一種新型BST薄膜移相器的電路設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞：鐵電材料；BST薄膜；移相器；ADS仿真
1 BST材料的特性
鐵電材料鈦酸鍶鋇(BST)具有低損耗角正切，高介電常數(shù)變化率，極化速度快，耐擊穿電場大等優(yōu)點(diǎn)。其相對介電常數(shù)具有隨電場變化的非線性特性，即鐵電體的非線性效應(yīng)。
利用非線性效應(yīng)，可以通過改變外加電場的電壓以獲得不同的介電常數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)微波相移。鐵電材料的可調(diào)性對相移量產(chǎn)生影響，其可調(diào)性定義為：
△εr/εro (1)
當(dāng)電壓Vo變到Vapp，△εro=εro-△εapp。
在設(shè)計(jì)移相器時(shí)，希望能得到盡可能高的電可調(diào)性和盡可能低的損耗。但采用BST材料時(shí)，高電可調(diào)性和低損耗互為矛盾，表現(xiàn)在兩個(gè)方面。一是隨著材料中Ba含量的提高，其電可調(diào)性增加，而損耗也隨之增加；二是BST薄膜厚度增加，其電可調(diào)性增加，同時(shí)損耗也增加。因此，在設(shè)計(jì)之初，應(yīng)該權(quán)衡好電可調(diào)性與損耗，以便獲得較大的相移和可以容忍的損耗。
2 電路設(shè)計(jì)模型
利用BST材料的非線性效應(yīng)，可以設(shè)計(jì)加直流偏壓的可調(diào)電容，從而設(shè)計(jì)出分布式電容共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)式移相器。所謂分布式是指可變電容一個(gè)單元一個(gè)單元周期排列的安置方式。電路原理圖如圖1所示。傳輸線上周期安置著一系列壓控可變電容。電容的變化會改變傳輸線的特性阻抗，使微波信號移相。由于采用了共面波導(dǎo)和分布式安置，所以整個(gè)電路呈對稱結(jié)構(gòu)，移相器具有互易性，可以兼顧收、發(fā)信號，同時(shí)使設(shè)計(jì)和制造更簡單。其中可變電容Cvar即BST可變電容。
相移量大小由BST單元電容的比率(Cminvar/Cmaxvar)和傳輸線自身電容所決定。對于共面波導(dǎo)(CPW)傳輸線來講，C1、L1為每個(gè)單元線的等效電容與等效電感，可分別由式(2)和式(3)表示：
其中，Zo是傳輸線的特性阻抗，C是真空速度，εeff是CPW有效介電常數(shù)。
CPW的Zo和εeff可以通過式(4)運(yùn)算得到：
K(k)表示第一類完全橢圓函數(shù)，K’(k)表示第一類橢圓余函數(shù)。
這樣,移相器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)修調(diào)都可自成系統(tǒng)，只需變換可變電容的形式，就可以衍生出多種特性的新型移相器。電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由以下幾個(gè)方程共同給出：
其中，Lsect為可變電容間距，fbragg是微波電路的截止頻率。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢在于可以方便地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，即在最大移相時(shí)，可變電容Cvar最大，傳輸線阻抗應(yīng)為50 Ω。在此條件下，很容易確定整個(gè)傳輸線的電路結(jié)構(gòu)。
3 新型移相器設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)移相器時(shí)，希望能夠得到盡可能大的相移和盡可能小的損耗。要得到大的相移就需要高可調(diào)性，由前文可知，由于BST材料本身的原因，高可調(diào)性和低損耗互為矛盾，二者不可能兼得，那么勢必需要在二者之間進(jìn)行權(quán)衡。有時(shí)不得不犧牲一定的相移，來得到較好的損耗。但是，科技的進(jìn)步就在于人們不斷挑戰(zhàn)極限，總是希望能夠做到更好，來獲得低損耗而盡可能地少犧牲相移量。這也是本文的著重點(diǎn)。對于分布電容共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)移相器來說，其損耗主要有以下原因：一是電路端口的匹配問題，二是傳輸線的傳輸損耗，三是加載的BST電容單元格之間產(chǎn)生的不匹配問題。對于前兩個(gè)原因，可以通過公式計(jì)算和電路仿真，盡量做到最佳匹配和最小損耗。而對于原因三，本文也提出了一種新穎的設(shè)計(jì)方案。
在研究早先的移相器之后，發(fā)現(xiàn)分布電容共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)移相器一般都是周期分布的，即加載的每個(gè)電容均為統(tǒng)一大小。如果不采用這種統(tǒng)一大小的電容加載，而改為不同電容值呈周期變化加載，是否可以得到較好的結(jié)果?通過一系列的設(shè)計(jì)、調(diào)試、仿真，筆者找到了一種較好的電容排列分布，得到了一種高相移量、低損耗的移相器。
首先，確定好CPW的尺寸。設(shè)定頻率為9GHz，采用εr=25的介質(zhì)基板，W=0.315 mm,G=0.6695mm，Zo=100 Ω，根據(jù)公式(4)、(2)、(3)可得：C1=60X10-12/m，L1=60xl0-8/m。
為了滿足布拉格頻率，取Lsect=0.7 mm，由式(6)、(7)可得：Ct=42fF，Lt=420 pH。
這樣，可以通過圖1所示的電路結(jié)構(gòu)來用ADS進(jìn)行仿真。選取單個(gè)可變電容最大值分別為60 fF、65fF、70 fF、75 fF，最小值為40 fF、42.5fF、45 fF、47.5 fF。因?yàn)镃PW電路每個(gè)單元都是兩個(gè)可變電容并聯(lián)，這樣ADS仿真時(shí)的電容值是上述值的2倍。將上述四種電容值的可變電容周期性排列，即60fF、65 fF、70 fF、75 fF、70fF、65 fF循環(huán)排列，得到了比單一電容值排列時(shí)更大的相移和更小的損耗。ADS仿真電路如圖2所示。
為了使相移和損耗的區(qū)別更加明顯，進(jìn)行了72個(gè)單元組的仿真。比較結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。均勻加載電容移相器指單一加載可變電容最大值為65 fF、最小值為42.5 fF的移相器，非均勻加載電容移相器即為上述采用循環(huán)排列組合的可變電容加載的移相器。
4 結(jié)束語
BST材料的高電可調(diào)性和低損耗相互矛盾，設(shè)計(jì)時(shí)只能盡力做到大相移和低損耗。通過本文給出的排列組合方式加載，可以尋求到相移和損耗之間的平衡點(diǎn)，即相移量比四種可變電容值中較小的電容單一排列時(shí)大，而損耗要比較大的電容單一排列時(shí)小。目前，只尋求到這樣一個(gè)比較有效的排列方式，相信通過進(jìn)一步的研究，還可以提出更多更優(yōu)的組合方式。
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