[en] ELECTRO-THERMAL TREATMENT OF DIELECTRIC SUBSTRATES FOR PLANAR MICROWAVE CIRCUITS

[pt] TRATAMENTO ELETRO TÉRMICO DE SUBSTRATOS DIELÉTRICOS PARA CIRCUITOS PLANARES DE MICROONDAS

[pt] RODOLFO ARAUJO DE AZEVEDO LIMA

[pt] POLARIZACAO ELETRO-TERMICA

[pt] CIRCUITOS PLANARES DE MICROONDAS

[pt] SUBSTRATOS DE MICROONDAS

[en] THERMAL POLING

[en] PLANAR MICROWAVE CIRCUITS

[en] MICROWAVE SUBSTRATES

[pt] Diversos fatores têm atraído esforços para o desenvolvimento de novas estruturas para circuitos planares de microondas. Várias propostas são encontradas na literatura técnica, explorando diferentes formas de miniaturização dos circuitos, melhoria de eficiência de acoplamento, aumento de banda ou redução de perdas. Entre elas, encontra-se a utilização de materiais ferroelétricos, cujas propriedades dielétricas podem ser alteradas com a aplicação de uma tensão elétrica, permitindo a fabricação de uma nova classe de dispositivos ativos compactos; contudo, esses materiais têm desvantagens como altas perdas e dificuldades de fabricação. Em paralelo, a disseminação das telecomunicações ópticas gera uma demanda de novos componentes ópticos para os sistemas: mais eficientes, com maior capacidade e menor custo. A utilização de fibras ópticas de sílica em telecomunicações torna desejável que esses novos componentes sejam realizados em materiais compatíveis com a sílica, como por exemplo alguns tipos de vidro. A polarização eletro térmica surgiu como uma forma de produzir dispositivos eletro-ópticos ativos a partir de vidros utilizados como substratos de guias de onda ópticos passivos. Neste trabalho, os processos de tratamento eletro-térmicos utilizados nos substratos ópticos são aplicados a substratos dielétricos para uso em microondas. São verificados os efeitos resultantes nas alterações das propriedades dielétricas na faixa de microondas e a aplicação potencial em componentes e circuitos. Os tratamentos se constituem fundamentalmente na aplicação de alta tensão ao substrato na presença de temperatura elevada, visando à migração controlada de íons no material. Os substratos estudados são a alumina, substrato tradicional de microondas com elevada constante dielétrica, e os vidros, boro-silicato e sodo-cálcico, que estão atualmente sendo utilizados como substratos para guias ópticos e para construção de dispositivos ópticos ativos. É caracterizada a perda dielétrica dos vidros tratados para utilização como substrato para circuitos planares de microondas. O desenvolvimento de dispositivos ópticos ativos em substratos vítreos também implica na fabricação de circuitos elétricos de microondas sobre o mesmo substrato, para alimentar esses dispositivos com dados em altas taxas. Os vidros possuem altas perdas dielétricas nessa faixa devido à presença de íons alcalinos. A criação, pelo tratamento eletro-térmico, de uma camada de depleção de íons, próxima à superfície abaixo do circuito, permite a redução dessas perdas efetivas em circuitos planares. Outro efeito investigado é a possibilidade de se produzir um comportamento similar ao efeito ferroelétrico em um substrato de microondas. A camada de depleção criada pelo tratamento eletro-térmico provoca alterações na estrutura e permite a gravação de um campo elétrico estático devido ao deslocamento de íons. É estudada a influência desse campo dentro do material na variação de suas propriedades dielétricas, e a resposta à aplicação de uma tensão de controle externa. Estuda-se então a possibilidade de substituição por substratos tratados dos materiais ferroelétricos no desenvolvimento de componentes como chaves, acopladores e atenuadores variáveis e filtros de microondas.

[en] Several factors have been attracting research efforts to the development of new planar structures for microwave planar circuits. Various proposals can be found in the technical literature, exploring different ways of miniaturization of circuits, improvement of coupling efficiency, increase of bandwidth or reduction of losses. Among these is the use of ferroelectric materials, whose dielectric properties can be altered with the application of an electrical voltage, enabling the fabrication of a new class of compact active devices; however, such materials present some disadvantages, like very high losses and difficulties in manufacturing. Parallel to that, the dissemination of optical telecommunications generates a demand for new optical components for the systems, with greater efficiency and capacity but lower cost. Due to the use of silica optical fibers in telecommunications, it is desirable that these new components are fabricated in materials compatible to silica, as for example some types of glass. The electro-thermal polarization emerged as a way of producing active electro-optical devices from glass substrates used for passive optical waveguides. In this work, the processes of electro-thermal treatment used in optical substrates are applied to dielectric substrates for microwave use. The resulting effects on the changes in dielectric properties in the microwave frequency range and potential application in components and circuits are assessed. Such treatments are constituted fundamentally by the application of high voltage to the substrate in the presence of high temperature, aiming at the controlled migration of ions in the material. The substrates considered are alumina, conventional microwave substrate with high dielectric constant, and glasses, borosilicate and soda-lime, which are currently being used as substrates for optical waveguides and for the construction of active optical devices. The dielectric loss of treated glasses as substrates for planar microwave circuits is characterized. The development of active optical devices in vitreous substrates also implies the manufacture of microwave electrical circuits on the same substrate, in order to feed these devices with data at high rates. Glasses have high dielectric losses in this frequency range due to the presence of alkali ions. The creation by the electro-thermal treatment of an ion- depleted layer, near the surface below the planar circuit, enables the reduction of the effective losses in planar circuits. Another investigated effect is the possibility of creating a behavior similar to the ferroelectric effect in the microwave substrate. The depletion layer created by the electro-thermal treatment causes alterations in the structure and allows the recording of a static electric field by the displacement of ions. The influence of this field within the material on the variation of its dielectric properties, and the response to the application of an external control voltage are assessed. Then, the substitution for treated substrates of ferroelectric materials in the development of components such as switches, variable couplers and attenuators and microwave filters is considered.

MARIA CRISTINA RIBEIRO CARVALHO

ISABEL CRISTINA DOS SANTOS CARVALHO

GLAUCIO LIMA SIQUEIRA

ANTONIO DIAS DE MACEDO FILHO

RICARDO GUERRA PEREIRA

ISABEL CRISTINA DOS SANTOS CARVALHO

MARIA CRISTINA RIBEIRO CARVALHO

LUCIENE DA SILVA DEMENICIS

2009-01-23

2008-04-11

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PORTUGUÊS

https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/colecao.php?strSecao=resultado&nrSeq=12972@1

https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/colecao.php?strSecao=resultado&nrSeq=12972@2

https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.12972