[发明专利]具有改进的接地结构的射频装置

说明书

技术领域

本发明针对基于由多层薄膜形成的多个电感器和电容器的组合的射频装置，特别是具有接地桥路和提高这类装置性能的共面波导结构的可调谐滤波器和移相器。这些电容器和电感器变化的方式可以是任意的。

背景技术

随着工作频率的提高，承载电子信号的结构就会发生变化。在微波频率上，通常将地和信号结构结合起来来最大限度地减少损耗并维持信号完整。为了改变信号，通常使用电感效应和电容效应来实现过滤和延迟这类变化。在许多情况下，都需要能够调节或改变这种效应的强度，实现这个目的的一个方法就是改变电容的数值。

可变介电材料呈现出可再取向的自发极性，从而导致可变介电常数。当施加电场时，这种介电常数可以被改变，这个重要的特性使其适用于可调谐微波装置。可调谐电介质包括铁电体，比如：钛酸锶钡(Ba_xSr_1-xTiO₃，其中x取值范围为0-1，较优的取值范围为0.1-0.9，最佳的取值范围为0.4-0.6，或称BST)，以及其他材料，例如掺钇铌酸锌铋(BZN)的。可变介电微波装置的研究开始于二十世纪60年代早期，然而直到最近，得益于低损耗、高可调谐性铁电体材料制造工艺的成熟，人们才对该研究重新发生兴趣。由于其高介电常数、高击穿电压和相对低的损耗，BST是被研究得最多的铁电体材料之一。微波应用实例包括但不限于：变容二极管、可调谐滤波器、移相器、振荡器、可调谐匹配网络、谐振器以及延迟线。

可变介电材料可以做成成块的、薄膜的和厚膜的形式。铁电膜片显示出具有适中的温度依赖性的介电常数变化(温度系数)。膜片沉积过程中的变化导致了改进的介电常数-温度响应，比如使用多层膜片，每层膜片具有不同的居里温度。电路设计的最优化同样可以减少介电常数的温度依赖性。BZN具有甚至较低的温度系数和较低的损耗，然而其介电常数也较低。

分布式微波装置和集总元件微波装置都已经使用铁电体设计出来了。铁电材料，比如BST，呈现出高介电常数(比如，BST薄膜的介电常数为500，BST块的介电常数为10000)，从而具有能够缩小装置体积的优势。然而，这使得在诸如共面波导(CPW)的分布式电路中难于进行阻抗匹配。另一方面，集总元件电路使用更少的元件，从而进一步减小了部件的体积、降低了损耗。

本发明针对改进的集总射频元件，诸如可调谐滤波器和移相器。特别地，本发明涉及将CPW的性质融合到集总元件电路之中。当将CPW融合到至少带有三个电感器的元件中时，接地结构就变得十分重要；当结构中包含四个或四个以上的电感器时，接地结构就更为重要；而当结构中有级联低通/高通滤波器和级联移相器时，接地结构就极其地重要。这些装置的工作频率一般在2-35GHz范围内，然而更广泛而言，可以达到0.5-50GHz甚至更大的范围。

集总元件可调谐介电装置的核心是可调谐电容器，该电容器的可调谐介电材料是可变电介质，这一点在材料为BST时更为普遍。可变介电电容器可以使用平行板或平面布局来构造。平行板薄膜结构使用低直流电压来调谐(比如，电压小于20V)，但是由于通常和BST一起使用的Pt底电极的构图和蚀刻，使得这种构造变得复杂。此外，生成高结晶且无瑕疵的BST薄膜需要化学上兼容的、在微波频率上可导电的底电极。白金曾是平行板BST电容器的主要底电极，然而其低导电性造成了高设备损耗。另一方面，平面布局需要更少的光刻步骤，并允许沉积较厚的金属来降低金属损耗。更重要地，可以将外延膜沉积到单晶衬底上，以确保更低的介电损耗和更高的介电常数。沉积技术，比如脉冲激光沉积(PLD)和金属有机化学汽相沉积(MOCVD)，已经被用来在诸如MgO和LaAlO₃的昂贵的衬底上生成外延膜。然而，这些工艺价格昂贵，需要高价的原材料，并且产量低。喷镀薄膜经常需要沉积后退火处理来提高结晶质量。