Что такое вариконд и где он применяется

Вариконд

Полезное

Смотреть что такое «Вариконд» в других словарях:

вариконд — конденсатор Словарь русских синонимов. вариконд сущ., кол во синонимов: 1 • конденсатор (8) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин … Словарь синонимов

ВАРИКОНД — (от англ. vari(able) переменный и cond(enser) конденсатор) сегнетокерамический конденсатор с резко выраженной нелинейной зависимостью емкости от приложенного к нему напряжения. Емкость вариконда (номинальная) от 10 пФ до 1 мкФ с кратностью… … Большой Энциклопедический словарь

ВАРИКОНД — сегнетокерамический конденсатор с резко выраженной нелинейной зависимостью ёмкости от приложенного к его обкладкам электрического напряжения … Большая политехническая энциклопедия

вариконд — [от англ. vari(able) переменный и cond(enser) конденсатор], сегнетокерамический конденсатор с резко выраженной нелинейной зависимостью ёмкости от приложенного к нему напряжения. Ёмкость вариконда (номинальная) от 10 пФ до 1 мкФ с кратностью… … Энциклопедический словарь

вариконд — (англ. varicond vari(able) переменный + cond(enser) конденсатор) сегнето керамический конденсатор с резко выраженной нелинейной зависимостью емкости от величины напряжения, приложенного к его пластинам. Новый словарь иностранных слов. by EdwART … Словарь иностранных слов русского языка

Вариконд — Условное графическое обозначение вариконда Вариконд (англ. variable переменный и англ. condenser&#1 … Википедия

вариконд — варикап; отрасл. варактор; вариконд Полупроводниковый диод, предназначенный для применения в качестве конденсатора с электрически управляемой емкостью. Сегнетоконденсатор с резко выраженными нелинейными свойствами … Политехнический терминологический толковый словарь

вариконд — varikondas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. varicond vok. Varikond, m rus. вариконд, m pranc. condensateur à capacité variable avec la tension, m; variconde, m … Fizikos terminų žodynas

ВАРИКОНД — [англ. vancond, от van(able) переменный и cond(enser) конденсатор] сегнетокерамич. конденсатор электрический с резко выраженной нелинейной зависимостью ёмкости от приложенного к его обкладкам электрич. напряжения. Ёмкость В. (номинальная) 10 пФ 1 … Большой энциклопедический политехнический словарь

вариконд — варик онд, а … Русский орфографический словарь

Источник

Вариконды и их применение

1. Основные свойства

1.1 Основные свойства сегнетокерамики ВК

1.2 Частотные характеристики

1.3 Конструкции варикондов

2. Изготовление керамических конденсаторов

2.1 Изготовление конденсаторных элементов

2.2 Электроды для конденсаторов

3. Основные применения

3.1 Возможные применения импульсных схем, управляемых с помощью варикондов

Интенсивное использование сегнетоэлектриков в технике началось после открытия Б.М.Вулом сегнетоэлектрических свойств у керамического титаната бария BaTiO3. Вскоре после этого под руководством Г.А. Смоленского было открыто большое число новых керамических сегнетоэлектриков как простого, так и сложного состава.

В настоящее время известно несколько сотен сегнетоэлектриков, многие из которых могут изготовляться в виде поликристаллических материалов по керамической технологии. Наиболее изученным является титанат бария, поэтому для описания свойств новых сегнетокерамических материалов проводят их сравнение со свойствами BaTiO3.

В научной литературе многих зарубежных стран сегнетоэлектрики называются также и ферроэлектриками. Это обусловлено формальным сходством явлений сегнетоэлектричества (ферроэлектричества) и ферромагнетизма.

1. Основные свойства

1.1 Основные свойства сегнетокерамики ВК

), температурой Кюри и другими параметрами.

Первые шесть материалов ВК-1. ВК-6 в нормальных условиях являются сегнетоэлектриками,и их нелинейные свойства оцениваются по характеру зависимости поляризации и диэлектрической проницаемости от напряженности переменного электрического поля. Материал ВК-7 является параэлектриком и рассматривается отдельно. Для всех материалов при увеличении поля поляризация возрастает и достигает насыщения (рис.1.1). Кривая P(E

Зависимости диэлектрической проницаемости от напряженности поля для шести видов нелинейной керамики и титаната бария приведены на рис.1.2. При увеличении поля, в соответствии с законом изменения поляризации Р(E

Степень нелинейности оценивается по изменению диэлектрической проницаемости материала (или емкости вариконда) под воздействием постоянного и переменного напряжений, приложенных к образцам.

Поляризация сегнетоэлектриков (полная, остаточная, спонтанная, индуцированная), коэрцитивное поле Ec, поле насыщения, коэффициенты прямоугольности, гистерезисные потери определяются из осциллограмм петель гистерезиса, снятых при разных значениях напряженности поля. В некоторых случаях такими осциллограммами полнее всего можно охарактеризовать нелинейные свойства варикондов и судить о процессах переполяризации в веществе при том или ином значении электрического поля.

По значению температуры Кюри нелинейные сегнетокерамические материалы ВК-1?ВК-7 можно разделить на пять групп.

Длительность пилообразного импульса около 5000 мксек. На выходе спусковой схемы с варикондом длительность прямоугольных импульсов и период их следования изменяются во времени, как показано на рис.3.2,а.

При увеличении напряжения смещения Есм2 длительность импульсов спусковой схемы и их число за время действия модулирующего напряжения изменяются. Кроме того, с переходом после максимума на реверсивный участок характеристики управления изменяется и закон модуляции импульсов. Из спадающего по длительности ряд импульсов становится спадающе-нарастающим и, наконец, нарастающим по длительности.

Управляя напряжением смещения, амплитудой модулирующего напряжения и законом его изменения, можно получать различные комбинации групп импульсов с пилообразным, синусоидальным, экспоненциальным, ступенчатым и т.п. законами изменения длительностей импульсов в группе при односторонней или двусторонней модуляции.

Использовав импульсы спусковой схемы в качестве стробирующих для селектора, на выходе селекторного каскада получим кодовые комбинации нормированных по длительности импульсов. Число импульсов в кодовой

группе определяется длительностью соответствующего импульса спусковой схемы и изменяется в пределах кодовой пачки по закону модуляции длительности стробирующих импульсов во времени (рис.3.2,б).

На этом принципе можно построить различные варианты шифраторов, у которых управление параметрами кодовых групп будет выполняться раздельно или одновременно:

— по числу импульсов в кодовой группе nгр;

— по числу групп импульсов в пачке кода Nгр;

— по периоду следования кодовых групп в пределах пачки Tгр;

— по периоду следования импульсов кода в группе Tи;

— по закону изменения указанных параметров кода во времени от пачки к пачке Uy (t).

Так, например, вместо пилообразного напряжения фантастрона в схеме (рис.3.3) можно использовать синусоидальное напряжение управляемой частоты и амплитуды.

Если перед селектором поставить еще и блокинг-генератор с варикондом, управляемый тем же (или другим) модулирующим напряжением, то будет изменяться частота следования импульсов в кодовой группе. Можно в фантастрон включить вариконд по схеме с двойным управлением (рис.3.4) и изменять дополнительно период следования пачек кодовых групп по нужному закону во времени и т.д.

Таким образом, предлагаемый способ электрического управления параметрами импульсного кода при весьма простом схемном осуществлении может обеспечить независимое или согласованное одновременное изменение по крайней мере четырех параметров последовательности импульсов. Описанный выше вариант шифратора является простейшим.

Источник анодного напряжения Eа=+300 в имел ионную стабилизацию. При замене генератора, обеспечивающего частоту v3 = 4 кгц, калибратором дистанций 27-И частота v3 была равна 15 кгц, причем шифратор работал так же стабильно, как при v3 = 4 кгц.

Разрешающая способность шифратора по схеме рис.3.3 достаточно высокая и может характеризоваться величиной ступеньки квантования порядка 0,36—3 в в зависимости от величины постоянного смещения на вариконде,определяющего чувствительность схемы с варикондом БК4—524пф. Потенциальная величина разрешающей способности схемы кодирования, очевидно, будет определяться чувствительностью схемы временного преобразователя (в данном случае спусковой схемы с варикондом) к управляющему напряжению и стабильностью работы схемы.

В зависимости от конкретных технических условий может быть составлена соответствующая схема шифратора, обеспечивающая управление необходимыми параметрами кодовых групп.

Исследование принципов построения кодирующих устройств с управляемыми параметрами, рассмотрение количественных характеристик возможных комбинаций кодов и анализ статистических данных шифраторов ограничивает круг вопросов, представляющих самостоятельную тему, несомненно актуальную для практического применения в различных устройствах телеметрической и связной аппаратуры.

В качестве некоторых возможных применений такого способа кодирования можно указать следующие:

1)для использования в системах опознавания с дистанционным управлением кодом;

2)для кодированной передачи уровней напряжения, несущего информацию;

3)для телеметрического управления;

4)для радиотелеграфной и импульсно-телеграфной связи;

5)для цифровых вольтметров и т. п.

Спусковая схема или другая схема, управляемая через вариконд, выполняющая роль преобразователя «напряжение—время», может использоваться в цифровых счетных машинах в качестве преобразователя времени. Для этого выход селектора нужно подключить к обычному регистру или триггерному счетчику на необходимое число разрядов двоичного кода. В этом случае код на выходе селектора будет состоять из одной группы импульсов с периодом повторения Tи2= l/v2, число импульсов в которой будет пропорционально амплитуде управляющего напряжения на вариконде, а на выходе счетчика это число будет закодировано двоичным кодом. Модулятор (фантастрон) при этом не нужен.

Одним из перспективных направлений развития импульсной техники является использование новых, преимущественно нелинейных, радиотехнических приборов и материалов, позволяющих разрабатывать импульсные схемы и устройства, основанные на ранее неизвестных эффектах, обеспечивающих получение принципиально отличных способов управления параметрами импульсов и более эффективных количественных характеристик импульсных схем.

Вариконды как нелинейные емкости, созданы на основе сегнетокерамики. Они являются представителями новых радиотехнических приборов, а их применение в качестве электрически управляемых безынерционных чувствительных элементов импульсных устройств до сих пор исследовано недостаточно и весьма слабо освещено в технической литературе.

Широкое внедрение импульсных методов и устройств в радиолокацию, телемеханику, автоматику, вычислительную технику, аппаратуру систем автоконтроля и автоматического управления делает весьма актуальной проблему эффективного и быстрого использования новых технических возможностей, предоставляемых вариконда ми для электрического управления характеристиками импульсных схем в ламповом, транзисторном и микромодульном исполнении.

Применение варикондов в качестве электрически управляемых чувствительных элементов импульсных схем позволяет:

а)получать качественно и количественно новые характеристики управления схемами, недостижимые в этих схемах с линейными конденсаторами;

б)увеличить чувствительность и диапазон управления параметрами импульсов в десятки раз при реверсивных (если необходимо) свойствах характеристик управления;

в)осуществлять автоматическое управление такими параметрами импульсов и схем, как длительность, период следования, коэффициент деления частоты, коэффициент пересчета и др.;

г)полностью использовать потенциальные возможности схем путем осуществления «двойного», «тройного» управления и т. д.

До настоящего времени наиболее существенными недостатками импульсных устройств, ограничивающими возможности применения импульсных генераторов, являются трудности в обеспечении высокой временной стабильности параметров импульсов и недостаточно широкий диапазон плавного управления ими по длительности и по амплитуде.

1. Вариконды в электронных импульсных схемах. Под ред. В.Ю.Булыбенко. Издательство «Советское радио», 1971г.

3. Окадзаки К. Технология керамических диэлектриков, Энергия, Москва, 1976г.

Источник

Тонкопленочные вариконды — новые управляемые конденсаторы

Вариконды — это нелинейные конденсаторы, емкость которых зависит от приложенного напряжения.

Рабочим диэлектриком варикондов является сегнетоэлектрический материал, нелинейность диэлектрической проницаемости которого лежит в основе принципа работы вариконда.

Вариконды как дискретные элементы низкочастотной радиоаппаратуры появились еще в 50‑е годы прошлого века [1]. Нелинейные свойства варикондов позволяют очертить возможные области их применения в радиоаппаратуре (в электронных устройствах техники связи, радио, телевидения, радиолокации, радиоретрансляции, измерительной технике) в качестве управляемых элементов для выполнения следующих функций:

В настоящее время практический интерес к применению варикондов связан с разработками в области СВЧ-техники, в первую очередь систем радиолокации на основе фазированных антенных решеток (ФАР).

Основной функциональный элемент ФАР — это фазовращатель, устройство для управления фазой сигнала, излучаемого единичным модулем ФАР. Способность фазо-вращателя управлять фазой сигнала обеспечивается наличием в его составе электронных компонентов (полупроводниковых, ферромагнитных или сегнетоэлектрических), параметры которых изменяются под воздействием приложенного к ним магнитного или электрического поля (или под воздействием протекающего через них тока).

ФАР включает в себя большое количество (от сотен до десятков тысяч) однотипных единичных управляемых модулей, СВЧ-излучение которых характеризуется фазой сигнала, задаваемой входящим в состав модуля фазовращателем. А значит, фазовращатели должны обладать малой мощностью в цепях управления, высоким быстродействием, высокой надежностью и умеренной стоимостью изготовления при массовом производстве.

Целесообразность применения варикондов при разработке фазовращателей для ФАР на частоту 3–10 ГГц обосновывается следующими факторами [3]:

В 1980‑е годы в опытном производстве изготовлялись вариконды ВК‑7 (на основе одноименного сегнетокерамического материала), предназначенные для использования на частоте до единиц ГГц. Однако уровень эксплуатационных и массо-габаритных характеристик не позволяет использовать их в разработках современных СВЧ-устройств, что связано с недостатками принятой для получения рабочего диэлектрика керамической технологии.

Возможность применения современных варикондов в СВЧ-устройствах обеспечена принципиальным повышением уровня их эксплуатационных и массо-габаритных характеристик благодаря замене керамической технологии изготовления варикондов на тонкопленочную.

Наиболее перспективными СЭ-материа-лами для использования в качестве рабочего диэлектрика вариконда являются твердые растворы Ba_xSr_1‑xTiO₃(БСТО). В литературе встречаются публикации, посвященные свойствам этого композита для различных соотношений Ba и Sr.

Основным требованием к электрическим параметрам сегнетоэлектрического материала является оптимальное сочетание величины диэлектрической проницаемости (ε) и повышенной управляемости с малыми диэлектрическими потерями в микроволновом диапазоне. Указанные параметры должны реализовываться в тонких пленках сегнетоэлектриков, работающих при повышенных электрических полях, что требует оптимизации состава диэлектрика, технологии получения пленок и конструкции вариконда.

Наиболее используемые методы нанесения пленок БСТО — высокочастотное магнетронное распыление керамических мишеней требуемого состава и осаждение пленок методом разложения подходящих металлоорганических соединений.

Как всякий электрический конденсатор, вариконд характеризуется емкостью, тангенсом угла потерь (измеряемым обычно на низкой частоте для удобства контроля при технологических проверках), а также сопротивлением изоляции, электрической прочностью и температурной стабильностью. Однако для использования в качестве управляемого элемента СВЧ-цепей важнейшими его характеристиками являются коэффициент управления при заданном управляющем напряжении и добротность на СВЧ.

Как видно на рис. 1, поясняющем характер зависимости емкости вариконда от управляющего напряжения, коэффициент управления К_У > 1.

Рис. 1. Характер зависимости емкости вариконда от управляющего напряжения

Добротность вариконда на СВЧ есть величина, обратная тангенсу угла потерь при соответствующей частоте (она не коррелирует с величиной тангенса угла потерь, измеренного при низких значениях частоты), характеризующая потери СВЧ-энергии в вариконде.

Следует отметить, что управляющее напряжение — это параметр, который не всегда требует минимизации. Например, в фазовращателях для передающих ФАР высокое значение управляющего напряжения позволяет уменьшить модуляцию фазы излучаемого сигнала.

По конструкции тонкопленочные вариконды бывают двух типов: планарные (электроды вариконда расположены в одной плоскости) и «вертикальной» конструкции (с расположением электродов типа «сэндвич»); по каждому типу конструкции существует обширная патентная литература.

Общее представление о планарной конструкции вариконда дает рис. 2.

Рис. 2. Эскиз вариконда планарной конструкции

Принципиально важные элементы этой конструкции: диэлектрическая подложка, на которую нанесен слой рабочего диэлектрика из сегнетоэлектрического материала, и электроды, разделенные зазором.

Выбор величины рабочего зазора (обычно несколько мкм) связан как с конструктивно-технологическими нормами производства, так и с требованиями по величине управляющего напряжения. (Приемлемый уровень коэффициента управления при использовании пленок БСТО, осажденных методом высокочастотного магнетронного распыления, достигается при средней напряженности поля 30–45 В/мкм.)

Практически реализуемые конструкции более сложны, так как должны обеспечить как технологические требования (например, сочетаемость материалов в процессе изготовления), так и эксплуатационные (надежность, способность к монтажу в аппаратуру).

На рис. 3 приведен пример структуры слоев планарного вариконда по [4, 5].

Рис. 3. Пример структуры слоев планарного вариконда

Конструкция тонкопленочного вариконда двухэлектродной конструкции показана на рис. 4. Такие вариконды могут быть, например, встроены в разрыв микрополосковой линии.

Рис. 4. Конструкция тонкопленочного вариконда

Эти вариконды предназначены для автоматизированного поверхностного монтажа (соответствуют типоразмеру 0603) с упаковкой в трехслойную перфорированную бумажную ленту.

На рис. 5 показана печатная плата для проведения испытаний, на которой установлены вариконды с помощью автоматизированного монтажа.

Рис. 5. Вариконды после автоматизированного монтажа на печатной плате

Вариконды могут иметь и трехэлектродную конструкцию, предназначенную, например, для соединения микрополосковой линии с «земляной» плоскостью. На рис. 6 представлен внешний вид вариконда КН1-7 АЖЯР.673553.001 ТУ.

Рис. 6. Внешний вид вариконда КН1-7

Существенное свойство планарной конструкции варикондов состоит в ограниченности реализуемого диапазона емкости. Правда, для применения в СВЧ-устройствах большие номиналы емкости варикондов, как правило, и не требуются. Вариконды планарной конструкции можно с успехом применять не только при создании фазовращателей, но и в управляемых фильтрах и линиях задержки.

Применение планарных варикондов особенно целесообразно для устройств высокой СВЧ-мощности, где повышенное постоянное или импульсное напряжение управления (сотни вольт) не является препятствием для их использования. Однако для применения в малосигнальных устройствах необходимо радикальное снижение управляющих напряжений до уровня, обычно используемого в полупроводниковой электронике (десятки вольт). В рамках планарной конструкции это ведет к серьезным технологическим и конструктивным проблемам, связанным с получением характерных топологических размеров менее 1 мкм.

Одним из путей решения задачи обеспечения технологичности является реализация «вертикальных» структур типа «металл – ди-электрик – металл» (МДМ) на основе тонкой СЭ-пленки, в которых уменьшение толщины СЭ-пленки (менее 1 мкм) позволяет получить необходимый коэффициент управления ( К_У ≥ 2) при напряжении менее 40 В.

На варикондах «вертикальной» конструкции можно получить значительно бóльшие номиналы емкости.

На рис. 7 приведен эскиз устройства «вертикального» вариконда.

Рис. 7. Эскиз устройства «вертикального» вариконда:
1 — подложка;
2 — нижний электрод;
3 — диэлектрик;
4 — верхний электрод

Слой СЭ-материала БСТО наносится методом вакуумного радиочастотного распыления материала мишени в кислородсодержащей атмосфере при высокой (до +900 °С) температуре подложки, на которую производится осаждение распыляемого материала. При другом способе нанесения материалов типа БСТО — разложением металлоорганических соединений — для обеспечения должной кристаллической структуры и свойств осаждаемых слоев производится операция отжига при температуре порядка +1000 °С. Так как до нанесения слоя рабочего диэлектрика на подложке уже должен быть сформирован нижний электрод вариконда, то материал нижнего электрода должен быть стоек к воздействию высокой температуры при осаждении слоя БСТО или отжига, а также не должен вступать в химическое взаимодействие с осаждаемым слоем. Известно [6], что этому требованию соответствуют некоторые тугоплавкие благородные металлы, например платина.

Основные недостатки платины как металла для нижнего электрода вариконда — это трудности обеспечения адгезии к подложке и высокая стоимость.

Отказаться от использования платины в процессе создания пленочного вариконда и обеспечить при этом приемлемые значения параметров варикондов можно, если, например, применить в качестве материала нижнего электрода высоколегированный кремний. В этом случае пластина из монокристаллического кремния используется также в качестве подложки пленочного вариконда. Кремний — тугоплавкий материал, он способен выдерживать высокую температуру в процессе магнетронного распыления и осаждения слоя материала БСТО. Степень взаимодействия кремния с материалом БСТО в процессе осаждения слоя в кислородной атмосфере или при отжиге слоя, полученного разложением металлоорганики, крайне незначительна, а проводимость кремния, особенно при высокой степени легирования, может быть достаточной для использования пластины кремния в качестве нижнего электрода вариконда.

Такие вариконды «вертикальной» конструкции (мы имеем в виду использование в них пластины кремния в качестве нижнего электрода вариконда) можно назвать МДП-варикондами (металл – диэлектрик – полупроводник, МДП).

На рис. 8 показан эскиз конструкции тонкопленочного МДП-вариконда, предназначенного для поверхностного монтажа [7]. В данном случае вариконд представляет собой последовательное включение двух одинаковых структур, соединенных между собой слоем высоколегированного кремния. Для уменьшения электрического сопротивления нижнего электрода такая структура дополнительно содержит слой металла, который служит для омического контакта с кремнием (например, вожженный слой алюминия).

Рис. 8. Тонкопленочный МДП-вариконд для поверхностного монтажа

В МДП-варикондах толщина рабочего диэлектрика может быть менее 1 мкм, что обеспечивает высокое значение удельной поверхностной емкости слоя из материала БСТО (тысячи пФ/мм 2 ). При этом можно ожидать, что в типоразмере 0603 предельная номинальная емкость составит 1000 пФ, а в типоразмере 0402 — 300 пФ. Предельная рабочая частота, по предварительным расчетам, составит около 40 МГц.

Коэффициент управления около 2 может быть получен при малых значениях управляющего напряжения (20–40 В).

В заключение хочется выразить надежду на то, что технический потенциал варикондов окажется востребованным широким кругом специалистов не только в СВЧ-технике, но и в сфере РЭА в целом.

Источник