|
| |
|
Слаботочка Книги с есвч = бос + вик = 20...300 следует подбирать диэлектрики с высоким e к. Высокие конструктивно-технологические характеристики, высокую надежность работы при и после воздействия различных внешних климатических и механических факторов можно получить в кристаллических (керамических) материалах, которые значительно дешевле и технологичнее, чем монокристаллы. Кроме того, резонаторы из керамических диэлектриков можно изготовлять прессованием без дополнительной механической обработки. Это также снижает стоимость керамических ДР. В последние годы разработаны новые более совершенные методы изготовления керамических диэлектриков и способы управления свойствами (механическими, электрофизическими и др.) керамических материалов. Например, методом совместного осаждения компонентов можно получать диэлектрики с хорошо воспроизводимыми свойствами, а методом горячего прессования - с очень низкой пористостью и оптически прозрачные, однородные керамики. Следует отметить, что для изготовления ДР также применяют составные диэлектрики. Высокая диэлектрическая проницаемость на СВЧ, связанная с быстрыми процессами поляризации, является следствием фундаментальных свойств кристаллической решетки. Значительная восприимчивость кристаллической решетки к внешнему электрическому полю проявляется аномально большой величиной диэлектрической проницаемости диэлектрика и нелинейной зависимостью электрической индукции от напряженности электрического поля (нелинейностью поляризации). Такие диэлектрики (параэлектрики) имеют сильную температурную нестабильность. Для улучшения температурной стабильности диэлектрики смешивают с различными добавками. Параэлектрики как представители ионных кристаллов имеют инфракрасный процесс поляризации, который обусловлен индуцированным электрическим полем смещения ионных подре-шеток, и, как следствие, имеющие высокие Би.к (10*...10*) при низких диэлектрических потерях. Эти вещества не всегда имеют характеристики, удовлетворяющие всем требованиям. Однако разработанные и апробированные теоретические модели и гипотезы, результаты многочисленных исследований параэлектриков, анти- и сегнетоэлектриков позволили провести анализ свойств материалов и сформулировать требования к целенаправленному поиску и синтезу новых диэлектрических материалов для ДР СВЧ и КВЧ диапазонов. 2. НЕЛИНЕЙНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ Наиболее типичным представителем нелинейных диэлектриков - параэлектриков является титанат стронция (SrTiOg) - прозрачный желтоватый кристалл, имеющий плотность 5,122 г/см=* и температуру плавления 2080 °С. Он является основой для нелинейных и электрически управляемых ДР. При комнатной температуре ЗгТЮз кубический кристалл с Ед = 280 .320, tg б = (1...2) 10~ на частотах 5... 10 ГГц. Основной вклад в диэлектрическую проницаемость как SrliOg, так и других описываемых материалов вносит ионная поляризация, величина которой пропорциональна интенсивности колебаний (величине смещения) ионов в кристаллической решетке. Титанат стронция ие обладает дисперсией диэлектрической проницаемости до частот 10 Гц, так как самая нижняя частота поперечной оптической моды колебаний кристаллической решетки составляет (2...2,6) 102 Гц при температуре 300 К, (1,1...1,3) ЮГц при 80 К и (3...4) 10 Гц при температуре 4,2 К. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости па-раэлектриков подчиняется закону Кюри-Вейса ед(Л = еоо-г. (1.2) где боо состоит из вклада от электронной поляризации, от темпера-турно независимых поперечно-оптических колебаний и колебаний мягкой моды при температуре Г -> оо. Для параэлектриков Боо = = 30...40. Для SrllOg значение постоянной Кюри Са,= (7... 8,5) 10* К при температуре Кюри = 35...40 К. Ниже температуры 80...90 К наблюдается отклонение от закона Кюри-Вейса в результате проявления квантово-механических эффектов. Вблизи температуры 3 К диэлектрическая проницаемость все менее и менее зависит от температуры и становится постоянной без явно выраженного максимума. Важнейшим фактором, определяющим возможность использования диэлектриков, являются потери на СВЧ. Известны три механизма СВЧ-поглощения в диэлектриках: рассеяние фононов поляризационной моды на неоднородностях решетки; дипольная релаксация вследствие квазисвязанных состояний; прямое возбуждение коротковолновых колебаний решетки нелинейными электрическими дипольными моментами и дефектами решетки. В параэлектри-ках возможны еще два дополнительных механизма потерь электромагнитной энергии: 1) за счет преобразования ее в энергию гиперзвука вследствие электромеханических свойств этих веществ; 2) из-за дипольной релаксации кратковременно возникающих спонтанно поляризованных микрообластей. Второй механизм потерь имеет значение лишь в непосредственной близи температуры сегнето-электрического фазового перехода. В керамических диэлектриках добавляется механизм межкристаллитной релаксации. Кроме этого, на диэлектрические потери влияет ток проводимости как ионной, так и примесной, а также электронной проводи-мостей. Процесс рассеяния оптического фонона сегнетоэлектрической моды решетки рассмотрим на основе динамической теории сегнето-электриков, согласно которой ионную поляризацию, вызванную электромагнитной волной частоты ш, можно представить как возбуждение поляризационной моды, т. е. вынужденных колебаний поперечной оптической моды. Энергия вынужденных колебаний поляризационной моды, возбужденных внешним полем, передается в основном в низкочастотную сегнетоэлектрическую моду, так как, во-первых, частота этой моды ближе всех остальных к частоте внешнего СВЧ-поля, и, во-вторых, интенсивность колебаний этой моды превышает интенсивность двух колебаний и составляет более 90 % колебательной энергии. Переданная энергия рассеивается на других модах кристаллической решетки. Необратимая передача энергии в коротковолновые колебания решетки происходит в основном вследствие ангармоничности сегнетоэлектрической моды колебаний. Кроме ангармоничности, к рассеянию энергии колебаний приводят и отклонения от периодичности решетки из-за внедрения примесных атомов или других дефектов решетки. В нелинейных диэлектриках, по данным Сильвермана, возможны три механизма затухания основной частоты сегнетоэлектрической моды. Первый механизм дает вклад в tg б с температурно независимым коэффициентом. Он возникает из-за рассеяния виртуального поперечно-оптического длинноволнового фонона, возбужденного СВЧ-фотоном, на неоднородности решетки. В результате возникает реальный акустический фонон с частотой сОд = со. Такой двухфо-нонный процесс может возникать только на дефектах решетки, так как реальный акустический фонон с частотой сОд и одновременно в нулевым значением волнового вектора невозможен. Два других механизма затухания основного резонанса кристаллической решетки связаны с рассеянием оптического фонона поляризационной моды в результате трех-и четырехфононных процессов рассеяния из-за ангармонического взаимодействия соответственно третьего и четвертого порядков. При трехфононном взаимодействии виртуальный, поперечно-оптический фонон, генерируемый СВЧ-полем, при столкновении с акустическим фононом уничтожается им. При этом генерируется оптический фонон. При четырех-фононном взаимодействии процесс идентичен, только используются два акустических фонона. Таким образом, из-за затухания поляризационной моды получается три члена в выражении На основании исследований монокристаллов SrTiOj с различной степенью несовершенства кристаллической решетки сделан вывод о том, что коэффициенты Р и у определяются внутренними свойствами вещества, а величина а - несовершенствами решетки и равна нулю для совершенных монокристаллов. Вблизи температуры сегнетоэлектрического перехода, где закон Кюри-Вейса не выполняется, появляется дополнительное затухание. Это затухание объясняется как дипольная релаксация спонтанно-поляризационных флуктуирующих микрообластей. В отличив от затухания из-за фононного рассеяния последний механизм затухания имеет обратно пропорциональную зависимость tg б от частоты. 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 |