(1)強誘電体とその性質強誘電体材料のRF応用

近距離通信の発展

1)永井: Interface 2005/4 p.46

各種プロトコルで周波数帯域を利用

(1)強誘電体とその性質強誘電体材料のRF応用

1) 益一哉: シリコンアナログRF研究会資料 2007/8/23

各種通信技術 様々な通信技術が利用されている

(1)強誘電体とその性質強誘電体材料のRF応用

未利用周波数帯

1)総務省: 中長期における電波利用の展望と行政が果たすべき役割－電波政策ビジョンについて情報通信審議会から答申－ (2003/7)

1) 日経エレクトロニクス2006年1月30日号

(1)強誘電体とその性質強誘電体材料のRF応用

コグニティブ通信 Cognitive: 認知的状況に応じて周波数・プロトコルを変える。→時間的、空間的、周波数的に空いている帯域

(1)強誘電体とその性質強誘電体材料のRF応用

通信の今後の方向性

+ さらに色々なプロトコルが追加! ... どうする?

1) 益一哉: シリコンアナログRF研究会資料 2007/8/23

(1)強誘電体とその性質強誘電体材料のRF応用

ソフトウェアソフトウェアソフトウェアソフトウェア無線無線無線無線

実現の方法

AD変換変換変換変換してしてしてしてデジタルデジタルデジタルデジタル信号処理信号処理信号処理信号処理

多プロトコル、周波数帯域に対応するには

新技術の導入、組合せが必要

1) 益一哉: シリコンアナログRF研究会資料 2007/8/23

(1)強誘電体とその性質強誘電体材料のRF応用

リコンフィギュアラブルRF回路 RF回路の特性(周波数、帯域)を適宜、外部制御

・Multi-function複数のプロトコル、周波数に対応

・Self-compensation設計誤差吸収、温度補償

チューナブルRF回路がキー

1) 益一哉: シリコンアナログRF研究会資料 2007/8/23

(1)強誘電体とその性質強誘電体材料のRF応用

チューナブル素子

可変容量コンデンサ(varicap) : 現行　　　空乏層幅(容量)の電圧変調MEMS　　　電極間隔の変調非線形誘電体(BST)　　　非線形誘電特性の利用

C: キャパシタンス

回路の動作周波数はC, Lで決まる

L: インダクタンス

フェライト　　　非線形磁気特性の利用MEMS　　　コイル形状、シールド板の変形

V

C

0ΔVDC

ΔC

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BST Semiconductor Ferrite MEMSCost Low Middle High HighReliability Middle Good Good -Breakdown power >1W

(1)強誘電体とその性質強誘電体材料のRF応用

BSTチューナブル素子の応用研究 材料、素子、解析

モデル素子の作製: コプレーナ導波路フェーズシフタ 1-8GHz

高品質膜の育成: サファイア単結晶基板、エピタキシャル膜

GND(Al)

Signal(Al)

Gap

Port 1 Port 2

線路長 l = 10mm

W = G = 25μm

SubstrateBST( 1μm)Al(1μm)

G GW

断面図

BST 111 epitaxial

BST 111

-

BST 100 epitaxial

Orientation

0.6o13.5o

-

1.3o

Rocking Curve

FMWH

0.0160.7oR-cut Sapphire(2Pa)

0.0096.3oC-cut Sapphire(7Pa)

0.026

0.008

tan δ

(7GHz)

1.5oC-cut Sapphire(2Pa)

4.4oMgO(2Pa)

Phase Shift

(3GHz, 200V)Substrate

BST 111 epitaxial

BST 111

-

BST 100 epitaxial

Orientation

0.6o13.5o

-

1.3o

Rocking Curve

FMWH

0.0160.7oR-cut Sapphire(2Pa)

0.0096.3oC-cut Sapphire(7Pa)

0.026

0.008

tan δ

(7GHz)

1.5oC-cut Sapphire(2Pa)

4.4oMgO(2Pa)

Phase Shift

(3GHz, 200V)Substrate

(1)強誘電体とその性質強誘電体材料のRF応用

BSTチューナブル素子の応用研究 材料、素子、解析

実用的薄膜/基板構造: アルミナ基板(共同研究)

素子設計の工夫: パターン細密化、新規素子

SubstrateBST( 1μm)Al(1μm)

G GW

微細化微細化微細化微細化Gを25μでは100V以上必要1μ以下へ!

V

R0

Cf

LXtal

R1= R0

Vout

Vin

Vout

-6

-3

0

3

6

0.0 0.5 1.0 1.5

Time (μs)

V (

V)

(1)強誘電体とその性質強誘電体材料のRF応用

BSTチューナブル素子の課題

微細化による低電圧化、最適化　　　微細化によるloss増加、さらなる微細化・設計の改善

　対応策: 導体膜の選択、高周波シミュレーション実際の素子の製作　　　実際に動く回路のデモ (1GHz以下、以上)、

対象: ラジオ(低周波)、周波数変換(1GHz前後)、　　　　　　Phase shifter (1GHz以上)超高周波化　　　利用が少ない10G帯、　　　今後期待される30G以上のミリ波帯(レーダ、短距離通信)　　　　対応策: 超高周波素子製作(20G以上では光的な回路)

ほか、色々

現在の応用は特殊なものに限定されている。

(1)強誘電体とその性質強誘電体材料のRF応用

(1)強誘電体とその性質強誘電体材料のRF応用

(1)強誘電体とその性質強誘電体材料のRF応用

(Ba1-xSrx)TiO3 (ceramics) χ vs. T .

Permittivity, quality factor of dielectrics used as the microwave application . Material

Ba-Zn-Ta-O

Zr-Sn-Ti-O

Ba2Ti9O20

ZrTiO2

Ba-Nd-Ti-O

TiO2

CaTiO3

SrTiO3

Ba0.6Sr0.4TiO3

30

37

37

42

88

100

170

300

4000

12600 (@10 GHz)

5800 (@ 9 GHz)

7000 (@ 7 GHz)

4000 (@ 7 GHz)

1100 (@ 5 GHz)

14500 (@ 3 GHz)

1800 (@ 2 GHz)

1000 (@10 GHz)

50 (@10 GHz)

εr@ 25oC Q = 1/tanδ @ 25oC

A. K. Tagantsev et al: J. of Electroceramics, 11 (2003) pp.5-66D. F. Rushman et al, Trans. Fraday. Soc. 43 (1946) pp231-237

代表的な高周波誘電材料の比較