Наиболее известными представителями параэлектриков (криопараэлектриков) является титанат стронция, танталаты калия и другие элементы. Структуру SrTiO3 в параэлектрической фазе можно представить как плотную гранецентрированную кубическую упаковку ионов Sr2+ и O2–. Свобода смещений иона стронция должна приводить к возникновению поляризации и появлению параэлектрических свойств. Материалы типа титаната стронция относятся к виртуальным сегнетоэлектрикам, у которых при Тк<qD (qD–температура Дебая, при которой энергия тепловых колебаний решетки в твердом теле станет равной энергии самых коротких упругих волн, и все атомы веществ перейдут в возбужденное состояние) нарушается закон Кюри–Вейсса. Температурная зависимость обратной восприимчивости виртуального сегнетоэлектрика, соответствующая заметному квантовому вкладу в амплитуду колебаний кристаллической решетки показана на рисунке 7.9

Рис. 7.9. Зависимость обратной восприимчивости от температуры для виртуального сегнетоэлектрика

Зависимость диэлектрической проницаемости параэлектрика от напряженности внешнего электрического поля возникает при охлаждении материала до определенного интервала температур, в котором электрическая поляризация не пропорциональна электрическому полю даже в слабых полях (рис. 7.10). Эта нелинейность связана с насыщением поляризации кристалла из-за его высокой поляризуемости под воздействием управляющего поля  при температурах близких к Тк. Если при росте поля Е достигается насыщение поляризации, то величина e должна  уменьшаться с увеличением напряженности поля Е. Так как  выше точки Кюри в параэлектриках домены отсутствуют, то диэлектрические потери в параэлектриках сравнительно невелики, поэтому в качестве нелинейных диэлектриков их можно использовать вплоть до частот 108¸1011Гц .

Для практического применения параэлектриков на СВЧ желательно, чтобы температурная зависимость e(T) была наименьшей, а нелинейность по полю наибольшей.

Рис. 7.10. Xарактерные зависимости для параэлектриков: а, б – зависимости диэлектрической проницаемости от температуры и напряженности поля; в – зависимость температурного коэффициента диэлектрической проницаемости от температуры; г – изменение нелинейности  N  (по определению N=1/e·de/dE) от напряженности поля (по Резу И.С. и Поплавко Ю.М.).

Такие свойства трудно совместить в одном кристалле. Тем не менее, имеющиеся монокристаллы и поликристаллические пленки позволяют обеспечивать достаточно хорошие характеристики активных параэлектрических элементов в СВЧ диапазоне.

Так как диэлектрическая дисперсия в параэлектриках структуры перовскита начинается на частотах около 1011 Гц, нелинейность не должна зависеть от частоты в СВЧ диапазоне при изменении поля в широких пределах. При расчетах активных элементов на основе параэлектриков можно использовать экспериментальные характеристики e(E) материала, учитывая лишь их зависимость от температуры. Важно отметить, что в сегнетоэлектриках при Т > TC тангенс угла диэлектрических потерь растет с ростом напряженности электрического СВЧ поля:

tgd=tgd0+AE~2.

(7.6)

Для керамики на основе титаната стронция коэффициент  A @ 10–14 м22. Можно показать, что при достаточно большой напряженности СВЧ поля упругие параметры среды оказываются промодулированными с частотой  СВЧ поля. Рост tgd с увеличением Е~ – это механизм потерь, присущий самой природе сегнетоэлектрика. Однако критическое поле, при котором начинается рост потерь на высоком уровне СВЧ поля, может быть повышено за счет использования пленочных образцов сегнетоэлектрика и управления спектром акустических колебаний.

Для применения в качестве параметрических усилителей, например, модуляторов сигналов СВЧ, фазовращателей перспективны СВЧ вариконды, обладающие малой инерционностью управления, высокой радиационной стойкостью и устойчивостью к перегрузкам. При низких температурах наиболее подходящим является танталат калия, имеющий при гелиевых температурах весьма низкие диэлектрические потери, а при нормальных температурах – вариконды типов ВК-7 и ВК-8 .

В заключение  отметим положительные свойства параэлектриков, служащих основой построения всевозможных интегральных элементов и функциональных устройств (по В.Н. Алфееву):

Ø     аномально высокое значение e при малых потерях;

Ø     высокая крутизна e(E);

Ø     отсутствие дисперсии в широком спектре частот;

Ø     сильная температурная зависимость e(E) вблизи температуры фазового    перехода (Tк);

Ø     резонансное поглощение волн ИК-диапазона на частотах длинноволновых поперечно-оптических колебаний;

Ø     сверхпроводимость в легированных параэлектриках;

Ø     объемный размерный резонанс;

Ø     электронный и акустический  параэлектрический резонансы;

Ø     высокая динамическая нелинейность;

Ø     симметричная зависимость e(E) и др.