонований спосіб;
в) порівняльна характеристика відомого та запропонованого способів;
г) максимально можливий фазовий зсув в залежності від проникності рухомого діелектрика. |
Рис. . Виміряна залежність диференціального фазового зсуву гібридного фазообертача, частота — 10 ГГц. |
Рис. . Виміряні амплітудно-частотні характеристики гібридного фазообертача: а) коефіцієнт відбиття, б) коефіцієнт передачі. |
Четвертий розділ присвячено розробці спеціальних методів вимірювання діелектричної проникності та діелектричних втрат діелектричних матеріалів у вигляді об’ємних зразків та тонких плівок. Проблема вимірювання надвисоких значень діелектричної проникності та втрат, характерних для сегнето- та параелектричних матеріалів, становить окремий науковий інтерес, однак в даній роботі поставлена з огляду на потребу роботи з мішенями, використовуваними для нанесення тонких плівок. Для вимірювання об’ємних матеріалів вдосконалено нерезонансний хвилеводний метод передачі/короткого замикання відрізка лінії передачі з використанням діелектричних трансформаторів. Розроблено моделі багатошарового діелектричного заповнення прямокутного хвилеводу, придатні для машинної автоматизації розрахунків. Досліджено можливість часткового заповнення вимірювальної камери досліджуваним матеріалом та сформульовані відповідні електродинамічні моделі, розроблені алгоритми та прикладні програми. Особливістю запропонованого методу є зняття надлишкових даних, а саме реєстрація частотної залежності коефіцієнта передачі/відбиття та фазові вимірювання, які виконуються за допомогою векторного панорамного вимірювача. Зняті у такий спосіб дані обробляються методом найменших квадратів з використанням вагової функції, що підсилює вплив характерних областей частотних характеристик. При цьому оптимізаційна процедура дозволяє визначати крім власне діелектричної проникності та втрат ще й параметри дисперсії в рамках закладених моделей. Вимірювання базових матеріалів відповідають довідковим відомостям.
Важливою практичною проблемою є вимірювання властивостей тонких інтегральних плівок. Ця задача традиційно вирішувалася електродними методами вимірювань. Формування на поверхні плівки електродної системи зустрічно-штирьового конденсатора чи лінії передачі призводить до зміни природних властивостей самої плівки, а виміряні такими методами параметри містять внесок інтерфейсу метал–плівка, властивості якого важко піддаються врахуванню у розрахункових моделях. Тому актуальною є проблема створення недеструктивного безелектродного методу вимірювання властивостей тонких інтегральних плівок. Для її розв’язання запропоновано хвилеводний метод, особливістю якого є поздовжнє розміщення досліджуваного зразка у вимірювальній камері оригінальної конструкції, що забезпечує тісну взаємодію електромагнітного поля із вимірюваною плівкою. Як і у випадку об’ємних матеріалів, проводиться вимірювання частотної залежності параметрів розсіяння та подальша обробка знятих даних. Практичні вимірювання у сантиметровому діапазоні довжин хвиль доводять ефективність методу при вимірюванні плівок товщиною близько 1 мкм на основах товщиною 0.2–0.5мм.
Основні результати та висновки
В роботі розроблено теоретичні засади створення фазообертачів надвисоких частот із використанням діелектричних матеріалів як елемента керування та розв’язано такі проблеми:
1.
Показано доцільність використання діелектричних матеріалів у фазообертачах НВЧ. Застосування діелектриків дозволяє розширити діапазон робочих частот фазообертачів, зменшити втрати електромагнітної енергії, покращити масо-габаритні показники та підвищити надійність.
2.
Запропоновано принцип п’єзоелектричного керування хвилеводним діелектричним фазообертачем. Керування повітряним зазором у частково заповненому діелектриком хвилеводі має високу чутливість і вносить незначні втрати електромагнітної енергії, які переважно визначаються властивостями використовуваних матеріалів.
3.
Спосіб п’єзоелектричного керування фазовим зсувом передаваної хвилі поширено на гібридну конструкцію. Керування величиною повітряного зазору між діелектричною основою та сигнальним провідником мікрополоскової або копланарної лінії проявляє вискоку чутливість і вносить незначні втрати. При цьому величина керованого зазору, необхідного для ефективної роботи пристрою, складає всього кілька десятків мікрометрів. Тому в таких пристроях можуть бути застосовані низьковольтні, малогабаритні і швидкодіючі п’єзоелементи.
4.
Побудовано електродинамічні моделі діелектричних хвилеводного, гібридного та інтегрального фазообертачів. На основі отриманих моделей розроблено комплекс алгоритмів та прикладних програм для розрахунку основних характеристик запропонованих фазообертачів, що дозволяє автоматизувати процес їх проектування.
5.
З використанням розроблених електродинамічних моделей та програмних засобів проведено дослідження умов збудження та характеристик поширення вищих типів хвиль у хвилеводі з частковим діелектричним заповненням, запропоновано шляхи запобігання збудженню вищих типів хвиль у хвилеводному фазообертачі у процесі його роботи.
6.
Проведено теоретичне дослідження характеристик інтегральних ліній передачі на багатошарових діелектричних основах. В результаті аналізу режимів роботи інтегрального фазообертача на основі керованої параелектричної плівки, встановлена необхідність використання широкосмугового узгоджуючого трансформатора. Запропоновано алгоритм автоматизації проектування таких ланок.
7.
Проведено експериментальне дослідження запропонованих конструкцій фазообертачів. Результати вимірювань показують високу ефективність запропонованих конструкцій, добре узгоджуються з теоретичними прогнозами і підтверджують правильність виконаних розрахунків.
8.
Розроблено нерезонансний безелектродний хвилеводний метод вимірювання електрофізичних параметрів тонких діелектричних плівок на діелектричних основах. Запропонований метод використовується для оперативного недеструктивного контролю властивостей тонких плівок. Проведені дослідження дали змогу виробити рекомендації щодо покращення складу та технології виготовлення плівок.
9.
Удосконалено хвилеводний метод вимірювання електрофізичних параметрів діелектричних матеріалів на НВЧ. Завдяки зняттю надлишкових даних та спеціальній процедурі обробки результатів вимірювання сфера застосування методу поширюється як на матеріали з низькими значеннями діелектричної проникності та втрат, так і на матеріали з високими значеннями діелектричної проникності або втрат, наприклад, сегнетоелектрик. Передбачено можливість використання малих зразків вимірюваних матеріалів, якщо не можна отримати зразок, що повністю перекриває поперечний переріз хвилеводу.
Список опублікованих праць за темою дисертації
1.
Казмиренко В.А., Прокопенко Ю.В. Влияние дисперсии электрофизических параметров материалов на поглощающие свойства абсорбирующих покрытий // “Электроника и связь”. 1999.– №6, том II.– с.75–80.
Особиста участь здобувача: досліджено можливості застосування діелектричних матеріалів із спеціальними законами дисперсії діелектричної проникності.
2.
Kazmirenko , ProkopenkoPereverzevaPoplavkoKimJeong M., Baik.Waveguide methods for ferroelectric materials measurement at microwaves // “Электроника и связь”.– 2001.– №10.– с. 137–139.
Особиста участь здобувача: розроблено теоретичні моделі методів вимірювання об’ємних матеріалів та тонких плівок, участь у експерименті та обробка результатів вимірювань.
3.
Молчанов В.І., Пашков В.М., Татарчук Д.Д., Прокопенко Ю.В., Казміренко В.А. Термостабільність напівпровідникових комбінованих структур з діелектричним резонансом Е-типу // ”Электроника и связь”.– 2001.– №12.– С.30–32.
Особиста участь здобувача: участь у експерименті та обробка результатів вимірювань.
4.
Казміренко В.А., Поплавко Ю.М., Прокопенко Ю.В., Кім Б., Бек С.. Особливості дослідження сегнетоелектриків у хвилеводах НВЧ // ”Электроника и связь”.–2002.– №14.– с.133–135.
Особиста участь здобувача: розроблено теоретичні моделі методів вимірювання, розроблено теоретичні засади використання діелектричних трансформаторів у широкому діапазоні частот.
5.
Поплавко Ю.М., Казмиренко В.А., Прокопенко Ю.В., Голубева И.П., Джонг М., Бек С. Диэлектрический фазовращатель с пьезоуправлением // ”Электроника и связь”.– 2002.– №15, с. 117–120.
Особиста участь здобувача: розроблено електродинамічні моделі хвилеводних діелектричних фазообертачів з п’єзокеруванням, участь у експерименті та обробка результатів вимірювань.
6.
Казмиренко В.А. Быстрый метод анализа и проектирования согласующих цепей СВЧ // ”Электроника и связь”.– 2003.– №18.
7.
Поплавко Ю.М., Казмиренко В.А., Прокопенко Ю.В., Голубева И.П., Джонг М., Бек С. Гибридные диэлектрические фазовращатели с пьезоуправлением // ”Электроника и связь”.– 2003.– №18.
Особиста участь здобувача: розроблено електродинамічні моделі гібридних діелектричних фазообертачів з п’єзокеруванням, участь у експерименті та обробка результатів вимірювань.
8.
Kim B., Jeong M., Baik S., Kazmirenko V., Prokopenko Y., Pereverzeva L., Poplavko Y. Microwave investigation of ferroelectric bulk and film materials // 11th International Conference on Microwave and Telecommunication Technology CriMiCo 2001.–2001– P. 600–603.
9.
Кazmirenko V., Prokopenko Y., Pereverzeva L., Poplavko Y., Kim B., Jeong M., Baik S. Measurement of bulk and film ferroelectric materials properties at microwaves // 14th International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications, MIKON-2002.– 2002,– Vol. 2.– P. 397–400.
10.
Kim B., Kazmirenko V., JeongPoplavko Y., Baik, S. Microwave Dielectric Spectroscopy of Ferroelectric Thin Films // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 720.–2002.– P. H3.2.1–H3.2.6.
11.
Kazmirenko, V., Poplavko, Y., Pereverzeva, L., Prokopenko, Y., Kim, B., Jeong,Baik, S. Ferroelectric Thin Film Microwave Examination // 7th Russia-CIS-Baltic-Japan Symposium On Ferroelectricity.–2002.– P. 193.
12.
Poplavko Y., Kazmirenko V., Prokopenko Y., JeongKim B., Baik S. Contemporary Waveguide Technique for Ferroelectric Materials Study with Vector Network Analyzer // 61-st ARFTG conference “Measurement Accuracy”, Boulder. 2003.
Особиста участь здобувача: розроблено електродинамічні засади методів вимірювання діелектричних матеріалів у вигляді тонких плівок та об’ємних зразків у прямокутному хвилеводі з використанням векторного панорамного вимірювача; застосування узгоджуючих трансформаторів поширено на широкосмугові вимірювання.
13.
Kazmirenko V., Prokopenko Y., Poplavko Y., Kim B., Jeong M., Baik S. Microwave coplanar line phase shifter with paraelectric film (method of analysis)11th International Conference on Microwave and Telecommunication Technology CriMiCo 2001.–2001, P. 467–469.
Особиста участь здобувача: розроблено електродинамічну модель інтегрального фазообертача, розрахунок характеристик інтегрального фазообертача.
14.
Poplavko Y., Prokopenko Y., Kazmirenko V., Kim B., Jeong M., Baik S. Low loss phase shifter based on piezocontrolled dielectric composite // 12th International Conference on Microwave and Telecommunication Technology CriMiCo 2002.– 2002.– P. 376–378.
15.
Jeong M., Kazmirenko V., Poplavko Y., Kim B., Baik S. Electrically Tunable Phase Shifters With Air-Dielectric Sandwich Structure // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 720.–2002.– P. H3.12.1–H3.12.6.
16.
Poplavko Y., Kazmirenko V., Prokopenko Y., JeongBaik S. Low Loss Phase Shifter Based on Piezo-Controlled Layered Dielectric Structure // International Microwave Symposium, Philadelphia.– 2003.– Р. 437–440.
Особиста участь здобувача: розроблено електродинамічну модель фазообертача, проведено розрахунок характеристик, участь у експерименті, обробка результатів вимірювань.
Анотації
Казміренко В.А. Діелектричні фазообертачі надвисоких частот. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 5.27.01 – твердотільна електроніка. – Національний технічний університет України “КПІ”, Київ, .
Дисертація присвячена розробці принципів створення фазообертачів діапазону НВЧ з використанням діелектриків як елемента керування.
Запропоновано спосіб п’єзомеханічного керування сталою поширення у хвилеводі із частковим діелектричним заповненням, придатний для створення фазообертачів. Проаналізована чутливість різних типів хвиль до керуючого фактора, запропоновано заходи щодо покращення чутливості нижчого типу коливань та придушення вищих типів хвиль. Важливою перевагою запропонованого фазообертача є відсутність фундаментального обмеження діапазону робочих частот, тому з незначними змінами конструкція може бути застосована і на більш високих частотах.
Розроблені електродинамічні моделі інтегральних ліній передачі на багатошарових діелектричних основах, проведено аналіз фазообертачів з їх використанням. Встановлено необхідність використання широкосмугових узгоджуючих трансформаторів, розроблено алгоритм їх аналізу та проектування. Розроблені рекомендації щодо вибору параметрів керованої плівки, основи та геометрії електродів.
Запропоновано спосіб майже трикратного підвищення ефективності керування гібридними фазообертачами за рахунок сильного збурення електромагнітного поля лінії шляхом уведення сильної неоднорідності у вигляді повітряного зазору змінної ширини, а саме шляхом відриву від основи сигнального провідника мікрополоскової лінії, закріпленого на рухомій діелектричній пластині.
Проведені дослідження дозволили запропонувати принципи створення діелектричних фазообертачів НВЧ, які відрізняються високими показниками і мають ширший діапазон робочих частот.
Для вимірювання параметрів об’ємних матеріалів з високими значеннями діелектричної проникності та втрат вдосконалено хвилеводний нерезонансний метод передачі/короткого замикання відрізка лінії передачі з використанням діелектричних трансформаторів.
Для вимірювання параметрів тонких інтегральних діелектричних плівок розроблено оригінальний хвилеводний безелектродний метод недеструктивного контролю.
Ключові слова: фазообертач, надвисокі частоти, діелектрик, параелектрик, тонка плівка, п’єзоактюатор.
Казмиренко В.А. Диэлектрические фазовращатели сверхвысоких частот. _ Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 5.27.01 _твердотельная электроника. Национальный технический университет Украины “КПИ”, Киев, .
Диссертация посвящена разработке принципов создания фазовращателей диапазона СВЧ с использованием диэлектрических материалов в качестве элемента управления.
Предложен способ пьезомеханического управления постоянной распространения в волноводе с частичным диэлектрическим заполнением, пригодный для создания фазовращателей СВЧ диапазона. Проанализирована чувствительность различных типов колебаний к величине управляющего параметра в виде воздушного зазора и разработаны предложения, направленные на повышение чувствительности основного типа колебаний и подавление высших типов волн. Приведенные экспериментальные амплитудо-частотные и управляющие характеристики опытного макета демонстрируют значения дифференциальных фазовых сдвигов от 25 до 200 /см в зависимости от используемого в качестве заполнителя материала, а также передачу на уровне _.5..–2 дБ в сантиметровом диапазоне длин волн. Приемлемые величины дифференциального фазового сдвига достигаются при перемещении заполняющего волновод диэлектрика на расстояние в десятки микрометров, что позволяет использовать в качестве привода быстродействующие миниатюрные пьезоэлектрические актюаторы. Важной особенностью предложенного фазовращателя является отсутствие фундаментального ограничения диапазона рабочих частот, поэтому с небольшими изменениями конструкция может быть использована и на более высоких частотах.
Разработаны электродинамические модели интегральных линий передачи на многослойных диэлектрических подложках. С использованием разработанных моделей и прикладных программ на их основе проведен анализ характеристик фазовращателей, построенных с использованием интегральных линий передачи, нанесенных на параэлектрические пленки. Установлена необходимость использования в таких устройствах широкополосного согласования и разработан алгоритм анализа и проектирования согласующих переходов. Выработаны рекомендации по выбору параметров подложки, управляемой пленки и геометрии электродов. Представлены результаты исследования экспериментального образца в сантиметровом диапазоне, получены значения дифференциального фазового сдвига до 22 /см, уровень передачи порядка –1.8 дБ при отражении -8..-20 дБ.
Предложен способ повышения эффективности управления гибридными фазовращателями, совместимыми с интегральными компонентами. Улучшение чувствительности достигнуто за счет сильного возмещения электромагнитного поля путем введения на пути силовых линий поля сильной неоднородности в виде воздушного зазора переменной ширины. Это позволяет повысить максимальный фазовый сдвиг почти в три раза по сравнению с известными способами. Конструктивно это достигается путем отрыва от подложки сигнального электрода микрополосковой линии, закрепленного на подвижной диэлектрической пластине. При этом величина необходимых перемещений составляет десятки микрометров, что может быть реализовано с помощью быстродействующих миниатюрных пьезоэлектрических актюаторов.
Представленные результаты измерений экспериментального макета в зависимости от использованных материалов демонстрируют дифференциальные фазовые сдвиги от 25 до 270 /см, передачу на уровне -1..-3 дБ в широком диапазоне частот при отражении порядка -10 дБ.
Проведенные исследования позволили предложить принципы создания диэлектрических фазовращателей СВЧ, отличающихся высокими показателями и имеющих более широкий диапазон рабочих частот.
Для измерения параметров объемных материалов с высокими значениями диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь усовершенствован волноводный нерезонансный метод передачи/короткого замыкания отрезка линии передачи с использованием диэлектрических трансформаторов. Снятие избыточных данных при амплитудно-фазовых измерениях параметров рассеяния с последующей обработкой по методу наименьших квадратов с весовой функцией специального вида позволяет не только с высокой точностью измерять величину диэлектрической проницаемости и потерь, но и определять параметры дисперсии этих величин в рамках заложенных моделей.
Для измерения параметров тонких интегральных диэлектрических пленок на диэлектрических подложках разработан оригинальный волноводный безэлектродный метод недеструктивного контроля. Для усиления взаимодействия электромагнитной волны с исследуемой пленкой, исследуемый образец помещается в измерительную камеру в виде отрезка волновода в центре вдоль его продольной оси. Практические измерения в сантиметровом диапазоне подтверждают эффективность метода при измерении пленок толщиной порядка 1 мкм на подложках толщиной 0.2–0.5мм.
Ключевые слова: фазовращатель, сверхвысокие частоты, диэлектрик, параэлектрик, тонкая пленка, пьезоактюатор.
Kazmirenko V.А. Microwave dielectric phase shifters. – Manuscript.
PhD thesis on speciality 5.27.01 – solid-state electronics. National technical university of Ukraine KPI, Kiev, .
The thesis describes principles of microwave dielectric phase shifters design and creation.
The work describes the way of piezomechanical control over propagation constant in waveguide, partially loaded with dielectric. Sensitivity of different modes to control factor is analysed, as well as directions for its increase and high order modes suppression were proposed. The advantage of proposed method is absence of fundamental frequency limitation.
Electromagnetic models were elaborated for integral transmission lines based on multilayered dielectric substrates. Properties of integral phase shifters based on tunable films were analysed. It was concluded that broadband matching section is essential part of the device. Algorithm for such transformer analysis and design was developed. There were developed directions for proper selection of tunable film, substrate and electrodes layout.
Proposed method for triple increase of hybrid phase shifters tunability, based on strong electromagnetic field perturbation with substantial discontinuity in the form of air gap of variable width. For that purpose the signal electrode of microstrip line is detached from substrate together with moving dielectric plate.
Performed research made it possible to propose principles of microwave dielectric phase shifters design and creation.
Waveguide nonresonant measurement method with dielectric transformers was improved in order to provide measurement of materials with extremely high permittivity and/or loss.
For thin integrated dielectric films examination original waveguide method of electrodeless non-destructive measurement was developed.
Keywords: phase shifter, microwave, dielectric, paraelectric, thin film, piezoactuator.
