МЕТОД РАСЧЕТА МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО АНАЛОГОВОГО ФАЗОВРАЩАТЕЛЯ

March 28, 2012 by admin Комментировать »

Голубева И. П., Прокопенко Ю. В., Казмиренко В. А., Поплавко Ю. М. Национальный технический университет Украины «КПИ» пр. Победы, 37, Киев – 03056, Украина Тел.: +38 (044) 454-90-68, e-mail: poplavko@ieee.org

Fig. 1. Piezo-ME MS analogue phase shifter design: 1 – nitride film (spring), 2, 4- electrodes,

3 – piezoelectric film

Аннотация – Целью работы является поиск оптимальных конструкций и оценка параметров микро-электромеха- нического фазовращателя сантиметровых и миллиметровых волн. Показано, что микроперемещением диэлектрических или металлических слоев над полосковой или копланарной линией передачи можно реализовать в ней полную фазовую модуляцию с минимальными вносимыми потерями.

I.  Введение

Puc. 1. Конструкция аналогового «пьезо-МЭМС» фазовращателя: 1 – нитридная пленка (пружина),

2,     4- электроды, 3 – пьезоэлектрическая пленка.

В технике СВЧ в последнее время все большее значение приобретают микроэлектромеханические системы (МЭМС), которые отвечают требованиям совместимости с микроэлектронной технологией и характеризуются низкими вносимыми потерями. Эти системы могут применяться в диапазоне частот

-120 ГГц [1, 2]. К преимуществам СВЧ МЭМС относят линейность характеристик и низкую стоимость, а их недостатками являются невысокое быстродействие (10-40 мкс), высокое управляющее напряжение (20 – 80 В), невысокая СВЧ мощность (20 – 50 мВт) и необходимость полной герметизации устройства. Перечисленные недостатки обусловлены, главным образом, использованием электростатического поля для управления МЭМС и, как утверждается в данной работе, могут быть преодолены, если применить в МЭМС электрострикционный (пьезоэлектрический) тип управления.

II.  Основная часть

Для реализации СВЧ фазовращателя с использованием МЭМС известны два способа:

1)  переключение отрезков передающей линии посредством многих МЭМС-выключателей, действующих по принципу p-i-n диода [3];

2)  применение управляемых МЭМС-конден- саторов – подобно варакторным диодам [4].

В первом случае фазовращатель является цифровым устройством, а во втором случае— аналоговым. Применение в аналоговом МЭМС-фазовращателе многих МЭМС-конденсаторов (расположенных в ряд над полосковой или над копланарной линией), приводит к множественным отражениям от вносимых неоднородностей, что существенно снижает характеристики устройства и его частотную полосу.

Поэтому в данной работе управление фазой по аналоговому принципу предлагается реализовать не многими отдельными МЭМС-варакторами, а одним протяженным «мостиком» вдоль полосковой или копланарной линии (рис. 1), как это было реализовано нами ранее в макроскопическом варианте пьезоуправляемого фазовращателя [5]. При этом в «пье- зоуправлямом МЭМС» расширяется возможность применения разных материалов, управляющих фазой СВЧ линии передачи путем микромеханического перемещения. Если в широко известном «электростатическом МЭМС» [1-4] над центральным электродом линии движется металлический электрод, то в предложенном фазовращателе независимый «пьезодвижитель» может перемещать не только металл, но и различные диэлектрики.

Изменение под действием управляющего электрического напряжения геометрической конфигурации устройства приводит к весьма существенному изменению показателей распространения СВЧ волны, и именно этот эффект предложено использовать для фазового сдвига.

Расчет характеристик устройства проводится методом конечных элементов, сравнительные характеристики представлены на рис. 2, 3.

Как видно из приведенных характеристик, особенностью предложенного устройства является то, что при перемещении металлического «зеркала» над поверхностью линии величина дифференциального фазового сдвига имеет противоположный знак по сравнению с перемещением над линией диэлектрических тел. При этом в области малых зазоров характеристика управления фазой ближе к линейной. Это обстоятельство является выгодным преимуществом предложенной конструкции по сравнению с устройствами с перемещением диэлектрических тел, так как последние характеризуются существенной нелинейностью. Однако в случае диэлектриков значительная часть управляемого фазового сдвига приходится на область малых зазоров (до 10 мкм). Таким образом, предоставляется широкий выбор характеристик.

III.  Заключение

Fig. 2. Specific differential phase shift (microstrip line)

Предложен и рассчитан аналоговый СВЧ фазовращатель, который выгодно использует такие преимущества МЕМС, как малые вносимые потери, линейность, а также возможность изготовления в едином микроэлектронном технологическом цикле. Показано, что пьезо-микроперемещением разных диэлектрических или металлических слоев над полосковой или копланарной линией передачи можно реализовать в ней полную фазовую модуляцию с минимальными вносимыми потерями. По сравнению с известным электростатическим, пьезоуправление повышает быстродействие и не требует герметизации устройства.

IV.  Список литературы

[1]   Rebeiz G. М., Muldavin J. В. RF MEMS switches and switched circuits. IEEE Microwave magazine, 2001, December, pp. 59-72.

[2]   De Los Santos H. J. RF MEMS circuit design for wireless communication. Artech House, Boston, 2002, pp. 267.

[3]   Mihailovich R. E, Kim М., Hacker J. S., Sovero E. A. MEM relay for reconfigurable RF circuits. IEEE Micr. Wireless Comm. Lett. 2001, V. 11, No 2, pp. 53-55.

[4]   Borgioli A., Liu Yu, Nagra A. S., York R. A. Low-loss distributed MEMS phase shifter. IEEE Microw. Theor. Tech.,

2000,               V.10, No 1, pp. 7-12.

[5]   Poplavko Y„ Kazmirenko V., Prokopenko Y„ Jeong М.,

Baik S. Low Loss Phase Shifter Based on Piezo-Controlled Layered Dielectric Structure // International Microwave Symposium, Philadelphia., 2003., pp. 437-440.

MICROELECTROMECHANICAL ANALOG PHASE SHIFTER SIMULATION

Golubeva I. P., Prokopenko Y. V., Kazmirenko V. A.,

Poplavko Y. M.

National Technical University of Ukraine “KPI”

37, Peremogy Ave., Kiev-03056, Ukraine Tel.: +38 (044) 454-90-68, e-mail: poplavko@ieee.org

Puc. 2. Удельный относительный фазовый сдвиг (микрополосковая линия).

Abstract – The study on optimal design of centimeter and millimeter waves MEMS phase shifter is presented. It is shown that micro movement of dielectric and metal bodies over the microstrip or coplanar line can provide full phase modulation without introducing extra loss.

I.  Introduction

Fig. 3. Specific differential phase shift (coplanar line)

Microelectromechanical systems (MEMS) become very important in microwave techniques. They are compatible with common microelectronic fabrication process, and offer such benefits as low insertion loss and wide frequency range of operation (1-120 GHz) [1,2]. Disadvantages of microwave MEMS are rather slow operation time (10 – 40 (.is), high controlling voltage (20 – 80 V), low transmitting power (20 – 50 mW) and the requirement of hermetic packaging. Mentioned restrictions are mainly consequences of electrostatic control commonly used in MEMS. The work presents simulation of analog piezo-controlled MEMS that make it possible to relax restrictions of conventional MEMS.

II.  Main part

Puc. 3. Удельный относительный фазовый сдвиг (копланарная линия).

At present, two kinds of MEMS phase shifters are developed. One is based on switching of transmission line sections of different length by means of MEMS switches. This operation is digital and similar to the p-i-n diode switching [3]. Other principle of phase control is based on the shift of narrow MEMS bridges over the microwave transmission line. Being subjected to control voltage, these tiny metallic bridges are bending, and by this way they change specific capacity of transmission line, that results in phase control. This type of operation is analog and resembles varactor diode operation [4]. The arrangement over the transmission line a series of capacitive bridges inevitably degrades overall system performance, particularly reducing frequency range of operation.

This paper proposes to arrange one long driving bridge over the microstrip or coplanar line (Fig. 1) as it was done before in the “macro-sized” variant of piezo-controlled phase shifter [5]. This design allows a great flexibility in that sense that different materials such as dielectrics and conductors can be moved by the actuator.

Simulation of proposed device is performed utilizing finite elements method. Fig. 2 presents a comparison of device operation for different designs. Interesting peculiarity of proposed device is the fact that differential phase shift induced by hovering of conductive “mirror” is negative comparing to case of dielectric perturbation. In the same time control curve is more close to linear in contrast to dielectric design.

III.  Conclusion

New type of microwave analogue piezo-MEMS phase shifter is presented. It offers such benefits as broad frequency range of operation, higher operation speed, low insertion loss, and absence of necessity for hermetic packaging.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты