[发明专利]电压可调谐变抗器和包括这种变抗器的可调谐器件

说明书

本申请要求1998年10月16日提交的美国临时专利申请No.60/104,504的利益。

本发明一般涉及室温电压可调谐变抗器和包括这种变抗器的可调谐器件。

相控阵列天线包括发射相控信号以形成一个无线电波束的大量元件。无线电信号能由各个天线元件的相对定相的主动操纵电子地控制。该电子束控制概念适用于发射机和接收机。相控阵列天线与其机械式对应天线相比就其速度、精度、及可靠性而论是优越的。用其电子扫描对应天线代替万向扫描天线能提供更迅速和准确的目标辨别。借助于一个相控阵列天线系统也能迅速和准确地进行复杂的跟踪练习。

可调节移相器用来控制在相控阵列天线中的波束。以前在该领域的天线包括在美国专利No.5,307,033、5,032,805、和5,561,407中的铁电移相器。这些移相器在一个铁电基片上包括一根或多根微波传输带线作为相位调制元件。通过改变基片上一个电场的强度，能改变铁电基片的电容率。当一个RF信号通过微波传输带线时，基片的电容率调谐导致相位移动。在这些专利中公开的微波传输带移相器由于铁电基片的高介电常数，具有高导体损耗和阻抗匹配问题的缺点。

未来通信将采用宽带跳频技术，从而在带上能传送大量数字数据。用于这些用途的一个关键元件是一个低成本快速作用可调谐滤波器。数字数据能按通过控制可调谐滤波器的电路确定的顺序在一个频带上分布或编码。这允许几个用户在一个公共频率范围上发射和接收。

变抗器能独立地利用，或者能集成到低成本可调谐滤波器中。这些变抗器和滤波器在无数商业和军事用途中，能用在多个频率范围下，包括高于L-带的频率。这些用途包括(a)用于无线局域网络系统的L-带(1-2GHz)可调谐滤波器、个人通信系统、及卫星通信系统，(b)用于对卫星通信和雷达系统的跳频的C-带(4-6GHz)变抗器和可调谐滤波器，(c)用在雷达系统中的X-带(9-12GHz)变抗器和滤波器，(d)用在卫星电视系统中的K_u-带(12-18GHz)，及(e)用于卫星通信系统中的K_A带可调谐滤波器。

当今使用的普通变抗器是硅和GaAs基二极管。这些变抗器的性能由电容比值C_max/C_min、频率范围和品质因数、或规定频率范围下的Q因数(1/tanδ)定义。对于用于频率高达2GHz的这些半导体变抗器的Q因数非常好。然而，在高于2GHz的频率下，这些变抗器的Q因数迅速变坏。事实上，在10GHz下，用于这些变抗器的Q因数通常只有约30。

已经描述了与一个超导元件相结合把一层薄膜铁电陶瓷用作一个电压可调谐元件的变抗器。例如，美国专利No.5,640,042公开了一种薄膜铁电变抗器，该变抗器具有一个载波基片层、一个沉积在基片上的高温超导层、一个沉积在金属层上的薄膜铁电层、及沉积在薄膜铁电层上且与调谐器件中的RF传输线相电气接触地放置的多个金属导电装置。使用与一个超导元件相结合的一个铁电元件的另一种可调谐电容器公开在美国专利No.5,721,194中。

有对这样的变抗器的需要，变抗器能在高于超导所必需的温度下和在高达10GHz和以上的频率下操作，同时保持高Q因数。另外，有对包括这样的变抗器的微波器件的需要。

一种电压可调谐介电变抗器包括：一个基片，具有一个第一介电常数和带有大体平面表面；一个可调谐铁电层，定位在基片的大体平面表面上，可调谐铁电层具有大于第一介电常数的一个第二介电常数；及第一和第二电极，定位在相对着基片的大体平面表面的可调谐铁电层的一个表面上。第一和第二电极分离以形成一个第一间隙。施加到电极上的一个偏置电压改变变抗器在其一个输入与一个输出之间的电容。

本发明也包容包括以上变抗器的移相器。这种移相器的一个实施例包括：一个环形(rat race)耦合器，带有一个RF输入和一个RF输出；第一和第二微波传输带，定位在环形耦合器上；一个第一反射终端，相邻第一微波传输带的一端定位；及一个第二反射终端，相邻第二微波传输带的一端定位，其中第一和第二反射终端每个包括可调谐变抗器之一。

这种移相器的另一个实施例包括：一个微波传输带，带有一个RF输入和一个RF输出；第一和第二径向短线，从微波传输带延伸；一个第一变抗器，定位在第一径向短线内；及一个第二变抗器，定位在第二径向短线内，其中第一和第二变抗器的每一个是以上可调谐变抗器之一。