低损耗BZN/BST介电薄膜及微波变容管技术研究

摘要

微波调谐器件通过调控微波信号的频率、相位或幅度，能够简化电路、降低元器件数目、提高系统性能，是现代通讯系统的发展趋势。基于介电薄膜材料的介质变容管技术具有响应速度快、功率容量大、功耗小、成本低和易集成的优点，被认为是微波调谐器件的重要发展方向。目前研究较集中的介电可调材料是BaxSr1?xTiO3（BST）薄膜材料，其特点是介电调谐率大、但介电损耗较高，不能满足高性能微波调谐器件的应用要求。近些年发现的烧绿石结构 Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7（BZN）薄膜材料介电损耗很低，但介电调谐率较小。本论文将高可调的BST薄膜材料与低损耗的 BZN薄膜材料复合，研制兼具低损耗和高调谐率的 BZN/BST复合薄膜，开展高性能BZN/BST薄膜变容管技术研究，探索介质薄膜变容管在微波调谐器件的应用研究。主要内容和结论如下：
　　1.采用射频磁控溅射法制备BZN/BST复合薄膜，研究了BZN/BST复合薄膜的介电性能。从电介质串联理论出发，建立了双层复合可调介质薄膜介电性能与结构关系参数模型，通过优化控制BZN/BST复合薄膜的各层厚度比，获得了具有低损耗、高可调的BZN/BST复合薄膜。研制的BZN/BST复合薄膜的介电损耗为~0.78％，在偏置电场1 MV/cm下的介电调谐率为~46%。
　　2.研究了 BZN/BST复合薄膜的界面效应和漏电特性。研究结果表明，BZN薄膜的费米能级在带隙中比 BST薄膜的费米能级深，在 BZN-BST界面处形成的界面势垒提高了BZN/BST复合薄膜的P-F发射（Poole-Frenkel emission）漏电机制的开启电场，从而降低了薄膜的泄漏电流。另外，由于BZN薄膜的引入增大了介质薄膜与上电极接触面的势垒高度，减小了肖特基发射电流，从而也有利于降低复合薄膜的泄漏电流。因此， BZN/BST复合薄膜具有低损耗、高可调和低漏电流的特点。
　　3.对BZN/BST介质薄膜变容管进行了高Q值结构设计研究，提出了一种新的平板型变容管多指电极结构。多指电极结构是多电容并联结构，与单电容结构相比具有较高的 Q值，同时还具有更好的可靠性，特别适合较大容值的介质薄膜电容设计。
　　4.采用微细加工技术研制了BZN/BST薄膜变容管。利用反转光刻胶优化了电极的图形化工艺；以 HF酸为刻蚀剂、NH4F为络合剂、HNO3为助溶剂、去离子水为稀释剂的刻蚀液能很好地刻蚀介质薄膜，解决了BZN/BST复合薄膜的图形化问题。
　　5.研究了 BZN/BST介质薄膜变容管的高频介电性能。结果表明，研制的BZN/BST介质薄膜变容管在高频下具有较高的Q值，在100 MHz时Q值仍达到150，变容管的电容值及调谐率具有良好的频率稳定性和温度稳定性。随频率的升高，变容管Q值主要由电极损耗决定，其Q值随频率的升高而下降。采用高电导率电极、加厚电极的方法能够减小电极损耗，从而提高变容管的高频 Q值。将研制的BZN/BST薄膜变容管用于工作频率为445 MHz的移相器中进行应用验证，结果表明移相器的最大插入损耗为~0.9 dB，显著优于半导体变容管。
　　6.研制了基于BZN/BST薄膜的采用周期性负载电容结构的X波段传输型移相器。为了改善阻抗匹配，将变容管负载在单节传输线两端，减小了移相器的回波损耗和插入损耗。研制的BZN/BST薄膜移相器在12 GHz时的回波损耗优于-13 dB，最大插入损耗为-4 dB，能够提供0至65°连续变化的相移量。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 介电可调薄膜材料及器件的研究进展

1.3 论文的研究任务和研究内容

第二章 BZN/BST 薄膜材料的研究

2.1 BZN/BST薄膜样品的制备

2.2 BZN/BST薄膜的介电性能优化研究

2.3 BZN/BST薄膜的界面效应

2.4 BZN/BST薄膜漏电特性的研究

2.5 本章小结

第三章 BZN/BST薄膜变容管的研制

3.1 BZN/BST介质薄膜变容管的结构设计

3.2 BZN/BST薄膜变容管的加工工艺研究

3.3 本章小结

第四章 BZN/BST薄膜变容管的性能研究

4.1 BZN/BST薄膜变容管的性能优化

4.2 BZN/BST薄膜变容管在射频器件中的应用验证

4.3 BZN/BST薄膜变容管的微波特性研究

4.4 本章小结

第五章 X波段BZN/BST薄膜移相器的研制

5.1 BZN/BST薄膜移相器的设计与仿真

5.2 BZN/BST薄膜移相器的制备与测试

5.3 本章小结

第六章 结 论

6.1 主要结论

6.2 创新点

6.3 未来工作的建议

致谢

参考文献

攻博期间的论文发表情况