ДИСКРЕТНЫЕ ФАЗОВРАЩАТЕЛИ ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК НА МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

April 30, 2012 by admin Комментировать »

Стахов Е. А. Казанский государственный технический университет им. А. Н. Туполева 420011, Россия, Казань, К Маркса, 10 факс:(8432) 64-41-84; 38-99-24, e-mail: stakhov@ru.kstu-kai.ru

Аннотация – Рассмотрены дискретные фазовращатели ФАР на микро электромеханических системах (МЭМС), которые благодаря чрезвычайно малым размерам пригодны для использования на частотах до ЮОГГц при уровне потерь 0,6…0.7 дБ. МЭМС имеют простое устройство, пригодны для массового изготовления по поверхностной и объемной технологиям, температурно стабильны, потребляют по цепям управления незначительную мощность. Недостатками МЭМС являются ограниченные, примерно до 100 кГц, частота коммутации и срок службы, определяемый конструкцией механического устройства.

I.  Введение

Микромеханические системы (МЭМС) представляют собой структуры из неметаллических материалов (монокристаллический кремний, плавленый кварц, карбид кремния и др.) выполненные методами фотолитографии и изотропного или анизотропного травления [1, 2].

Конструктивно дискретные фазовращатели ФАР на МЭМС представляют собой микромеханическое устройство в виде гибкой мембраны (балки, консоли) из металлизированного кремния, расположенной над неподвижным электродом (металлизированный кремний). Подвижная мембрана (балка, консоль) может быть закреплена в одной или двух точках на диэлектрических опорах (Рис.1).

Если на контуре L мембрана закреплена, то z| = О

при любом t > 0.

Работа МЭМС основана на изменении характеристик полупроводниковых материалов в зависимости от деформации внешним электрическим или электромагнитным полем. Векторы внешнего поля Е и

Н можно определить как силы, действующие со стороны поля соответственно на элемент заряда или тока. Полная механическая сила, действующая на заряд равна

V

где р – плотность заряда. Если V достаточно мало, то поле внутри этой области можно считать однородным и в пределе

Для управления перемещением подвижной мембраны (электрода) используют взаимодействие – тяже- ние, определяемое в случае электростатического управления

где I = 1,2; qi- электрические заряды на электродах;

S  – площадь взаимного перекрытия электродов; S о = 8,85 10′12 [Ф/м ]; S- диэлектрическая проницаемость среды между электродами.

Емкости между соответствующими парами электродов

где ho – начальный зазор между электродами Ah-смещение подвижного электрода.

Чтобы исключить влияние изменения площади взаимного перекрытия обычно площадь одного из электродов, например подвижного, меньше площади неподвижного.

Аналогично магнитный вектор В связывается с

силой, действующей на объемный элемент тока J уравнением

Если линейный проводник имеет достаточно малое

поперечное сечение, то вектор В можно считать однородным, а линии тока параллельными элементу длины ds. Сила, действующая на линейный элемент тока

III. Эксперимент

Экспериментальный макет МЭМС, содержащий четыре управляемых напряжением дискретно управляемые емкости выполнялся на базе стандартного корпуса микросхемы 401.14-4 (габарит 6,5 х 10 мм). Шаг между выводами для соединения с полосковой линией был выбран 2,5 мм.

Подвижные электроды получались либо диффузией проводящих областей, отделяемых от кремниевой пластины V – образными канавками, либо металлизацией на боросиликатных стеклах. Толщина слоя металлизации выбиралась из условия постоянства зазора h0 при изменении температуры на основе равенства приращений зазора и толщины слоя металлизации. Металлизация выполнялась по подслою (алюминий или хром) для снижения температурных напряжений в местах локализации неоднородностей материалов по температурным коэффициентам линейных расширений.

Подвижный элемент изготавливался из кремниевой пластины, плоскость xz которой совмещалась с кристаллографической плоскостью (100), а оси xz были сориентированы по кристаллографическим направлениям [110]. С помощью анизотропного травления формировалась симметричная лунка с наклоном граней, ориентированных в семействе четырех плоскостей (111). Конденсатором с изменяемой емкостью являлась пластина, а толщина упругих элементов, являющихся подвесом, задавалась временем травления.

Для обеспечения газового демпфирования подвижной пластины предусматривалась возможность перетекания демпфирующей среды через зазоры по периметру пластины.

Предварительные испытания на частоте 14 ГГц показали, что уровень потерь в фазовращателе не превышает 0,6…0,7 дБ. Частота коммутации напряжением 40В доЮОкГц [3] . Ввиду недостаточной отработанности технологических процессов испытания на срок службы не проводились.

IV.  Заключение

Фазовращатели на основе МЭМС имеют простое устройство, потребляют пренебрежимо малую мощность по цепям управления, тепературостабильны, уровень потерь не превышает 0,6…0,7 дБ. К недостаткам МЭМС следует отнести ограниченное быстродействие (порядка ЮОкГц) и срок службы, определяемый конструкцией подвеса подвижной пластины.

V.  Список литературы

1.  Вендик О. Г., Парнес М. Д. (под ред. Л. Д. Бахраха). Антенны с электрическим сканированием, М: Радио и связь, 2001 г., 250 с.

2.  Распопов В. М. Микромеханические приборы, Тула, Изд. ТГУ, 2002г, 388с.

3.  Стахов Е. Е. Фазовращатели на микроэлектрических структурах. Электронное приборостроение. Вып. 2(30) Казань, изд. КГТУ им. А. Н. Туполева, 2003 г., с. 43-51.

DIGITAL PHASE SHIFTERS OF THE PHASED ANTENNA ARRAYS BASED ON MICROMECHANICAL SYSTEMS

Stakhov E. A.

The Kazan A. N. Tupolev State Technical University 10 K. Marx St., Kazan, 420011, Russia fax:(8432) 64-41-84; 38-99-24 E-mail: stakhov@ru.kstu-kai. ru

Abstract -The discrete phase shifters of phased antenna arrays based on micro electromechanical systems (MEMS) are considered. Due to their extremely small sizes MEMS are suitable to be used up to 100 GHz.

I.  Introduction

The mechanical systems represent non-metallic material structures (single-crystalline silicon, fused quartz, silicon carbide etc.), produced by photolithography methods, and isotropic or anisotropy etching [1, 2]. Constructively discrete phase shifters for antenna arrays are the micro mechanical devices in the form of flexible membrane (outrigger, cantilever) from the metallized silicon, installed over the fixed electrode (metallized silicon). Movable membrane (outrigger, cantilever) could be fixed in one or two points on the dielectric support as shown in Fig.1.

II.  Theory

The equations of the transverse oscillations for membrane are deduced in the paper. MEMS operation is based on the variation of the semiconductor material characteristics due to the deformations cased by the external electric or electromagnetic field.

External field vectors Eand H are considered to be the forces acting from the field side on the charge or current element.

III.   Experiment

Experimental model of MEMS comprised four voltage controlled discrete capacitors and is based on the standard 401.14-

4  microchip case (6.5 x 10 mm2). Spacing between terminals to couple with stripe line is 2.5 mm.

Moving element is produced from the silicon plate having xz plane along crystallographic plane (100), whereas axes xz are directed along crystallographic directions [110].

By the anisotropic etching the symmetrical hole is formed with facet slopes oriented along the family of four planes (111).

Capacitor function is performed by a plate, whereas the thickness of other components operating as suspension brackets depended upon the etching time.

During the preliminary test at 14 GHz operating frequency the insertion loss level is found to be less than 0.6-0.7 dB, whereas the switching frequency by 40V driving voltage if found to be less than 100rHz.

IV.  Conclusion

MEMS-based phase shifters have simple structure, negligible power consumption through the driving circuits, high thermal stability, and insertion loss level less than 0.6-0.7 dB. The main drawbacks are switching frequency less than 100 kHz and small lifetime determined by mechanical construction.

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