硅基铁电薄膜太赫兹信号移相器研制

发布时间：2018-06-07 00:03

本文选题：相控阵 + 太赫兹　；参考：《国防科学技术大学》2016年博士论文

【摘要】：相控阵雷达因其扫描速度快、质量体积小而得到广泛应用,如果将其工作频率拓展到太赫兹波段,有望实现穿障探测、高分辨成像等。雷达的微型化、单片化是近年来的重要发展方向,由于硅工艺的快速发展,硅基CMOS集成成为单片雷达的首选方案。近年来,太赫兹源与收发器的研究取得一定进展,相对而言信号预处理器件研究较少。移相器是相控阵雷达中需求量最大的预处理器件,现有移相技术难以满足太赫兹单片雷达发展需求,亟需寻求新的解决途径。钛酸锶钡((Ba,Sr)TiO_3,BST)是一种介电常数电可调的铁电材料,其薄膜具有材料漏流低、响应速度快、易于集成等优势,在制备太赫兹波段硅基移相器应用中具有巨大潜力。本文基于BST薄膜材料研制硅基太赫兹移相器,开展了BST薄膜制备与表征、移相器设计仿真与制备和移相器石墨烯电极探索等方面研究,具体研究内容与创新点有以下4点:(1)采用脉冲激光沉积法(Pulsed Laser Deposition,PLD)在高阻硅(high resistivity Silicon,hrSi)衬底上制备BST薄膜,并通过高温后退火处理提高了薄膜的耐受电压。为了精确提取BST薄膜的高频特性,本文提出了一种基于共面波导(Coplanar Waveguide,CPW)传输线散射参数的特性提取方法:等角匹配(Conformal Mapping,CM)加速的三维有限元(Three Dimension Finite Element Method,3D-FEM)仿真法,并采用该方法提取了BST/hrSi样片0.1 GHz-110 GHz介电特性。与现有方法相比,该方法能够克服导体简化模型和准横电磁模(quasi Transverse Electromagnetic Mode,quasi-TEM)等引入的模型误差,且通过CM算法加速迭代过程,降低了3D仿真导致的时间开销。(2)基于左手传输线移相器结构,设计了一款中心工作频率100 GHz,带宽10 GHz的BST薄膜移相器,并开展了器件制备与测试试验。为降低器件损耗,开展了器件低损耗设计,提出铬电极偏置电压线和图形化BST薄膜两种低损耗设计方法,有效地降低了器件损耗。与现有左手移相器相比,本文设计的移相器工作频率有大幅度提高,中心工作频率从现有的20GHz提高到100GHz,带宽从2GHz提高到10GHz,铬电极偏置电压线移相器插入损耗5dB,图形化BST薄膜移相器插入损耗7dB,与现有研究相比分别降低了3dB和1dB。(3)基于分布电容移相器结构,设计了一款超宽带移相器,并开展了器件制备与测试试验,测试结果表明器件工作频率高达100GHz,带宽25GHz以上,损耗低于5.7dB,与现有30GHz移相器相比,损耗相当。本文将铬偏压电极与图形化BST低损耗设计方法拓展到分布电容移相器设计中,有效地降低了器件损耗,其中铬电极移相器损耗降低至2.5dB,图形化BST移相器降低至1.9dB。(4)由于金属导体趋肤效应的影响,金属电极损耗会随频率升高而升高,阻碍器件工作频率进一步提高。石墨烯材料(Graphene)具有电子迁移率高、导电性好、趋肤效应不明显等特性,本文据此首次提出采用Graphene/Au组合结构制备移相器电极,降低器件高频损耗,为探索更高频率移相器奠定基础。围绕移相器石墨烯电极,开展了石墨烯薄膜制备与表征、石墨烯薄膜转移、石墨烯电极图形化等工作,制备了相应的石墨烯CPW传输线,并对传输线特性进行了测试。这是对新型传输线和新材料应用的一次全新探索。
[Abstract]:Based on BST thin film material , a new method for the preparation and characterization of BST thin films has been developed . In this paper , a novel ultra - wideband phase shifter is designed based on the structure of the phase shifter of the left - handed transmission line . The results show that the operating frequency of the device is 100 GHz , the bandwidth is 25GHz or more , the loss is lower than 5.7 dB , and the loss of the device is reduced compared with the existing research . ( 4 ) The metal electrode loss increases with increasing frequency due to the effect of the skin effect of metal conductor . The graphene material has the characteristics of high electron mobility , good conductivity and no obvious skin effect .
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN623

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