Стахов Е. А. Казанський державний технічний університет ім. А. Н. Туполева 420011, Росія, Казань, К Маркса, 10 факс: (8432) 64-41-84; 38-99-24, e-mail: stakhov@ru.kstu-kai.ru

Анотація – Розглянуто дискретні фазообертачі ФАР на мікро електромеханічних системах (МЕМС), які завдяки надзвичайно малим розмірам придатні для використання на частотах до ЮОГГц при рівні втрат 0,6 … 0.7 дБ. МЕМС мають простий пристрій, придатні для масового виготовлення по поверхневої та об’ємної технологіям, температурно стабільні, споживають по ланцюгах управління незначну потужність. Недоліками МЕМС є обмежені, приблизно до 100 кГц, частота комутації і термін служби, який визначається конструкцією механічного пристрою.

I. Вступ

мікромеханічних системи (МЕМС) представляють собою структури з неметалічних матеріалів (монокристалічний кремній, плавлений кварц, карбід кремнію і ін) виконані методами фотолітографії та ізотропного або анізотропного травлення [1, 2].

Конструктивно дискретні фазообертачі ФАР на МЕМС є мікромеханічних пристрій у вигляді гнучкої мембрани (балки, консолі) з металізованого кремнію, розташованої над нерухомим електродом (металізований кремній). Рухома мембрана (балка, консоль) може бути закріплена в одній або двох точках на діелектричних опорах (Рис.1).

Якщо на контурі L мембрана закріплена, то z | = О

при будь-якому t> 0.

Робота МЕМС заснована на зміні характеристик напівпровідникових матеріалів в залежності від деформації зовнішнім електричним або електромагнітним полем. Вектори зовнішнього поля Е і

Н можна визначити як сили, що діють з боку поля відповідно на елемент заряду або струму. Повна механічна сила, що діє на заряд дорівнює

V

де р – щільність заряду. Якщо V досить мало, то поле всередині цієї області можна вважати однорідним і в межі

Для управління переміщенням рухомого мембрани (електрода) використовують взаємодія – важки-ня, яке визначається у разі електростатичного управління

де I = 1,2; qi-електричні заряди на електродах;

S – площа взаємного перекриття електродів; S о = 8,85 10 ‘12 [Ф / м]; S-діелектрична проникність середовища між електродами.

Ємності між відповідними парами електродів

де ho – початковий зазор між електродами Ah-зміщення рухомого електрода.

Щоб виключити вплив зміни площі взаємного перекриття зазвичай площа одного з електродів, наприклад рухомого, менше площі нерухомого.

Аналогічно магнітний вектор В зв’язується з

силою, що діє на об’ємний елемент струму J рівнянням

Якщо лінійний провідник має досить мале

поперечний переріз, то вектор В можна вважати однорідним, а лінії струму паралельними елементу довжини ds. Сила, що діє на лінійний елемент струму

III. Експеримент

Експериментальний макет МЕМС, що містить чотири керованих напругою дискретно керовані ємності виконувався на базі стандартного корпусу мікросхеми 401.14-4 (габарит 6,5 х 10 мм). Крок між висновками для з’єднання з Полоскова лінією був обраний 2,5 мм.

Рухливі електроди виходили або дифузією провідних областей, відокремлюваних від кремнієвої пластини V – образними канавками, або металізацією на борсилікатні стеклах. Товщина шару металізації вибиралася з умови сталості зазору h0 при зміні температури на основі рівності приростів зазору і товщини шару металізації. Металізація виконувалась за підшаровуватиму (алюміній або хром) для зниження температурних напружень в місцях локалізації неоднорідностей матеріалів за температурним коефіцієнтам лінійних розширень.

Рухомий елемент виготовлявся з кремнієвої пластини, площина xz якої поєднувалася з кристалографічної площиною (100), а осі xz були зорієнтовані по кристалографічних напрямах [110]. За допомогою анізотропного травлення формувалася симетрична лунка з нахилом граней, орієнтованих в сімействі чотирьох площин (111). Конденсатором із змінною ємністю була пластина, а товщина пружних елементів, що є підвісом, задавалася часом травлення.

Для забезпечення газового демпфування рухомий пластини передбачалася можливість перетікання демпфирующей середовища через зазори по периметру пластини.

Попередні випробування на частоті 14 ГГц показали, що рівень втрат в фазовращателе не перевищує 0,6 … 0,7 дБ. Частота комутації напругою 40В доЮОкГц [3]. Зважаючи недостатньої відпрацьованості технологічних процесів випробування на термін служби не проводилися.

IV. Висновок

фазообертачі на основі МЕМС мають простий пристрій, споживають дуже малу потужність по ланцюгах управління, тепературостабільни, рівень втрат не перевищує 0,6 … 0,7 дБ. До недоліків МЕМС слід віднести обмежену швидкодію (порядку ЮОкГц) і термін служби, який визначається конструкцією підвісу рухомий пластини.

V. Список літератури

1. Вендік О. Г., Парнес М. Д. (під ред. Л. Д. Бахраха). Антени з електричним скануванням, М: Радіо і зв’язок, 2001 р., 250 с.

2. Распопов В. М. мікромеханічних прилади, Тула, Вид. ТГУ, 2002р, 388с.

3. Стахов Е. Е. фазообертачі на мікроелектріческіх структурах. Електронне приладобудування. Вип. 2 (30) Казань, изд. КДТУ ім. А. Н. Туполева, 2003 р., 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.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»