采用BST材料的的排列組合方式加載實現(xiàn)移相器設計

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。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。

利用非線性效應，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）

當電壓Vo變到Vapp，△εro=εro-△εapp。

在設計移相器時，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，高電可調(diào)性和低損耗互為矛盾，表現(xiàn)在兩個方面。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，同時損耗也增加。因此，在設計之初，應該權(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、 電路設計模型

利用BST材料的非線性效應，可以設計加直流偏壓的可調(diào)電容，從而設計出分布式電容共面波導結(jié)構(gòu)式移相器。所謂分布式是指可變電容一個單元一個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和分布式安置，所以整個電路呈對稱結(jié)構(gòu)，移相器具有互易性，可以兼顧收、發(fā)信號，同時使設計和制造更簡單。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（CPW）傳輸線來講，C1、L1為每個單元線的等效電容與等效電感，可分別由式（2）和式（3）表示：

這樣，移相器的結(jié)構(gòu)設計與參數(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)設計由以下幾個方程共同給出：

其中，Lsect為可變電容間距，fbragg是微波電路的截止頻率。這種設計的優(yōu)勢在于可以方便地實現(xiàn)阻抗匹配，即在最大移相時，可變電容Cvar最大，傳輸線阻抗應為50 Ω。在此條件下，很容易確定整個傳輸線的電路結(jié)構(gòu)。

3、 新型移相器設計

設計移相器時，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行權(quán)衡。有時不得不犧牲一定的相移，來得到較好的損耗。但是，科技的進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。對于分布電容共面波導結(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。對于前兩個原因，可以通過公式計算和電路仿真，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計方案。

在研究早先的移相器之后，發(fā)現(xiàn)分布電容共面波導結(jié)構(gòu)移相器一般都是周期分布的，即加載的每個電容均為統(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？通過一系列的設計、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進行仿真。選取單個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。因為CPW電路每個單元都是兩個可變電容并聯(lián)，這樣ADS仿真時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，進行了72個單元組的仿真。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，設計時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，即相移量比四種可變電容值中較小的電容單一排列時大，而損耗要比較大的電容單一排列時小。目前，只尋求到這樣一個比較有效的排列方式，相信通過進一步的研究，還可以提出更多更優(yōu)的組合方式。

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