專利名稱：電壓可調(diào)共面相移器的制作方法
相關(guān)專利申請(qǐng)的交叉索引本發(fā)明要求于1999年8月24日申請(qǐng)的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)No.60/150,618的利益。
一個(gè)已知類型的相移器是微帶線相移器。利用可調(diào)諧介質(zhì)材料的微帶線相移器的示例被顯示在美國(guó)專利序列號(hào)No.5,212,463；5,451,567，和5,479,139。這些專利申請(qǐng)公開了帶有一個(gè)電壓可調(diào)鐵電材料的微帶線來改變一個(gè)電磁波導(dǎo)波的傳播速度。
可調(diào)鐵電材料是其介電常數(shù)(更一般地被稱作介電常數(shù))可以通過改變施加到該材料上的一個(gè)電場(chǎng)的強(qiáng)度而被改變的材料。即使這些材料工作在居里點(diǎn)溫度以上的仲電相位(paraelectric phase)，它們一般也被方便地稱作“鐵電的”，因?yàn)樗鼈冊(cè)诘陀诰永稂c(diǎn)溫度以下具有自發(fā)的極化。包括鋇鍶鈦酸鹽(BST)或者BST化合物的可調(diào)鐵電材料已經(jīng)成為幾個(gè)專利中的主題。
包括鋇鍶鈦酸鹽的介質(zhì)材料被公開在美國(guó)專利號(hào)No.5,312,790，其專利申請(qǐng)人是Sengupta等等，題目為”Ceramic Ferroelectric Material”；美國(guó)專利號(hào)No.5,427,998，其專利申請(qǐng)人是Sengupta等等，題目為”CeramicFerroelectric Composite Material-BSTO-MgO”；美國(guó)專利號(hào)No.5,486,491，其專利申請(qǐng)人是Sengupta等等，題目為”Ceramic FerroelectricComposite Material-BSTO-ZrO2”；美國(guó)專利號(hào)No.5,635,434，其專利申請(qǐng)人是Sengupta等等，題目為”Ceramic Ferroelectric CompositeMaterial-BSTO-Magnesium Based Compound”；美國(guó)專利號(hào)No.5,830,591，其專利申請(qǐng)人是Sengupta等等，題目為”MultilayeredFerroelectric Composite Waveguide”；美國(guó)專利號(hào)No.5,846,893，其專利申請(qǐng)人是Sengupta等等，題目為”Thin Film Ferroelectric Compositesand Method of Making”；美國(guó)專利號(hào)No.5,766,697，其專利申請(qǐng)人是Sengupta等等，題目為”Method of making Thin Film Composites”；美國(guó)專利號(hào)No.5,693,429，其專利申請(qǐng)人是Sengupta等等，題目為”Electronically Graded Multilayer Ferroelectric Composites”；和美國(guó)專利號(hào)No.5,635,433，其專利申請(qǐng)人是Sengupta等等，題目為”CeramicFerroelectric Composite Material-BSTO-ZnO”。由此，這些專利在這里被用作參考。一個(gè)共同待審的、同樣是被Sengupta在2000年6月15日申請(qǐng)的、共同分配的美國(guó)專利申請(qǐng)、題為”Electronically Tunable CeramicMaterials Including Tunable Dielectric and Metal Silicate Phases”，公開了其它的可調(diào)介質(zhì)材料，并且在這里也被用作參考。在這些專利中所顯示的材料，特別是BSTO-MgO化合物，顯示了低的介質(zhì)損耗和高的可調(diào)節(jié)性?？烧{(diào)節(jié)性被定義為介電常數(shù)隨所施加電壓的微小改變。
可調(diào)節(jié)相移器被用于很多電子應(yīng)用中，例如相控陣列天線中的束定向。一個(gè)相控陣列指由很多數(shù)目的部件組成的一個(gè)天線結(jié)構(gòu)，它們發(fā)射被進(jìn)行相位控制的信號(hào)來形成一個(gè)無線電波束。通過對(duì)每一個(gè)天線部件的相對(duì)相位進(jìn)行主動(dòng)操作就可以用電子的方式來控制無線信號(hào)的方向。相移器在相控陣列天線中起關(guān)鍵作用。電子束定向的概念用于一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收器所使用的天線。與機(jī)械天線相比，相控陣列天線在速度，準(zhǔn)確性和可靠性上是有利的。用電子掃描天線中的電子相移器來替代機(jī)械掃描天線中的萬向接頭增加了國(guó)防系統(tǒng)中所使用的天線的抗毀性，這是通過更快速的和準(zhǔn)確的目標(biāo)識(shí)別來完成的。通過使用一個(gè)相控陣列天線系統(tǒng)，也可以快速地和準(zhǔn)確地進(jìn)行復(fù)雜的跟蹤演習(xí)。
美國(guó)專利號(hào)No.5,617,103公開了利用鐵電相移部件的一個(gè)鐵電相位移動(dòng)天線陣列。在該專利中所公開的這個(gè)天線利用了一個(gè)結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)鐵電相移器被集成到帶多個(gè)片狀天線的一單個(gè)襯底上。利用電子相移器的相控陣列天線的附加示例可以被在美國(guó)專利No.5,079,557；5,218,358；5,557,286；5,589,845；5,617,103；5,917,455；和5,940,030中找到。
美國(guó)專利號(hào)No.5,472,935和6,078,827公開了共面波導(dǎo)，其中高溫超導(dǎo)材料的一個(gè)導(dǎo)體被安裝在一個(gè)可調(diào)的介質(zhì)材料上。使用這樣一個(gè)器件需要將其冷卻到一個(gè)相對(duì)比較低的溫度。另外，美國(guó)專利號(hào)No.5,472,935和6,078,827公開了可調(diào)SrTiO3薄膜，或者具有較高比例Sr的(Ba，Sr)TiO3的使用。ST和BST具有很高的介電常數(shù)，而這可以導(dǎo)致較低的特征阻抗。這使得必須將低阻抗的相移器變換為共同使用的50歐姆阻抗。
可以工作在室溫條件下的低成本相移器可以大大地改善相控陣列天線的性能，并且降低相控陣列天線的成本。而這將在幫助將該先進(jìn)的技術(shù)從近年軍事領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用轉(zhuǎn)移到商業(yè)應(yīng)用中起到重要的作用。
所以就需要一個(gè)電可調(diào)相移器，它能夠在K波段和Ka波段(分別是18GHz到27GHz和27GHz到40GHz)時(shí)在室溫下進(jìn)行工作，而保持很高的Q因子，并且具有能夠與已經(jīng)存在電路兼容的特征阻抗。
本發(fā)明也包括了一個(gè)反射終結(jié)共面波導(dǎo)相移器，該相移器包括一個(gè)襯底，其介電常數(shù)在70到600之間的一個(gè)可調(diào)介質(zhì)薄膜，該介質(zhì)薄膜的可調(diào)節(jié)范圍在20％到60％之間，其在K和Ka波段的損耗正切在0.008到0.03之間，該可調(diào)介質(zhì)薄膜被放置在該襯底的一個(gè)表面上，該相移器也包括被放置在可調(diào)介質(zhì)薄膜上、與該襯底相對(duì)的一個(gè)表面上的第一和第二開路共面波導(dǎo)線，用于將一個(gè)無線頻率信號(hào)耦合到該第一和第二共面波導(dǎo)線并且從其中輸出一個(gè)無線頻率信號(hào)的一個(gè)微帶線，和用于將一個(gè)控制電壓施加到該可調(diào)介質(zhì)薄膜上的一個(gè)連接。
形成該共面波導(dǎo)的導(dǎo)體工作在室溫條件下。在很寬的頻率范圍內(nèi)，本發(fā)明的共面相移器可以被用于相控陣列天線。這里，這些器件在設(shè)計(jì)上是獨(dú)特的，并且具有很低的插入損耗，即使在K和Ka波段。這些器件利用了低損耗可調(diào)薄膜介質(zhì)部件。


圖10是根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)造的另一個(gè)相移器的一個(gè)頂部視圖；圖11是圖10中相移器沿線11-11的一個(gè)橫切面剖視圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)造的另一個(gè)相移器的一個(gè)等角投影視圖；和圖13是根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)造的一個(gè)相移器陣列的一個(gè)等角投影分解視圖。
圖1是根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)造的一個(gè)反射相移器的一個(gè)頂部視圖。圖2是圖1中相移器沿線2-2的一個(gè)橫切面剖視圖。圖1和2的實(shí)施方式是一個(gè)20GHz K波段360度反射共面波導(dǎo)相移器10。這個(gè)相移器10具有被連接到一個(gè)50歐姆微帶線14的一個(gè)輸入/輸出12。這個(gè)50歐姆微帶線14包括一第一直線16和2個(gè)四分之一微帶線18，20，每一個(gè)四分之一微帶線的特征阻抗大約是70歐姆。微帶線14被安裝在具有一個(gè)比較低的介電常數(shù)的一個(gè)襯底22上。這2個(gè)四分之一微帶線18，20被變換到共面波導(dǎo)(CPW)24和26，并且將線16匹配到共面波導(dǎo)24和26。每一個(gè)CPW分別包括一個(gè)中心帶28和30，和在這些微帶線的每邊包括形成一個(gè)接地平面36的兩個(gè)導(dǎo)體32和34。接地平面導(dǎo)體與相鄰的微帶線相互隔開，其間隙是38，40，42和44。共面波導(dǎo)24和26的特征阻抗分別是大約Z24＝15歐姆和Z26＝18歐姆。通過使用其中心線的寬度約有差異的微帶線，就可以獲得不同的阻抗。共面波導(dǎo)24和26是作為振蕩器而工作的。每一個(gè)共面波導(dǎo)被放置在一個(gè)可調(diào)介質(zhì)層46上。形成接地平面的這些導(dǎo)體在這個(gè)組件的邊緣被相互連接在一起。波導(dǎo)24和26終結(jié)在開路端48和50。
阻抗Z24和Z26與零偏置電壓相應(yīng)。共面波導(dǎo)振蕩器的振蕩頻率稍有差異，并且是被電氣長(zhǎng)度λ24和λ26所決定的。當(dāng)相移器在一個(gè)寬帶寬范圍工作時(shí)，阻抗Z24和Z26的輕微差異對(duì)減小相位誤差是有幫助的。相位移動(dòng)是介電常數(shù)調(diào)節(jié)的結(jié)果，該介電常數(shù)的調(diào)節(jié)是被施加到共面波導(dǎo)24和26的間隙上的一個(gè)DC控制電壓52(也稱作偏置電壓)所控制的。電感54和56被包括在偏置電路58中，以阻擋DC偏置電路中的無線頻率信號(hào)。
電氣長(zhǎng)度λ24和λ26和跨越共面波導(dǎo)間隙上的偏置電壓決定了這個(gè)器件所產(chǎn)生的相位移動(dòng)的數(shù)量和工作頻率?？烧{(diào)介質(zhì)層被安裝在一個(gè)襯底22上，并且共面波導(dǎo)和微帶線的接地平面通過襯底的側(cè)邊緣而被連接在一起。被施加到這個(gè)相移器的輸入上的一個(gè)無線頻率(RF)信號(hào)在共面波導(dǎo)的開路端被反射。在優(yōu)選實(shí)施方式中，微帶線和共面波導(dǎo)是通過電子束非接觸蝕刻處理技術(shù)用2微米厚的金層做的，并且?guī)б粋€(gè)10nm厚的鈦吸附層。但是，其他蝕刻處理技術(shù)，例如干法蝕刻可以被用于產(chǎn)生該圖案。微帶線的寬度決定于襯底和可調(diào)薄膜，并且可以被進(jìn)行調(diào)節(jié)來獲得所希望的特征阻抗。導(dǎo)電性帶和接地平面電極也可以是用銀，銅，鉑，釕氧化物或者其他與該可調(diào)介質(zhì)薄膜兼容的材料做的。該電極必須有一個(gè)緩沖層，這取決于被用于構(gòu)造這個(gè)器件的電極可調(diào)薄膜系統(tǒng)和處理技術(shù)。
在本發(fā)明的相移器的優(yōu)選實(shí)施方式中所使用的可調(diào)介質(zhì)的介電常數(shù)比傳統(tǒng)的可調(diào)材料的介電常數(shù)低。這個(gè)介電常數(shù)可以以20V/微米的速度從20％到70％進(jìn)行改變，典型的大約是50％。偏置電壓的幅度隨間隙的大小而進(jìn)行改變，并且對(duì)一個(gè)20微米的間隙來說，其典型的范圍是大約300到400V。較低的偏置電壓有很多優(yōu)點(diǎn)，但是所需的偏置電壓取決于這個(gè)器件的結(jié)構(gòu)和材料。本發(fā)明中的相移器被設(shè)計(jì)成能夠進(jìn)行360度的相位移動(dòng)。介電常數(shù)的范圍可以是從70到600V，并且典型的是從300到500V。在優(yōu)選實(shí)施方式中，可調(diào)介質(zhì)是一個(gè)基于鋇鍶鈦酸鹽(BST)的薄膜，在零偏置電壓的條件下，其介電常數(shù)大約是500。優(yōu)選的材料將具有很高的可調(diào)節(jié)性，和低的損耗。但是，通常，可調(diào)材料具有較高的可調(diào)性和較高的損耗。這些優(yōu)選實(shí)施方式利用了其調(diào)節(jié)范圍在50％的材料，并且其損耗是盡可能的低，當(dāng)頻率是24GHz時(shí)，其范圍是(損耗正切)0.01到0.03。更具體地說，在優(yōu)選實(shí)施方式中，這個(gè)材料的成分是鋇鍶鈦酸鹽(BaxSr1-xTiO3，BSTO，其中x小于1)，或者BSTO化合物，其介電常數(shù)是從70到600，其可調(diào)范圍從20到60％，在K波段和Ka波段其損耗正切是從0.008到0.03?？烧{(diào)介質(zhì)層可以是一個(gè)薄膜也可以是一個(gè)厚膜。具有所需要性能參數(shù)的這種BSTO化合物的示例包括，但是不局限于BSTO-MgO，BSTO-MgAl2O4，BSTO-CaTiO3，BSTO-MgTiO3，BSTO-MgSrZrTiO6，和其混合物。圖3是圖1和圖2中相移器的等價(jià)電路的一個(gè)示意圖。
本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的K波段和Ka波段共面波導(dǎo)相移器被制造在一個(gè)可調(diào)介質(zhì)薄膜上，其介電常數(shù)(電容率)ε在零偏置電壓下大約是300到500，并且可調(diào)介質(zhì)薄膜的厚度大約是10微米。但是，也可以使用可調(diào)介質(zhì)薄膜或者厚膜。僅在CPW的區(qū)域內(nèi)，該薄膜被淀積在一個(gè)厚度是0.25mm的低介電常數(shù)襯底MgO上。為了進(jìn)行描述，該介電常數(shù)低于25。MgO的介電常數(shù)大約是10。但是，這個(gè)襯底也可以使用其他的材料，例如LaAlO3，藍(lán)寶石，Al2O3和其他陶瓷材料?？烧{(diào)介質(zhì)材料薄膜的厚度可以被從1到15微米的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這取決于淀積方法。對(duì)這個(gè)襯底的主要要求是他們的化學(xué)穩(wěn)定性， 在薄膜燃燒溫度(～1200℃)下與可調(diào)薄膜的化學(xué)反應(yīng)，及在工作頻率下的介質(zhì)損耗(損耗正切)。
圖4是根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)造的一個(gè)30GHz共面波導(dǎo)相移器裝置60的一個(gè)頂部視圖。圖5是圖4中相移器裝置60沿線5-5的一個(gè)橫切面剖視圖。相移器裝置60是使用與對(duì)圖1和圖2的相移器而提出的類似的一個(gè)可調(diào)介質(zhì)薄膜和襯底所制造的。裝置60包括一個(gè)主共面波導(dǎo)62，該共面波導(dǎo)62包括一個(gè)中心線64和與中心線64是用間隙70和72而分開的一對(duì)接地平面導(dǎo)體66和68。該共面波導(dǎo)的中心部分74的特征阻抗大約是20歐姆。2個(gè)逐漸變細(xì)的匹配部分76和78被放置在波導(dǎo)的兩端，并且形成阻抗變換器以將20歐姆的阻抗變換為50歐姆的阻抗。共面波導(dǎo)62被放置在可調(diào)介質(zhì)材料層80上。導(dǎo)電電極66和68也被放置在可調(diào)介質(zhì)材料層上并且形成CPW接地平面。附加的接地平面電極82和84也被放置在可調(diào)介質(zhì)材料80的表面上。電極82和84也圍繞這個(gè)波導(dǎo)的邊緣進(jìn)行延伸，如圖5所顯示的。電極66和68分別通過間隙86和88與電極82和84分開。間隙86和88阻擋DC電壓，以致DC電壓可以被偏置在CPW的間隙上。對(duì)其介電常數(shù)是從大約200到400和對(duì)一個(gè)MgO襯底來說，中心線的寬度和間隙大約是10到60微米?？烧{(diào)介質(zhì)材料80被放置在其介電常數(shù)比較低(大約10)的襯底90的一個(gè)平面上，在這個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，這個(gè)襯底90是厚度為0.25mm的MgO。但是，這個(gè)襯底可以是其他材料，例如，例如LaAlO3，藍(lán)寶石，Al2O3和其他陶瓷材料。一個(gè)金屬固定器92沿這個(gè)波導(dǎo)的底部和邊緣進(jìn)行延伸。一個(gè)偏置電壓源94通過電感96被連接到帶64。
共面波導(dǎo)相移器60可以被使用另一個(gè)共面波導(dǎo)或者使用一個(gè)微帶線進(jìn)行終結(jié)。對(duì)后一個(gè)情形來說，通過直接將共面波導(dǎo)的中心線與微帶線進(jìn)行連接，50歐姆的共面波導(dǎo)被變化到50歐姆的微帶線。共面波導(dǎo)和微帶線的接地平面通過這個(gè)襯底的側(cè)面邊緣而進(jìn)行相互連接。通過將一個(gè)DC電壓施加到共面波導(dǎo)的間隙上，就可以從介電常數(shù)調(diào)節(jié)中產(chǎn)生相位移動(dòng)。
圖6顯示了一個(gè)20GHz共面波導(dǎo)相移器98，該相移器的結(jié)構(gòu)與圖4和5中相移器的結(jié)構(gòu)類似。但是，使用了一個(gè)鋸齒形狀的、中心線是102的一個(gè)共面波導(dǎo)100來減小襯底的尺寸。圖7是圖6中相移器沿線7-7的一個(gè)橫切面剖視圖。波導(dǎo)線102具有一個(gè)輸入104和一個(gè)輸出106，并且被放置在一個(gè)可調(diào)介質(zhì)材料層108的表面上。一對(duì)接地平面電極110和112也被放置在這個(gè)可調(diào)介質(zhì)材料的表面上，并且通過間隙114和116而與中心線102相互分開。這個(gè)可調(diào)介質(zhì)材料襯底108被放置在一個(gè)損耗比較低的襯底118上，該襯底118與上面所描述的襯底類似。靠近這個(gè)相移器中間的這個(gè)圓是用于連接接地平面電極110和112的一個(gè)過孔120。
圖8是圖4相移器裝置42的一個(gè)頂部平面視圖，其中增加了一個(gè)偏置圓頂130來將偏置電壓連接到接地平面電極66和68。圖9是圖8中相移器裝置60沿線9-9的一個(gè)橫切面剖視圖。這個(gè)圓頂連接這個(gè)共面波導(dǎo)的2個(gè)接地平面，并且覆蓋了主波導(dǎo)線。一個(gè)電極終結(jié)132被焊接在這個(gè)圓頂?shù)捻敳?，以連接到這個(gè)DC偏置電壓控制。DC偏置控制電路的另一個(gè)終結(jié)(沒有顯示)被連接到這個(gè)共面波導(dǎo)的中心線64。為了將這個(gè)偏置DC電壓施加到CPW上，小間隙86和88被制造來將其中有這個(gè)DC偏置圓頂?shù)膬?nèi)接地平面電極66和68與這個(gè)共面波導(dǎo)的接地平面的其他部分(外部)相互分開。外接地平面圍繞這個(gè)襯底的側(cè)面和底部進(jìn)行延伸。外或者底部接地平面被連接到一個(gè)RF信號(hào)接地平面134。DC源的正極和負(fù)極被分別連接到這個(gè)圓頂130和中心線64。在接地平面中的小間隙被用作一個(gè)DC阻擋電容器，它阻擋DC電壓。但是，這個(gè)電容值應(yīng)足夠地高，以允許RF信號(hào)通過它。這個(gè)圓頂將接地平面66和68電連接在一起。這個(gè)連接的機(jī)械強(qiáng)度應(yīng)足夠地強(qiáng)，以避免觸及其他的部件。這個(gè)圓頂是這些連接中的一個(gè)。應(yīng)注意，接地平面66和68的寬度大約是0.5mm。
一個(gè)微帶線和共面波導(dǎo)線可以被連接到一個(gè)傳輸線。圖10是根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)造的另一個(gè)相移器136的一個(gè)頂部視圖。圖11是圖10中相移器沿線11-11的一個(gè)橫切面剖視圖。圖10和11顯示了微帶線138如何變換到共面波導(dǎo)裝置140的。微帶138包括被安裝在一個(gè)襯底144上的一個(gè)導(dǎo)體142。這個(gè)導(dǎo)體142，例如，是通過焊接或者粘接被連接到這個(gè)共面波導(dǎo)148的一個(gè)中心導(dǎo)體146的。接地平面導(dǎo)體150和152被安裝在一個(gè)可調(diào)介質(zhì)材料154上，并且通過間隙156和158被與導(dǎo)體146分開。在所顯示的實(shí)施方式中，焊接盤160連接導(dǎo)體142和146。這個(gè)可調(diào)介質(zhì)材料154被安裝到一個(gè)非可調(diào)介質(zhì)襯底162的表面上。襯底144和162是被一個(gè)金屬固定器164所支持的。
因?yàn)樵诠裁娌▽?dǎo)中的間隙(＜0.04mm)比這個(gè)襯底的厚度(0.25mm)小得多，所以，幾乎所有的RF信號(hào)都是通過共面波導(dǎo)而不是通過微帶線進(jìn)行傳輸?shù)?。這個(gè)結(jié)構(gòu)使得從共面波導(dǎo)變換到一個(gè)微帶線變?yōu)榉浅Ｈ菀?，而不需要一個(gè)過孔或者耦合變換。
圖12是根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)造的一個(gè)相移器的一個(gè)等角投影視圖。在這個(gè)偏置圓頂上構(gòu)造了一個(gè)外殼166，以覆蓋整個(gè)相移器，以致僅2個(gè)50歐姆的微帶線被暴露以連接到一個(gè)外部電路。在這個(gè)視圖中，僅顯示了線168。
圖13是根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)造的一個(gè)30GHz共面波導(dǎo)相移器陣列170的一個(gè)等角投影分解視圖，以用于一個(gè)相控陣列天線。一個(gè)偏置線盤172被用于覆蓋這個(gè)相移器陣列。在每一個(gè)相移器的圓頂上的電極通過孔174，176，178和180被焊接到這個(gè)偏置線盤上的偏置線。這些相移器被安裝在一個(gè)焊接盤182上，該焊接盤182包括多個(gè)微帶線184，186，188，190，192，194，196和198，以將無線頻率輸入和輸出信號(hào)連接到這些相移器。圖13中所顯示的這個(gè)特定結(jié)構(gòu)向每一個(gè)相移器提供了其自己的保護(hù)外殼。在被安裝到相控陣列天線中以前，這些相移器被獨(dú)立地組裝和進(jìn)行測(cè)試。這大大地改進(jìn)了天線的成品率，這樣的天線通常具有幾十到幾千個(gè)相移器。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的共面相移器被制造在基于電壓調(diào)節(jié)鋇鍶鈦酸鹽(BST)化合物薄膜上。這個(gè)BST化合物薄膜具有優(yōu)異的低介質(zhì)損耗和合理的可調(diào)節(jié)性。與基于半導(dǎo)體的相移器相比，這些K和Ka波段共面波導(dǎo)相移器提供了高功率處理能力，低的插入損耗，快速的調(diào)節(jié)，低的成本，和高抗輻射特性。很普通的是，出來的介質(zhì)損耗將隨頻率的增加而增加。傳統(tǒng)的可調(diào)材料的損耗很高，特別是在K和Ka波段。使用傳統(tǒng)的可調(diào)材料制造的共面相移器的損耗非常高，并且在K和Ka波段對(duì)相控陣列天線來說是無用的。應(yīng)注意，本發(fā)明的相移器結(jié)構(gòu)對(duì)任何材料是合適的。但是，僅損耗很低的可調(diào)材料才能夠?qū)崿F(xiàn)好的，有用的相移器。所以，希望使用介電常數(shù)很低的材料來制造微帶線相移器，因?yàn)樵谖Ь€相移器的這些頻率范圍內(nèi)，高介電常數(shù)很容易產(chǎn)生高的EM模式。但是，不能夠獲得這樣低介電常數(shù)的傳統(tǒng)材料(＜100)。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式提供了共面波導(dǎo)相移器，它包括一個(gè)基于BST的化合物厚膜，其介電常數(shù)可調(diào)。這些共面波導(dǎo)相移器不象上面的微帶線鐵電相移器，它沒有采用體陶瓷材料。在薄膜上的共面波導(dǎo)相移器的偏置電壓比體材料上的微帶線相移器的偏置電壓低?？梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)的厚膜淀積技術(shù)將這個(gè)厚膜可調(diào)介質(zhì)層淀積到介電常數(shù)很低的、化學(xué)穩(wěn)定性很高的物質(zhì)上，例如MgO，LaAlO3，藍(lán)寶石，Al2O3，和很多陶瓷襯底。
本發(fā)明包括反射性共面波導(dǎo)相移器和傳輸共面波導(dǎo)相移器。根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)造的反射共面波導(dǎo)相移器可以工作在20GHz。根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)造的傳輸共面波導(dǎo)相移器可以工作在20GHz和30GHz。使用相同的襯底，并且在低介電常數(shù)的襯底上淀積一個(gè)可調(diào)介質(zhì)薄膜，就可以制造這2個(gè)類型的相移器?？梢允褂靡粋€(gè)接地平面DC偏置和DC阻擋。這個(gè)偏置結(jié)構(gòu)是很容易制造的，并且對(duì)小尺寸變化不太敏感。這些相移器可以具有共面波導(dǎo)或者微帶線的端口。對(duì)微帶線端口，就可以進(jìn)行從共面波導(dǎo)到一個(gè)微帶線的一個(gè)直接變換。本發(fā)明中的相移器的帶寬是由匹配部分(阻抗變換部分)來決定的。更匹配的部分或者更長(zhǎng)逐漸變細(xì)匹配部分的使用可以允許有更寬的帶寬。但是，相移器中的插入損耗將更大。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式使用了化合物材料，這包括BST和其他材料，和2個(gè)或者更多的相位。與傳統(tǒng)的ST或者BST薄膜相比，這些化合物顯示了更低的介電常數(shù)，和合理的可調(diào)節(jié)性。與傳統(tǒng)的ST或者BST薄膜相比，這些化合物具有更低的介電常數(shù)。介電常數(shù)很低使相移器的設(shè)計(jì)與制造更容易。根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)造的相移器可以在室溫下(～300K)進(jìn)行工作。與現(xiàn)在的、工作在100K下的相移器相比，室溫工作更容易，其成本也更低。
本發(fā)明的相移器也包括一個(gè)獨(dú)特的DC偏置結(jié)構(gòu)，它使用了接地平面中的一個(gè)長(zhǎng)間隙來作為一個(gè)DC阻擋。這也允許使用一個(gè)簡(jiǎn)單的方法來將共面波導(dǎo)變換到一個(gè)微帶線。
雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施方式描述了本發(fā)明，但是，該領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員很清楚，可以對(duì)這些優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行各種修改而不會(huì)偏離在后附權(quán)利要求書中所定義的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一個(gè)相移器，包括一個(gè)襯底；其介電常數(shù)在70到600之間的一個(gè)可調(diào)介質(zhì)薄膜，該介質(zhì)薄膜的可調(diào)節(jié)范圍在20％到60％之間，其在K和Ka波段的損耗正切在0.008到0.03之間，該可調(diào)介質(zhì)薄膜僅被放置在該襯底的一個(gè)表面上；被放置在可調(diào)介質(zhì)薄膜上、與該襯底相對(duì)的一個(gè)頂部表面上的一個(gè)共面波導(dǎo)；用于將一個(gè)無線電頻率信號(hào)耦合到導(dǎo)電帶的一個(gè)輸入；用于從該導(dǎo)電帶接收無線電頻率信號(hào)的一個(gè)輸出；和用于將一個(gè)控制電壓施加到該可調(diào)介質(zhì)薄膜上的一個(gè)連接。
2.如權(quán)利要求1的一個(gè)相移器，其中這個(gè)高介電常數(shù)的可調(diào)介質(zhì)薄膜包括一個(gè)鋇鍶鈦酸鹽化合物。
3.如權(quán)利要求1的一個(gè)相移器，進(jìn)一步包括所述共面波導(dǎo)的一第一阻抗匹配部分，被連接到所述輸入；和所述共面波導(dǎo)的一第二阻抗匹配部分，被連接到所述輸出。
4.如權(quán)利要求3的一個(gè)相移器，其中第一阻抗匹配部分包括一第一逐漸變細(xì)的共面波導(dǎo)部分；和其中第二阻抗匹配部分包括一第二逐漸變細(xì)共面波導(dǎo)部分。
5.如權(quán)利要求1的一個(gè)相移器，其中用于將一個(gè)控制電壓施加到該可調(diào)介質(zhì)薄膜上的這個(gè)連接包括一第一電極，與所述導(dǎo)電帶的一第一側(cè)面相鄰，以在第一電極和這個(gè)導(dǎo)電帶之間形成一第一間隙；和一第二電極，與所述導(dǎo)電帶的一第二側(cè)面相鄰，以在第二電極和這個(gè)導(dǎo)電帶之間形成一第二間隙。
6.如權(quán)利要求5的一個(gè)相移器，進(jìn)一步包括一第三電極，與所述第一電極的、與所述導(dǎo)電帶相對(duì)的第一側(cè)面相鄰，以在第一電極和第三電極之間形成一第三間隙；和一第四電極，與所述第二電極的、與所述導(dǎo)電帶相對(duì)的一第一側(cè)面相鄰，以在第二電極和第四電極之間形成一第四間隙。
7.如權(quán)利要求5的一個(gè)相移器，進(jìn)一步包括一個(gè)導(dǎo)電圓頂，以在第一和第二電極之間形成電氣連接。
8.如權(quán)利要求1的一個(gè)相移器，其中這個(gè)襯底包括下面中的一個(gè)MgO，LaAlO3，藍(lán)寶石，Al2O3和一個(gè)陶瓷。
9.如權(quán)利要求1的一個(gè)相移器，其中這個(gè)襯底的介電常數(shù)比25小。
10.如權(quán)利要求1的一個(gè)相移器，其中這個(gè)可調(diào)介質(zhì)薄膜的介電常數(shù)比300大。
11.如權(quán)利要求1的一個(gè)相移器，進(jìn)一步包括覆蓋這個(gè)相移器的一個(gè)導(dǎo)電外殼。
12.如權(quán)利要求1的一個(gè)相移器，其中這個(gè)可調(diào)介質(zhì)薄膜包括下面這個(gè)組中的一個(gè)鋇鍶鈦酸鹽(BaxSr1-xTiO3，BSTO，其中x小于1)，BSTO-MgO，BSTO-MgAl2O4，BSTO-CaTiO3，BSTO-MgTiO3，BSTO-MgSrZrTiO6，和其混合物。
13.一個(gè)反射終結(jié)共面波導(dǎo)相移器，包括一個(gè)襯底；一個(gè)可調(diào)介質(zhì)薄膜，被放置在該襯底的一個(gè)表面上；被放置在可調(diào)介質(zhì)薄膜上、與該襯底相對(duì)的一個(gè)表面上的第一和第二開路共面波導(dǎo)線；用于將一個(gè)無線頻率信號(hào)耦合到該第一和第二共面波導(dǎo)線并且從其中輸出一個(gè)無線頻率信號(hào)的一個(gè)微帶線；和用于將一個(gè)控制電壓施加到該可調(diào)介質(zhì)薄膜上的一個(gè)連接。
14.如權(quán)利要求13的一個(gè)反射終結(jié)共面波導(dǎo)相移器，進(jìn)一步包括微帶分離器，將所述微帶線耦合到所述第一和第二共面波導(dǎo)線。
15.如權(quán)利要求13的一個(gè)反射終結(jié)共面波導(dǎo)相移器，其中所述第一和第二共面波導(dǎo)線具有不同的阻抗。
全文摘要
一個(gè)相移器,該相移器包括一個(gè)襯底,其介電常數(shù)在70到600之間的一個(gè)可調(diào)介質(zhì)薄膜,該介質(zhì)薄膜的可調(diào)節(jié)范圍在20%到60%之間,其在K和Ka波段的損耗正切在0.008到0.03之間,該可調(diào)介質(zhì)薄膜僅被放置在該襯底的一個(gè)表面上,該相移器也包括被放置在可調(diào)介質(zhì)薄膜上、與該襯底相對(duì)的一個(gè)表面上的一個(gè)共面波導(dǎo),用于將一個(gè)無線頻率信號(hào)耦合到該共面波導(dǎo)的一個(gè)輸入,用于從該共面波導(dǎo)接收無線頻率信號(hào)的一個(gè)輸出,和用于將一個(gè)控制電壓施加到該可調(diào)介質(zhì)薄膜上的一個(gè)連接。一個(gè)反射終結(jié)共面波導(dǎo)相移器,該相移器包括一個(gè)襯底,其介電常數(shù)在70到600之間的一個(gè)可調(diào)介質(zhì)薄膜,該介質(zhì)薄膜的可調(diào)節(jié)范圍在20%到60%之間,其在K和Ka波段的損耗正切在0.008到0.03之間,該可調(diào)介質(zhì)薄膜被放置在該襯底的一個(gè)表面上,該相移器也包括被放置在可調(diào)介質(zhì)薄膜上、與該襯底相對(duì)的一個(gè)表面上的第一和第二開路共面波導(dǎo),用于將一個(gè)無線頻率信號(hào)耦合到該第一和第二共面波導(dǎo)線并且從其中輸出一個(gè)無線頻率信號(hào)的一個(gè)微帶線,和用于將一個(gè)控制電壓施加到該可調(diào)介質(zhì)薄膜上的一個(gè)連接。
文檔編號(hào)H01P1/18GK1370338SQ00811913
公開日2002年9月18日 申請(qǐng)日期2000年8月22日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月24日
發(fā)明者安德雷·科扎雷弗, 路易絲·C·森古皮塔, 朱永飛 申請(qǐng)人:帕拉泰克微波公司