一种新型BST薄膜移相器的电路设计

　　1 BST材料的特性

　　铁电材料钛酸锶钡(BST)具有低损耗角正切，高介电常数变化率，极化速度快，耐击穿电场大等优点。其相对介电常数具有随电场变化的非线性特性，即铁电体的非线性效应。

　　利用非线性效应，可以通过改变外加电场的电压以获得不同的介电常数值，从而实现微波相移。铁电材料的可调性对相移量产生影响，其可调性定义为：

　　△εr/εro　　　　 (1)

　　当电压Vo变到Vapp，△εro=εro-△εapp。

　　在设计移相器时，希望能得到尽可能高的电可调性和尽可能低的损耗。但采用BST材料时，高电可调性和低损耗互为矛盾，表现在两个方面。一是随着材料中Ba含量的提高，其电可调性增加，而损耗也随之增加；二是BST薄膜厚度增加，其电可调性增加，同时损耗也增加。因此，在设计之初，应该权衡好电可调性与损耗，以便获得较大的相移和可以容忍的损耗。

　　2 电路设计模型

　　利用BST材料的非线性效应，可以设计加直流偏压的可调电容，从而设计出分布式电容共面波导结构式移相器。所谓分布式是指可变电容一个单元一个单元周期排列的安置方式。电路原理图如图1所示。传输线上周期安置着一系列压控可变电容。电容的变化会改变传输线的特性阻抗，使微波信号移相。由于采用了共面波导和分布式安置，所以整个电路呈对称结构，移相器具有互易性，可以兼顾收、发信号，同时使设计和制造更简单。其中可变电容Cvar即BST可变电容。

　　相移量大小由BST单元电容的比率(Cminvar/Cmaxvar)和传输线自身电容所决定。对于共面波导(CPW)传输线来讲，C1、L1为每个单元线的等效电容与等效电感，可分别由式(2)和式(3)表示：

　　其中，Zo是传输线的特性阻抗，C是真空速度，εeff是CPW有效介电常数。

　　CPW的Zo和εeff可以通过式(4)运算得到：

　　K(k)表示第一类完全椭圆函数，K’(k)表示第一类椭圆余函数。

　　这样,移相器的结构设计与参数修调都可自成系统，只需变换可变电容的形式，就可以衍生出多种特性的新型移相器。电路的结构设计由以下几个方程共同给出：

　　其中，Lsect为可变电容间距，fbragg是微波电路的截止频率。这种设计的优势在于可以方便地实现阻抗匹配，即在最大移相时，可变电容Cvar最大，传输线阻抗应为50 Ω。在此条件下，很容易确定整个传输线的电路结构。

　　3 新型移相器设计

　　设计移相器时，希望能够得到尽可能大的相移和尽可能小的损耗。要得到大的相移就需要高可调性，由前文可知，由于BST材料本身的原因，高可调性和低损耗互为矛盾，二者不可能兼得，那么势必需要在二者之间进行权衡。有时不得不牺牲一定的相移，来得到较好的损耗。但是，科技的进步就在于人们不断挑战极限，总是希望能够做到更好，来获得低损耗而尽可能地少牺牲相移量。这也是本文的着重点。对于分布电容共面波导结构移相器来说，其损耗主要有以下原因：一是电路端口的匹配问题，二是传输线的传输损耗，三是加载的BST电容单元格之间产生的不匹配问题。对于前两个原因，可以通过公式计算和电路仿真，尽量做到最佳匹配和最小损耗。而对于原因三，本文也提出了一种新颖的设计方案。