一種鐵電薄膜可調帶通濾波器的製作方法

2023-06-11 12:56:56

專利名稱：一種鐵電薄膜可調帶通濾波器的製作方法
技術領域：
本發明屬於微波工程領域，涉及一種鐵電薄膜可調帶通濾波器。
背景技術：
電調濾波器在微波及射頻系統中有著廣泛的應用。和利用機械調製或磁場調製方式製作的可調濾波器相比，電調濾波器可應用在寬頻帶中，且具有很大的調製能力。基於此優點，電調濾波器可廣泛地應用在下述領域如本地多點分布式服務系統、蜂窩通信系統、個人通信系統、衛星通信及雷達系統中。利用外加電壓改變鐵電薄膜介電常數的原理製作而成的電調濾波器具有低的損耗、高的功率承載能力及高的三階交調點(IP3)。
到目前為止，在利用鐵電薄膜製作的可調濾波器中，應用得最廣泛的薄膜材料是鈦酸鍶鋇薄膜(BaxSr1-xTiO3)。分子式中x/(1-x)是鋇與鍶組份的比例，其x值可從0變到1，相應地鈦酸鍶鋇薄膜的居裡轉變溫度點可以從純鈦酸鍶薄膜的居裡溫度點(小於0K)到鈦酸鋇薄膜的居裡溫度點(約400K)。這樣通過調整鋇鍶組份的方法可以選擇鈦酸鍶鋇薄膜的工作溫度區間。當x取0.5時，鈦酸鍶鋇薄膜通常用來製作在室溫下工作的電調器件。
在利用鈦酸鍶鋇薄膜製作的電調帶通濾波器中，通常採用微帶線的結構形式，其中又以通過改變位於諧振器之間和諧振器下面的鈦酸鍶鋇薄膜介電常數的結構最為常見。在這種結構中，通常鈦酸鍶鋇薄膜沉積在整個基片上，通過直流偏置電路在相鄰的兩個諧振器之間和諧振器與接地面之間施加直流電場，用於改變位於相鄰諧振器之間和諧振器下面的鈦酸鍶鋇薄膜的介電常數，從而改變帶通濾波器的通帶帶寬及通帶頻率。這種帶有偏置電路的濾波器結構的尺寸通常比較大。

發明內容
本發明的目的在於提供一種結構緊湊、尺寸較小的鐵電薄膜可調帶通濾波器。
為實現上述目的，本發明一種鐵電薄膜可調帶通濾波器，包括底層的基片、依次沉積在基片上的鐵電薄膜和導電薄膜，所述帶通濾波器包括兩個相互耦合的共面諧振器，兩個諧振器對稱分布，所述濾波器的輸入輸出採用抽頭線的方式。
進一步，所述導電薄膜包括一條傳輸線和位於傳輸線兩側的兩個接地面，接地面和傳輸線共同附著在所述鐵電薄膜的同一平面上，接地面與傳輸線之間是等寬度的縫。
進一步，所述諧振器部分的中心導體與所述接地面之間的縫隙寬度比兩個諧振器之間的耦合縫隙的寬度至少小10倍。
進一步，所述傳輸線和所述接地面為超導薄膜或者常規金屬薄膜構成。
進一步，所用基片材料為氧化鎂MgO或氧化鋁Al2O3或鋁酸鑭LaAlO3。
進一步，在所述基片表面上均沉積有一定厚度的鐵電薄膜。
進一步，所述鐵電薄膜的材料為鈦酸鍶鋇。
與現有採用微帶線結構構成的鐵電薄膜可調帶通濾波器相比，本發明鐵電薄膜可調帶通濾波器採用共面線結構，主要依靠改變諧振器頻率的方式進行通帶頻率的移動，對諧振器之間的耦合基本沒有影響。當可調濾波器在外加電壓下通帶頻率移動時，它的工作帶寬及頻率響應曲線的形狀基本保持不變。本發明電調濾波器的結構緊湊、尺寸較小。


圖1是本發明鐵電薄膜可調帶通濾波器所採用的共面線結構的截面示意圖；圖2是本發明鐵電薄膜可調帶通濾波器的結構的俯視圖；圖3是本發明實施例1中鈦酸鍶鋇薄膜的介電常數分別取250和200時，帶通濾波器的頻率響應曲線。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步地描述圖1和2中，鐵電薄膜可調帶通濾波器的上層為導電薄膜30，中間是鐵電薄膜20，下層是已知介電特性的常用介質基片10，基片10由氧化鎂(MgO)或氧化鋁(Al2O3)或鋁酸鑭(LaAlO3)材料製成。在基片10的表面上均沉積有一定厚度的鐵電薄膜20，鐵電薄膜可調帶通濾波器為共面線結構，共面線結構是指上層導體薄膜30構成的幾何結構。該鐵電薄膜可調帶通濾波器由兩個相互耦合的諧振器1、諧振器2及輸入抽頭線3和輸出抽頭線4組成。相互耦合的兩個諧振器1(2)具有相同的尺寸，在濾波器的版圖中呈軸對稱分布。導電薄膜30包括一條傳輸線和位於傳輸線兩側的兩個接地面5，接地面5和傳輸線共同附著在鐵電薄膜20的同一平面上，接地面5與傳輸線之間是等寬度的縫。此外，諧振器1(2)之間的耦合縫隙L2(L3)要比諧振器自身的縫隙寬度W3至少大10倍。傳輸線和接地面5由超導薄膜構成，也可以用常規金屬薄膜如金或銀或銅或鉑薄膜構成。
本發明中設計工作是利用電磁場仿真軟體如sonnet在計算機上進行的，鐵電薄膜可調帶通濾波器是按常用平面工藝製作的，即按光刻、幹法刻蝕、切割、組裝等工藝步驟製作。在設計過程中，首先根據設定的工作頻率選定單個諧振器的尺寸，包括諧振器的長度、縫隙寬度，之後調整兩個諧振器之間的耦合縫隙的大小以及輸入輸出抽頭線的位置及抽頭線處的縫隙寬度。主要關注可調帶通濾波器的帶內波紋、帶內插入損耗、帶外抑制、工作頻率及帶寬。
圖2是在沉積有0.25微米鈦酸鍶鋇薄膜20的氧化鎂基片10上設計的一個二階可調帶通濾波器的版圖。氧化鎂的介電常數取10，厚度為500微米，鈦酸鍶鋇薄膜20的厚度為0.25微米，介電常數取250。導電層30為超導體薄膜。帶通濾波器的輸入輸出部分的中心導體的寬度W1為250微米，與接地面5之間的縫隙寬度W2為100微米，組成濾波器的兩個耦合諧振器1(2)的長度L1均為6150微米，諧振器1(2)中心導體與接地面5之間的縫隙寬度W3為50微米，兩個諧振器1(2)末端的距離L2和L3分別為550微米和1150微米。抽頭線3(4)距諧振器1(2)末端的距離L4和L5分別為2725微米、3175微米。當外加電壓從濾波器的輸入輸出抽頭處的中心導體加到諧振器1(2)上時，由於諧振器部分的中心導體與接地面5之間的縫隙寬度W3遠遠小於兩諧振器1(2)之間的距離L2(L3)，所以諧振器縫隙處鈦酸鍶鋇薄膜的介電常數會比位於諧振器之間縫隙處鈦酸鍶鋇薄膜的介電常數變化得大得多。這樣在相同的外加直流電壓下，位於諧振器之間的鈦酸鍶鋇薄膜的介電常數基本上保持不變，從而對諧振器之間的耦合影響不大。這樣可調帶通濾波器的帶寬基本上保持不變，而其中心頻率則會有較大地改變，從而實現濾波器頻率響應曲線僅僅改變其通帶的中心頻率，其頻率響應曲線的形狀保持不變。
圖3是本實施例中，當鈦酸鍶鋇薄膜的介電常數分別取250和200時帶通濾波器的頻率響應曲線。圖中曲線B、C分別為鈦酸鍶鋇薄膜的介電常數取200時，帶通濾波器的反射損耗和傳輸損耗特性曲線；圖中曲線D、E分別為鈦酸鍶鋇薄膜的介電常數取取250時，帶通濾波器的反射損耗和傳輸損耗特性曲線。從圖3中可以看出，當鈦酸鍶鋇薄膜的介電常數從250減小到200時，其傳輸特性曲線的形狀基本保持不變，通帶的中線頻率從9.95GHz增加到10.04GHz，其3dB帶寬為0.13GHz，保持不變。其反射損耗均保持在-20dB以下。
權利要求
1.一種鐵電薄膜可調帶通濾波器，包括底層的基片、依次沉積在基片上的鐵電薄膜和導電薄膜，其特徵在於，所述帶通濾波器包括兩個相互耦合的共面諧振器，兩個諧振器對稱分布，所述濾波器的輸入輸出採用抽頭線的方式。
2.根據權利要求1所述的濾波器，其特徵在於，所述導電薄膜包括一條傳輸線和位於傳輸線兩側的兩個接地面，接地面和傳輸線共同附著在所述鐵電薄膜的同一平面上，接地面與傳輸線之間是等寬度的縫。
3.根據權利要求2所述的濾波器，其特徵在於，所述諧振器部分的中心導體與所述接地面之間的縫隙寬度比兩個諧振器之間的耦合縫隙的寬度至少小10倍。
4.根據權利要求3所述的濾波器，其特徵在於，所述傳輸線和所述接地面為超導薄膜或者常規金屬薄膜構成。
5.根據權利要求4所述的濾波器，其特徵在於，所用基片材料為氧化鎂MgO或氧化鋁Al2O3或鋁酸鑭LaAlO3。
6.根據權利要求5所述的濾波器，其特徵在於，在所述基片表面上均沉積有一定厚度的鐵電薄膜。
7.根據權利要求6所述的濾波器，其特徵在於，所述鐵電薄膜的材料為鈦酸鍶鋇。
全文摘要
本發明公開了一種鐵電薄膜可調帶通濾波器，所述構成可調濾波器的諧振器及輸入輸出抽頭線均採用共面線結構，該共面線包括一條傳輸線和兩個位於傳輸線兩側的接地面，接地面和傳輸線共同附著在基片的同一平面上，接地面與傳輸線之間是等寬度的縫。本發明採用共面線結構的辦法來省去採用微帶電路時需要的偏置電路，保證了整個器件具有較小的尺寸，採用諧振器的縫隙寬度遠小於諧振器之間的縫隙寬度，保證了可調濾波器在通帶頻率移動時，使得其頻率響應曲線的形狀保持不變。
文檔編號H01P1/218GK1787277SQ20051012398
公開日2006年6月14日 申請日期2005年11月25日 優先權日2005年11月25日
發明者孟慶端, 張雪強, 李翡, 孫亮, 黃建冬, 張強, 何豫生, 李春光, 何艾生, 黎紅 申請人:中國科學院物理研究所