CPW在铁电薄膜介电常数测量中的结构优化

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)电子科技大学 作者:傅强之

  共面波导线(CPW)被广泛用于测量铁电薄膜的复介电常数。共面波导电路通常被制作在沉淀了薄膜的铝制基片上,该文分析了薄膜的复介电常数与共面波导(CPW)的尺寸与谐振频率、品质因数之间的关系。由于铁电薄膜通常是中低损耗材料,并且厚度很薄,所以周边环境对介电常数的测量结果准确度有较大的影响。为了获得更高的测试灵敏度的同时获得更高的准确度,该文对共面波导谐振器(CPW)在不同尺寸条件下,谐振频率的改变,品质因数的变化和高次模抑制进行了分析,结果显示最优结构尺寸是共面波导的缝隙宽度(g)等于共面波导的厚度(h),同时,缝隙的宽度(g)不能超过共面波导微带线宽度的两倍(2s)。

  电路和电子元器件的发展趋势是更加的小型化,集成化。由于功能薄膜材料的快速发展,铁电材料被广泛应用于各种高速电子和微波电路中。伴随着铁电材料在微波电路和系统中的广泛应用,新型材料不断被研究,薄膜制造工艺不断被优化。为了更好地引导这些研究,就必须准确地测量铁电薄膜的复介电常数。铁电薄膜通常被制作在成本低廉且拥有较小的介电损耗特性的铝制基片上,前人提出了许多测量铁电薄膜复介电常数的方法,例如:波导法,谐振腔法,自由空间法,数字电容法,全波分析方法,传输线法。其中,共面波导线作为基本结构常被用于测量铁电薄膜的复介电常数。由于铁电薄膜很薄的特点,测量的准确度和精确度受测试谐振器结构和测试环境很大的影响。

  该文分析了共面波导(CPW)谐振器不同结构尺寸(CPW 缝隙宽度(g),波导基片厚度(h),微带线宽度(s)以及CPW 谐振器与同轴馈线端距离(d))对谐振频率、品质因数及高次模的影响。研究结果表明,当共面波导的缝隙宽度(g)相当于共面波导的基片厚度(h),同时,缝隙的宽度(g)不能超过共面波导微带线宽度的两倍(2s)时,共面波导达到最优结构尺寸。此时,高次模得到良好的抑制。

  1、理论

  本文使用的多层共面波导谐振器与同轴耦合馈线端口三维示意图如图1 所示。

多层共面波导示意图

图1 多层共面波导示意图

  此次研究所使用的铁电材料已经被制作于此铝制基片上。共面波导(CPW)结构的尺寸如图1 所示。其中,"g"、"h" 和"2s" 分别表示共面波导谐振器(CPW)的缝隙宽度、波导基片厚度和微带线宽度。"d" 表示共面波导(CPW)与同轴耦合馈线端面之间的距离。同轴馈线内导体正对共面波导微带线的中心。"ε1" 表示铝制基片的介电常数;"ε2" 表示铁电薄膜的介电常数。

  结论

  在本文中,共面波导(CPW)谐振器作为最基本的结构被应用于对铁电薄膜复介电常数的测量。本文考察了CPW 谐振器的结构参数(中心微带宽度(2s),缝隙宽度(g),耦合距离(d),基片厚度(h)等),建立了共面波导(CPW)谐振器平面模型和三维模型结构,使用商用软件HFSS对CPW 谐振器进行三位电磁场仿真。仿真并讨论了中心微带宽度(2s),缝隙宽度(g),耦合距离(d),基片厚度(h)之间的关系,以及"s","g","d","h" 对CPW 谐振器谐振频率,品质因数和高次模的影响。最后,结果显示,当谐振器的尺寸满足"2s≥g=h" 的条件时,CPW 谐振器谐振频率附近的寄生模式能够被有效抑制,介电常数测量的精确度也可以得到进一步的升。

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