BST铁电薄膜移相器应用于天线阵的研究

BST铁电薄膜移相器是微波和毫米波通信系统中的重要组成部分，特别是对于天线阵列设计和相控阵技术而言。BST（BaSrTiO3，钛酸锶钡）材料是一种固溶体，因其铁电特性而被广泛应用于电子和光电子领域。它能够通过改变其化学成分比例调整居里温度（Curie temperature，TC），在居里温度以下为铁电相状态，在居里温度以上则为顺电相状态。由于其介电常数会随着外部电场的变化而变化，这种特性使BST材料成为了移相器的理想选择。 在天线阵列中，移相器通过改变传输信号的相位来控制波束的方向，从而实现波束扫描和指向性控制。传统的移相器如铁氧体移相器由于设计复杂、体积大以及高频性能有限而受到限制；PIN二极管移相器在微波频段存在较大的功耗问题；MEMS移相器虽然具有低损耗的优势，但其开关速度较慢，相位灵敏度不高。相比之下，铁电介质移相器具有高精度、低损耗、高相位灵敏度以及工作频率高的优点。 本研究中提到的共面波导（CPW，Coplanar Waveguide）型BST铁电薄膜移相器是一种重要的移相器设计形式。共面波导技术的优点在于与有源器件和无源器件的连接非常方便，不需要在介质基片上打孔，能够实现电路的小型化和信号完整性。在加载BST铁电薄膜的共面波导结构中，通过改变偏置电场，可以调节BST薄膜的介电常数，进而改变微波信号的相速度，达到移相的目的。 在天线阵列设计方面，矩形贴片天线由于其加工简单、易实现阻抗匹配的特点而被选用。天线的设计参数包括贴片的尺寸（长度、宽度）、介质基片的厚度、介电常数和损耗因子。在本研究中，工作频率被设定为16GHz，通过设计一个1×4微带贴片天线阵，配合BST铁电薄膜移相器，实现了在给定不同偏置电场下微波信号的延迟时间不同，进而通过调节BST铁电薄膜的介电常数实现天线阵辐射方向性±10°转向及相控天线阵的移相特性。 研究者们利用全波电磁仿真软件HFSS（High Frequency Structure Simulator）对加载了BST铁电薄膜移相器的1×4天线阵列进行了建模、仿真和优化。仿真结果表明，加载BST铁电薄膜移相器的天线阵辐射方向性可以通过调整BST薄膜的介电常数来改变，从而实现±10°的转向。 铁电材料之所以受到研究者的青睐，是因为它们具有可调的高介电常数、宽广的频率调节范围、高功率容量、快速的控制速度和低插入损耗等特点。这些特性使得它们非常适合用于制造频率可调的天线阵列和微波器件。 本研究展示了BST铁电薄膜移相器在天线阵列中的应用潜力，特别是在提高相控阵天线的性能方面。通过调节BST铁电薄膜的介电常数，可以实现天线阵列的精确波束控制，这对于卫星通信、雷达系统、无线局域网络以及其它需要精确波束控制的通信系统来说具有重大意义。