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Controlled power divider on the basis of thin-film ferroelectric elements
Abstract
A construction of ferroelectric thin film controllable microwave power divider is presented. The X-band power divider has exhibited continuous redirection of input microwave power for each of two outputs from -3 dB to -35 dB.
This PhD thesis concerns the realization of tunable microwave functions using KTa1-xNbxO3 (KTN) thin films developed at the Unité Sciences Chimiques in Rennes.
Our research work began by developing a thin film characterization method whose measurement conditions were very close to those of our future circuits. The analyses of KTN thin films deposited on different substrates highlighted the strong influence of the chosen substrate on the microwave dielectric properties of KTN.
Thereafter, we realized several sets of demonstrators (interdigital capcitors and stub resonators) with the aim to evaluate the potential of KTN thin films for the realization of microwave agile devices. Numerous substrates and KTN compositions were studied to identify the couple which presents the most interesting performances. KTa0,5Nb0,5O3 thin films deposited on sapphire appeared to be the most promising couple and had been privileged for our future realizations.
Afterwards, new systems of measurement were developed to enable the application of high bias voltages. Several type of circuits were then realized and measured: reflection- and transmission-type capacitors, stop-band and pass-band resonators, phase-shifters and filters. Taken as a whole, measured performances demonstrate the high agility potential of KTN-based circuits. On the other hand, insertion losses are even too elevated. Chemical and electronic research leads to improve the performances of these devices are very promising and let us hope, at mid-term, a possible integration of our agile devices in multistandards front-ends.
Cette thèse porte sur l'élaboration de fonctions hyperfréquences accordables à base de couches minces ferroélectriques KTa1-xNbxO3 (KTN) développées à l'Unité Sciences Chimiques de Rennes 1.
Notre travail a débuté par la mise au point d'une méthode de caractérisation adaptée à des couches d'épaisseur très faible dans des conditions de mesure proches de celles de nos futurs dispositifs. L'analyse de couches minces KTN déposées sur des substrats différents a mis en évidence une forte influence du substrat sur les propriétés diélectriques hautes fréquences de KTN.
Par la suite, nous avons réalisé plusieurs séries de démonstrateurs (capacités interdigitées et résonateurs stub) afin de tester le potentiel des couches minces KTN pour l'accordabilité en hautes fréquences. De nombreux substrats et compositions KTN ont été étudiés afin d'identifier le couple présentant les performances les plus intéressantes. Les couches minces de KTa0,5Nb0,5O3 déposées sur saphir se sont avérées les plus prometteuses et ont été privilégiées pour la suite de nos travaux.
Puis, de nouveaux systèmes de mesure ont été mis en place pour permettre l'application de tensions de commande importantes. Plusieurs types de circuits ont alors été réalisés puis mesurés dont des capacités variables en transmission et en réflexion, des résonateurs de type coupe-bande et passe-bande, des déphaseurs et des filtres. Globalement, les performances obtenues démontrent le très fort potentiel des dispositifs utilisant des couches minces KTN en terme d'agilité. Par contre, les pertes d'insertion observées sont pour l'instant trop élevées. Les pistes actuellement explorées pour l'amélioration des performances de ces dispositifs, tant sur le plan de la réalisation des couches que de la conception des circuits, sont très prometteuses et laissent présager, à moyen terme, une intégration possible de ces dispositifs au sein de front-end multistandards.
The nonlinear response of ferroelectric BaxSr1−xTiO3 films to microwave electric field intensity up to ∼3×106 V/m was studied. Two techniques were used for this investigation: (i) 10 GHz pulsed power measurements, and (ii) 4 GHz intermodulation distortion (IMD) measurements. The nonlinear distortion of the resonant curve under microwave pulsed power and generation of the third-order IMD products in microwave resonators using ferroelectric film planar capacitors were measured. The use of microwave pulses and continuous signals enabled the separation of the nonlinear dielectric response from the heating response of the ferroelectric films and the microwave nonlinear parameters of the ferroelectric films to be determined. It is shown that up to a specified value of microwave voltage amplitude the nonlinear response of BaxSr1−xTiO3 film capacitors can be predicted from the small signal capacitance–voltage characteristics. Formulas to estimate power handling capability connected with the field dielectric nonlinearity and the film overheating are derived for the tunable microwave devices based on ferroelectric films. © 2000 American Institute of Physics.