Механизмы поляризации в термостабильной БЛТ керамике на сверхвысоких частотах Часть 1: Особенности «жестких» параэлектриков

Розглянуто «жорсткі» параелектрики як матеріал з високою діелектричної проникністю і малими втратами на НВЧ. Описано вплив різних видів поляризації на діелектричні та температурні властивості параелектриків. Описана тетрагональна структура рутила й встановлено вплив кисневих октаедрів TiO₆ на діелектричну проникність параелектриків.The "hard" paraelectrics as a material with a high dielectric constant and low loss at microwave frequencies are considered. The impact of different types of polarization on the dielectric and thermal properties of paraelectric is described. The tetragonal rutile structure is considered and the influence of the oxygen octahedrons TiO₆ on the dielectric constant of the paraelectric is established.Рассмотрены «жесткие» параэлектрики как материал с высокой диэлектрической проницаемостью и малыми потерями на СВЧ. Описано влияние различных видов поляризации на диэлектрические и температурные свойства параэлектриков. Описана тетрагональная структура рутила и установлено влияние кислородных октаэдров TiO₆ на диэлектрическую проницаемость параэлектриков

Dielectric constants of bulk ferroelectric PZTmeasured by terahertz time-domain spectroscopy

The complex permittivity of bulk ceramic ferroelectric of nominal composition PbZr0.4Ti0.6O3 was measured in the range 0.2–2 THz using transmission time-domain spectroscopy. The results indicate strong absorption and dispersion in this frequency range as often seen in highly disordered and polar materials. The results are compared to equivalent thin film data in the literature, and significant differences in the real and imaginary permittivity suggest that substrate clamping and degree of polarisation of the ferroelectric thin film materials affect dielectric properties even at these high frequencies

Пироотклик в полупроводниках группы АIIIВV в условиях ограничения их деформации

Показано, що скалярний тепловий вплив може викликати піроелектрику в п'єзоелектричних класах полярних кристалів, і найважливіше застосування цього ефекту очікується у напівпровідниках-п'єзоелектриках групи АIIIВV. Штучний піроелектричний ефект визначається як механічно індукована поляризація в частково затиснутому п'єзоелектрику, підданому рівномірному нагріванню. Часткове затискання створюється неоднорідними граничними умовами, які обмежують теплову деформацію п'єзоелектричного кристала, забезпечуючи створення в ньому рівномірно але не ізотропно напруженого стану. Обмеження планарною деформації в площині (111) пластини або мембрани з напівізолюючих кристалів типу АIIIВV відкриває можливості розробки нового типу мікроелектронних датчиків. Вони можуть мати переваги в порівнянні з гібридними «діелектрик - напівпровідник» датчиками і напівпровідниковими датчиками, яким необхідно охолодження.Under the anisotropy of boundary conditions, a high-gap III-V semiconductor indicates a behavior of pyroelectric crystal (in spite of it is a piezoelectric only). Partial limitation of strain in the [111]-plate of this crystal provides its substantial electric response to time-variation of temperature dT(t) or pressure dp(t). Herewith the voltage sensitivity of semi-insulating GaAlAs or GaN sensor is close to one of the PZT ceramics. However, PZT cell-transducer used as sensor device needs a hybrid integration with semiconductor amplifier. Unlike of this, if sensor device is based on the III-V crystal, transducer and amplifier are various parts of one crystal chip.Показано, что скалярные тепловое воздействие может вызвать пироэлектричество в пьезоэлектрических классах полярных кристаллов, и самое важное применение этого эффекта ожидается полупроводниках-пьезоэлектриках группы АIIIВV. Искусственный пироэлектрический эффект определяется как механически индуцированная поляризация в частично зажатом пьезоэлектрике, подвергнутому равномерному нагреву. Частичное зажатие создается неоднородными граничными условиями, которые ограничивают тепловую деформацию пьезоэлектрического кристалла, обеспечивая создание в нем равномерного но не изотропного напряженного состояния. Ограничение планарной деформации в плоскости (111) пластины или мембраны из полуизолирующих кристаллов типа АIIIВV открывает возможности разработки нового типа микроэлектронных датчиков. Они могут иметь преимущества по сравнению с гибридными датчиками типа «диэлектрик-полупроводник» и полупроводниковыми датчиками, которым необходимо охлаждение

Механизмы поляризации в термостабильной БЛТ керамике на сверхвысоких частотах Часть 2: Подавление «мягкой» моды парамагнетизмом

Об'єктами дослідження є вакансійні перовскітоподібні структури BaLn2Ti4O12 (БЛТ). Ці полікристалічні діелектрики виділяються серед багатьох інших СВЧ діелектриків тим, що їх проникність ε в кілька разів вища, ніж в інших типах СВЧ кераміки. Процес електронної релаксації із вкрай низькою енергією активації не впливає на НВЧ втрати, але визначає термостабільність БЛТ. Час релаксації дуже малий за рахунок нанорозмірних кластерів, електронних за своєю природою і вбудованих в структуру БЛТ. Діелектричні втрати в кераміці цього типу пов'язані зі структурним розупорядкуванням, особливо якщо присутня друга полярна фаза.The objects of study are vacant perovskite-like structures of BaLn2Ti4O12 (BLTs). These polycrystalline dielectrics allocated among many other microwave dielectrics that their permittivity ε is several times higher than in other types of microwave ceramics. Electronic relaxation process with extremely low activation energy has no influence on microwave losses but defines BLTs dielectric thermal stability. Very low relaxation time is due to the nanoscale clusters, electronic by their nature and build-in the BLT structure. Dielectric losses of this type ceramics are associated with structural disordering, especially if the second polar phase is present.Объектами исследования являются вакансионные перовскитоподобные структуры BaLn2Ti4O12 (БЛТ). Эти поликристаллические диэлектрики выделяются среди многих других СВЧ диэлектриков тем, что их проницаемость ε в несколько раз выше, чем в других типах СВЧ керамики. Процесс электронной релаксации с крайне низкой энергией активации не влияет на СВЧ потери, но определяет термостабильность БЛТ. Время релаксации очень мало за счет наноразмерных кластеров, электронных по своей природе и встроенных в структуру БЛТ. Диэлектрические потери в керамике этого типа связаны со структурным разупорядочением, особенно если присутствует вторая полярная фаза

Перестройка микрополосковых резонаторов СВЧ без ухудшения добротности

Розглянуто шлейфовий і кільцевий мікросмужні резонатори з мікромеханічним перелаштуванням. Показані основні відмінності мікромеханічного методу перелаштування резонансної частоти від інших існуючих методів, а також їх недоліки і переваги. Приведені розрахункові та експериментальні залежності резонансної частоти резонаторів від величини повітряного проміжку між сигнальним електродом та підкладкою, а також експериментальні та теоретичні залежності для власної добротності шлейфового резонатора. Розглянуті залежності діелектричних втрат та втрат у металічних частинах мікромужкового резонатора від величини нормованого повітряного проміжку. Розглянута оцінка похибки вимірювань для приведених експериментальних даних.Stub and ring resonators with resonance frequency micromechanical tuning are presented. Benefits and main differences of micromechanical resonance frequency tuning method from other methods are shown. Normalized dependences of effective permittivity on normalized air gap values for various microstrip line electrode width to substrate height ratios are obtained. Effective permittivity analytical formulas for the case of infinitely wide electrodes are derived. Calculated and experimental dependences of resonance frequency on air gap value and stub experimental unloaded quality factor dependences are given. Air gap influence on resonance frequency value depending on substrate permittivity is shown in terms of the resonance frequency sensitivity. Error estimation for measured experimental data is presented. Adding tunable heterogeneity between the microstrip resonator signal electrode and the substrate provides not only the resonance frequency tuning but preserves unloaded quality factor. The preservation of the unloaded quality factor during the resonance frequency tuning achieved due to the metal and dielectric loss reduction. Air gap doesn’t have dissipative losses and has permittivity of one, which makes it the best solution for unloaded quality factor preservation. Another important conclusion is that insertion of the air heterogeneity reduces values of dielectric and metal losses arising when substrates with high permittivity are used. For dielectric loss reduction, it is important to maintain low ratio of microstrip line width to substrate height. In contrast to dielectric losses for metal loss reduction the ratio of microstrip line width to substrate height should be high. However, that ratio is limited by impedance permissible range.Представлены шлейфовый и кольцевой резонаторы с микромеханическим управлением. Показаны основные отличия микромеханического метода перестройки резонансной частоты от других существующих методов, а так же их недостатки и преимущества. Приведены расчетные и экспериментальные зависимости резонансной частоты резонаторов от величины воздушного зазора между сигнальным электродом и подложкой, а также экспериментальные зависимости для собственной добротности шлейфового резонатора. Рассмотрены зависимости диэлектрических потерь и потерь в металлических частях микрополоскового резонатора от величины нормированного воздушного зазора. Представлена оценка погрешности измерений для приведенных экспериментальных данных

Температурные зависимости потерь в СВЧ диэлектриках

Температура є одним з важливих факторів, що впливають на коефіцієнт діелектричних втрат. В даний час електроніка активно освоює гігагерцовий діапазон частот. Зростання частоти призводить до збільшення саморозігріву діелектрика в електричному полі НВЧ. Нагрівання діелектриків також може бути викликане зовнішніми джерелами тепла. У цій статті представлено дослідження температурних залежностей НВЧ діелектричних втрат для різних механізмів поляризації та наведено результати математичного моделювання.Temperature is one of the important factors that affect to the coefficient of dielectric loss. Currently electronics is actively developing in the gigahertz frequency range. The frequency growth leads to the increasing of dielectric self-heating in the microwave electric field. Heating of dielectrics might be caused also by the external sources of heat. This paper presents the investigation of temperature dependences of the microwave dielectric losses for different mechanisms of polarization. The results of mathematical modelling are shown as well.Температура является одним из важных факторов, влияющих на коэффициент диэлектрических потерь. В настоящее время электроника активно осваивает гигагерцовый диапазон частот. Рост частоты приводит к увеличению саморазогрева диэлектрика в электрическом поле СВЧ. Нагрев диэлектриков также может быть вызван внешними источниками тепла. В этой статье представлено исследование температурных зависимостей СВЧ диэлектрических потерь для различных механизмов поляризации. Также показаны результаты математического моделирования

СВЧ свойства композитных структур металл-диэлектрик

Діелектричні втрати, які характеризують перетворення електричної енергії в теплову, є важливим електрофізичним параметром діелектриків. Фактично ці втрати визначаються ефективною провідністю матеріалу. Тому в даній статті описані основні механізми втрат і їх внесок в ефективну провідність діелектричних матеріалів НВЧ. Проаналізовано частотну залежність ефективної провідності.Dielectric losses, that characterize the transformation of electrical energy into heat energy, are an important electro-physical parameter of the dielectrics. In fact these losses are determined by the material’s effective conductivity, so it is one of the most practical characteristics. Therefore, this article describes the main loss mechanisms and their contribution to the microwave effective conductivity of the dielectric materials. The frequency dependence of the effective conductivity is analyzed.Диэлектрические потери, характеризующие преобразование электрической энергии в тепловую, являются важным электрофизическим параметром диэлектриков. Фактически эти потери определяются эффективной проводимостью материала. Поэтому в данной статье описаны основные механизмы потерь и их вклад в эффективную проводимость диэлектрических материалов СВЧ. Проанализированы частотную зависимость эффективной проводимости

Перелаштування мікросмужкових резонаторів НВЧ без погіршення добротності

Stub and ring resonators with resonance frequency micromechanical tuning are presented. Benefits and main differences of micromechanical resonance frequency tuning method from other methods are shown. Normalized dependences of effective permittivity on normalized air gap values for various microstrip line electrode width to substrate height ratios are obtained. Effective permittivity analytical formulas for the case of infinitely wide electrodes are derived. Calculated and experimental dependences of resonance frequency on air gap value and stub experimental unloaded quality factor dependences are given. Air gap influence on resonance frequency value depending on substrate permittivity is shown in terms of the resonance frequency sensitivity. Error estimation for measured experimental data is presented. Adding tunable heterogeneity between the microstrip resonator signal electrode and the substrate provides not only the resonance frequency tuning but preserves unloaded quality factor. The preservation of the unloaded quality factor during the resonance frequency tuning achieved due to the metal and dielectric loss reduction. Air gap doesn’t have dissipative losses and has permittivity of one, which makes it the best solution for unloaded quality factor preservation. Another important conclusion is that insertion of the air heterogeneity reduces values of dielectric and metal losses arising when substrates with high permittivity are used. For dielectric loss reduction, it is important to maintain low ratio of microstrip line width to substrate height. In contrast to dielectric losses for metal loss reduction the ratio of microstrip line width to substrate height should be high. However, that ratio is limited by impedance permissible range.Представлены шлейфовый и кольцевой резонаторы с микромеханическим управлением. Показаны основные отличия микромеханического метода перестройки резонансной частоты от других существующих методов, а так же их недостатки и преимущества. Приведены расчетные и экспериментальные зависимости резонансной частоты резонаторов от величины воздушного зазора между сигнальным электродом и подложкой, а также экспериментальные зависимости для собственной добротности шлейфового резонатора. Рассмотрены зависимости диэлектрических потерь и потерь в металлических частях микрополоскового резонатора от величины нормированного воздушного зазора. Представлена оценка погрешности измерений для приведенных экспериментальных данных.Перелаштування мікросмужкових резонаторів НВЧ без погіршення добротності Розглянуто шлейфовий і кільцевий мікросмужні резонатори з мікромеханічним перелаштуванням. Показані основні відмінності мікромеханічного методу перелаштування резонансної частоти від інших існуючих методів, а також їх недоліки і переваги. Приведені розрахункові та експериментальні залежності резонансної частоти резонаторів від величини повітряного проміжку між сигнальним електродом та підкладкою, а також експериментальні та теоретичні залежності для власної добротності шлейфового резонатора. Розглянуті залежності діелектричних втрат та втрат у металічних частинах мікромужкового резонатора від величини нормованого повітряного проміжку. Розглянута оцінка похибки вимірювань для приведених експериментальних даних