|
| |
|
Слаботочка Книги велика. Наиболее подходящими являются поликристаллические диэлектрики типа АЛТК (ед = 39) и ТБНС (ед = 80). Устройства на таких ДР требуют экранировки, что увеличивает их габариты и приводит к возникновению противоречия между габаритными и энергетическими показателями. Несмотря на это, частотные полос-но-пропускающие фильтры на ДР имеют наилучший показатель качества (наименьший габаритный индекс потерь). Дальнейший прогресс в создании устройств на ДР связан с увеличением диэлектрической проницаемости материала. Особый интерес в этом отношении представляют параэлектрики, диэлектрическая проницаемость которых достигает нескольких тысяч. Важньш их свойством является нелинейная зависимость поляризации от напряженности приложенного к ним электрического поля. Пара-электрические устройства СВЧ существуют пока на уровне лабораторных исследований, вследствие сильной температурной зависимости диэлектрической проницаемости и высоких диэлектрических потерь существующих материалов при нормальных температурах. Проводимые в течение последних лет интенсивные исследования и разработка новых составов диэлектриков с большой диэлектрической проницаемостью позволили создать и внедрить в технику СВЧ целый ряд высокоэффективных твердотельных частотно-избирательных устройств СВЧ на диэлектрических резонаторах. Введение, гл. 3 и 6 написаны авторами совместно, гл. 1 - Т. Н. Нарытником и В. Б. Федоровым, гл. 2, 4 и 5 - Ю. М. Безбо-родовым и В. Б. Федоровым, гл. 7 - Ю. М. Безбородовым. Глава 1. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ 1. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ РЕЗОНАТОРОВ К диэлектрикам, которые применяют для изготовления ДР, предъявляют следующие требования: низкие диэлектрические потери (tg б 10~); высокая диэлектрическая проницаемость (бд = = 30...2000); высокая электрическая и механическая прочность; высокая стабильность электрических параметров в широком интервале температур; высокая однородность структуры и воспроизводимость электрических характеристик; стабильность свойств при воздействии различных внешних факторов; низкая себестоимость, доступность сырья и материалов, технологичность. Основные параметры ДР - собственная добротность Qq, резонансная частота /о, температурные коэффициенты частоты и добротности (ТКЧ и ТК Qo), а также объем - определяются свойствами материала, из которого он изготовлен, т. е. диэлектрической проницаемостью бд, тангенсом угла диэлектрических потерь tg б, температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости ТК 8д и тангенсом угла диэлектрических потерь ТК tg б, а также температурным коэффициентом линейного расширения а. Величина Бд материала определяет объем V резонатора и возможности его микроминиатюризации. Миниатюризация основана на том, что длина электромагнитной волны в диэлектрике, а значит, и размеры резонатора уменьшаются в ед раз, при этом объем V резонатора уменьшается соответственно в (V)* раз. При повышении Бд снижаются дополнительные потери на излучение в окружающее пространство. Однако при слишком большой диэлектрической проницаемости возникают технологические трудности, связанные с повышенными требованиями к допускам линейных размеров и чистоте обработки поверхности. Оптимальная величина диэлектрической проницаемости зависит от рабочей частоты, типа возбуждаемых волн (обычно настпойка миниатюрного ДР на рабочую частоту проводится на низшем типе колебания) и от требований к оптимальным геометрическим размерам ДР. С учетом снижения потерь на излучения и технологии изготовления желательно иметь следующие значения ед материалов:
Важнейшим требованием к диэлектрику является требование ииаких диэлектрических потерь, определяющих величину собствен- ной добротности Qo. с учетом tg б современных диэлектрических материалов в 3-сантиметровом диапазоне на низшем типе колебания Qo = 2000...20 ООО, что превышает добротность полых резонаторов. Для сравнения отмет! м, что добротность резонаторов типа шепчущей галереи из сапфира, охлажденных до температур жидкого гепия, на высших типах колебаний Qo = 10 Затухание электромагнитных колебаний в ДР в значительной мере обусловлено релаксацией механических и термоупругих напряжений, а также структурных дефектов в резонирующем образце. Поэтому механические напряжения, возникающие вблизи структурных дефектов кристалла (крупных сколов, инородных металлических и газовых включений), приводят к снижению добротности резонаторов. Например, вследствие термической обработки (отжиг в воздушной среде при температуре 1300 °С и последующий отжиг в вакууме при давлении 5 10~ Па и температуре 1600... 1700 °С) для снижения термоупругих и механических напряжений, возникающих в процессе выращивания кристаллов лейкосапфира, удалось повысить Qo кольцевых резонаторов в 1,3-1,8 раза [46]. Стабильность параметров ДР зависит от ТК ед и ТК tg б, так как внешняя термостабилизация устройств СВЧ хотя и возможна (в частности, твердотельными термоэлектрическими охладителями на эффекте Пельтье), но нежелательна. Эта зависимость в интервале температур АГ определяется следующими соотношениями: ТКЧ - - - !- L д а - L ТКр - п.- /о ДГ - 2 ед ДГ ---зУДбд -а, (1.1) Поэтому кроме высокой ед и малого tg б СВЧ-диэлектрики должны обладать высокой термостабильностью ТК ед (ТК ед = = 10-*...-10- град- и ТК tg6 = 10 ...-10- град ). Получить материал с высокой диэлектрической проницаемостью и термостабильностью особенно в СВЧ-диапазоне, где можно использовать только быстрые процессы поляризации (упругую поляризацию), трудно, так как обычные методы изменения электрофизических свойств (введение примесей, регулировка концентрацией дефектов) приводят к диэлектрическим потерям. Высокую поляризуемость без существенного поглощения электромагнитной энергии на частотах 1...100 ГГц можно получить только при электронной (оптической) и ионной (инфракрасной) поляризациях. Другие процессы поляризации приводят к высоким потерям. Как известно, электронная поляризация характеризуется небольшим по величине и отрицательным температурным коэффициентом (ТК ед 10~ град-), что обусловлено температурным изменением плотности диэлектрика. Однако вклад этого процесса поляризации в большинстве кристаллов невелик и редко превышает Вооб. Следовательно, для получения высокодобротного СВЧ-диэлектрика 1 [2] 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 |