Dielectric Characteristics of a Ferroelectric Phase Shifter with a Thin Amorphous Film
DOI:
https://doi.org/10.24160/0013-5380-2026-1-23-29Keywords:
ferroelectric phase shifter, thin film, barium strontium titanate, ferroelectric phase, nonlinearity coefficient, dielectric constant, loss coefficient, dielectric loss tangent, resonant frequencyAbstract
The article considers a study of the frequency responses and the nonlinearity coefficient of a ferroelectric (FE) phase shifter, which is the basis for the operation of phased array antennas. The composition of the barium-strontium titanate film (BaxSr1-xTiO3, BST) with a Ba/Sr ratio of 70/30 corresponded to the FE phase at ambient temperature. Thin amorphous BST films were obtained by RF ion-plasma deposition with a thickness of 57 to 323 nm. Structurally, the device studied was a planar capacitor, and the dielectric constant of the FE film in it was calculated based on the obtained capacitance values using the conformal mapping and partial capacitance methods. The study results have shown that the FE films of this composition have a high nonlinearity coefficient (up to 5.1) and low dielectric loss tangent values (no more than 0.019). Frequency studies of the samples have shown stable values of the dielectric constant, loss factor, and dielectric loss tangent up to a resonant frequency ranging from 122 to 165 MHz. The operating frequency range can be increased by modifying the geometry and electrode deposition technology. Therefore, the use of BST films in the ferroelectric phase is promising, and their amorphous structure can help reduce the cost of phased array antennas.
References
1. Вендик О., Парнес М. Фазовращатели сканирующих антенн для радаров обзора территорий. – Беспроводные технологии, 2007, № 3 (8), с. 28–30.
2. Юрцев О.А. Антенны бегущей волны, антенные решетки, антенны коротких, средних и длинных волн. Ч. 3. Минск: БГУИР, 2001, 72 с.
3. Фирсенков А.И. и др. Сегнетоэлектрические плёнки с температурностабильными характеристиками для устройств СВЧ. – СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии, 2020, № 1-2, с. 259–260.
4. Майстренко А., Кочемасов В. СВЧ-фазовращатели на основе сегнетоэлектриков. – СВЧ-электроника, 2017, № 1, с. 42–47.
5. Zhang X. et al. Dielectric Property and Tunability of Multilayer BST-BTO Thin Film in the Terahertz Range. – Optics & Laser Technology, 2022, vol. 155, DOI: 10.1016/j.optlastec.2022.108366.
6. Gatea H.A., Naji I.S. The Effect of Ba/Sr Ratio on the Curie Temperature for Ferroelectric Barium Strontium Titanate Ceramics. – Journal of Advanced Dielectrics, 2020, vol. 10, No. 5, DOI: 10.1142/S2010135X20500216.
7. Мыльников И.Л. и др. Измерения температурных зависимостей ёмкости конденсаторных структур на основе BTO и BST в режиме "охлаждение – нагрев". – Электроника и микроэлектроника СВЧ, 2022, т. 1, c. 324–329.
8. Тумаркин А.В. и др. Сегнетоэлектрические пленки титаната бария-стронция на подложке полуизолирующего карбида кремния. – Письма в журнал технической физики, 2016, т. 42, № 8, С. 70–77.
9. Вендик О.Г., Зубко С.П., Тер-Мартиросян Л.Т. Корреляционные эффекты в сегнетоэлектрическом тонкопленочном конденсаторе. – Физика твердого тела, 1996, т. 38, № 12, с. 3654–3664.
10. Ribeiro C. et al. Flash Sintering of Tunable Dielectric Ba0.6Sr0.4TiO3 Electroceramics. – Journal of the European Ceramic So-ciety, 2024, vol. 44, No. 15, DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2024.116761.
11. Мухортов В.М. и др. Наноразмерные сегнетоэлектрические пленки – новая активная среда для микроэлектроники. – Наука Юга России, 2022, т. 18, № 4, с. 33–43.
12. Маслова Л.А. и др. Исследование структуры и диэлектрических характеристик нанопленок титаната бария-стронция, полученных высокочастотным распылением. – Вакуумная техника и технология, 2010, т. 20, № 2, с. 101–104.
13. Сидоркин А.С., Нестеренко Л.П., Железный С.В. Исследование размерных эффектов в сегнетоэлектрических пленках для создания устройств СВЧ диапазона. – Вестник Воронежского института МВД России, 2021, № 3, с. 111–119.
14. Усачев А.Е. Методы расчета электрических полей. Казань: Казанский государственный энергетический университет, 2013, 111 с.
15. Вендик О.Г., Никольский М.А. Учет нелинейности сегнетоэлектрического слоя в модели планарного конденсатора. – Письма в журнал технической физики, 2003, т. 29, № 5, с. 20–29.
16. Вендик О.Г., Зубко С.П., Никольский М.А. Моделирование и расчет емкости планарного конденсатора, содержащего тонкий слой сегнетоэлектрика. – Журнал технической физики, 1999, т. 69, № 4, с. 1–7.
17. Васильев А.Н., Вендик О.Г., Якушин И.В. Влияние мощности СВЧ сигнала на управляемость сегнетоэлектрического фазовращателя. – Журнал технической физики, 2011, т. 81, № 10, с. 55–59.
18. Steer M.B., Palmer W.D. Multifunctional Adaptive Microwave Circuits and Systems. Edison: SciTech Publishing, 2009, 460 p.
19. Бойков Ю.А. и др. Диэлектрический отклик эпитаксиальных пленок Ba0.75Sr0.25TiO3 на электрическое поле и температуру. – Физика твердого тела, 2002, т. 44, № 11, с. 2061–2068.
#
1. Vendik O., Parnes M. Besprovodnye tehnologii – in Russ. (Wireless Technology), 2007, No. 3 (8), pp. 28–30.
2. Yurtsev O.A. Antenny begushchey volny, antennye reshetki, antenny korotkih, srednih i dlinnyh voln. Ch. 3 (Traveling Wave Anten-nas, Antenna Arrays, Short, Medium and Long Wave Antennas. Part 3). Minsk: BGUIR, 2001, 72 p.
3. Firsenkov A.I. et al. SVCh-tehnika i telekommunikatsionnye tehnologii – in Russ. (Microwave Technology and Telecommunication Technologies), 2020, No. 1-2, pp. 259–260.
4. Maystrenko A., Kochemasov V. SVCh-elektronika – in Russ. (Microwave Electronics), 2017, No. 1, pp. 42–47.
5. Zhang X. et al. Dielectric Property and Tunability of Multilayer BST-BTO Thin Film in the Terahertz Range. – Optics & Laser Technology, 2022, vol. 155, DOI: 10.1016/j.optlastec.2022.108366.
6. Gatea H.A., Naji I.S. The Effect of Ba/Sr Ratio on the Curie Temperature for Ferroelectric Barium Strontium Titanate Ceramics. – Journal of Advanced Dielectrics, 2020, vol. 10, No. 5, DOI: 10.1142/S2010135X20500216.
7. Myl’nikov I.L. et al. Elektronika i mikroelektronika SVCh – in Russ. (Microwave Electronics and Microelectronics), 2022, vol. 1, pp. 324–329.
8. Tumarkin A.V. et al. Pis’ma v zhurnal tehnicheskoy fiziki – in Russ. (Letters to the Journal of Technical Physics), 2016, vol. 42, No. 8, pp. 70–77.
9. Vendik O.G., Zubko S.P., Ter-Martirosyan L.T. Fizika tverdogo tela – in Russ. (Solid State Physics), 1996, vol. 38, No. 12, pp. 3654–3664.
10. Ribeiro C. et al. Flash Sintering of Tunable Dielectric Ba0.6Sr0.4TiO3 Electroceramics. – Journal of the European Ceramic Society, 2024, vol. 44, No. 15, DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2024.116761.
11. Muhortov V.M. et al. Nauka Yuga Rossii – in Russ. (Science of the South of Russia), 2022, vol. 18, No. 4, pp. 33–43.
12. Maslova L.A. et al. Vakuumnaya tehnika i tehnologiya – in Russ. (Vacuum Engineering and Technology), 2010, vol. 20, No. 2, pp. 101–104.
13. Sidorkin A.S., Nesterenko L.P., Zheleznyy S.V. Vestnik Voronezhskogo instituta MVD Rossii – in Russ. (Bulletin of the Voronezh Institute of the Ministry of Internal Affairs of Russia), 2021, No. 3, pp. 111–119.
14. Usachev A.E. Metody rascheta elektricheskih poley (Methods for Calculating Electric Fields). Kazan’: Kazanskiy gosudarstvennyy energeticheskiy universitet, 2013, 111 p.
15. Vendik O.G., Nikol’skiy M.A. Pis’ma v zhurnal tehnicheskoy fiziki – in Russ. (Letters to the Journal of Technical Physics), 2003, vol. 29, No. 5, pp. 20–29.
16. Vendik O.G., Zubko S.P., Nikol’skiy M.A. Zhurnal tehni-cheskoy fiziki – in Russ. (Journal of Technical Physics), 1999, vol. 69, No. 4, pp. 1–7.
17. Vasil’ev A.N., Vendik O.G., Yakushin I.V. Zhurnal tehni-cheskoy fiziki – in Russ. (Journal of Technical Physics), 2011, vol. 81, No. 10, pp. 55–59.
18. Steer M.B., Palmer W.D. Multifunctional Adaptive Micro-wave Circuits and Systems. Edison: SciTech Publishing, 2009, 460 p.
19. Boykov Yu.A. et al. Fizika tverdogo tela – in Russ. (Solid State Physics), 2002, vol. 44, No. 11, pp. 2061–2068
