Голубєва І. П., Прокопенко Ю. В., Казміренко В. А., Поплавко Ю. М. Національний технічний університет України «КПІ» пр. Перемоги, 37, Київ – 03056, Україна 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

Анотація – Метою роботи є пошук оптимальних конструкцій і оцінка параметрів мікро-електромех-ного фазовращателя сантиметрових і міліметрових хвиль. Показано, що мікропереміщеннях діелектричних або металевих шарів над Полоскова або копланарной лінією передачі можна реалізувати в ній повну фазову модуляцію з мінімальними змінами, що вносяться втратами.

I. Вступ

Puc. 1. Конструкція аналогового «пьезо-МЕМС» фазовращателя: 1 – нітрідная плівка (пружина),

2, 4 – електроди, 3 – п’єзоелектрична плівка.

У техніці НВЧ останнім часом все більшого значення набувають мікроелектромеханічні системи (МЕМС), які відповідають вимогам сумісності з мікроелектронної технологією і характеризуються низькими вносяться втратами. Ці системи можуть застосовуватися в діапазоні частот

-120 ГГц [1, 2]. До переваг СВЧ МЕМС відносять лінійність характеристик і низьку вартість, а їх недоліками є невисока швидкодія (10-40 мкс), висока керуюче напруга (20 – 80 В), невисока СВЧ потужність (20 – 50 мВт) і необхідність повної герметизації пристрою. Перераховані недоліки обумовлені, головним чином, використанням електростатичного поля для управління МЕМС і, як стверджується в даній роботі, можуть бути подолані, якщо застосувати в МЕМС електрострикційних (п’єзоелектричний) тип управління.

II. Основна частина

Для реалізації СВЧ фазовращателя з використанням МЕМС відомі два способи:

1) перемикання відрізків передавальної лінії за допомогою багатьох МЕМС-вимикачів, що діють за принципом pin діода [3];

2) застосування керованих МЕМС-конден-саторі – подібно варакторним диодам [4].

У першому випадку фазовращатель є цифровим пристроєм, а в другому випадку-аналоговим. Застосування в аналоговому МЕМС-фазовращателе багатьох МЕМС-конденсаторів (розташованих в ряд над Полоскова або над копланарной лінією), призводить до множинних віддзеркалень від внесених неоднорідностей, що істотно знижує характеристики пристрою і його частотну смугу.

Тому в даній роботі управління фазою по аналоговому принципом пропонується реалізувати не багатьма окремими МЕМС-варактора, а одним протяжним «містком» уздовж Полоскова або копланарной лінії (Рис. 1), як це було реалізовано нами раніше в макроскопічному варіанті пьезоуправляемого фазовращателя [5]. При цьому в «пье-зоуправлямом МЕМС» розширюється можливість застосування різних матеріалів, керуючих фазою СВЧ лінії передачі шляхом мікромеханічних переміщення. Якщо в широко відомому «електростатичному МЕМС» [1-4] над центральним електродом лінії рухається металевий електрод, то в запропонованому фазовращателе незалежний «пьезодвіжітель» може переміщати не тільки метал, а й різні діелектрики.

Зміна під дією керуючого електричної напруги геометричної конфігурації пристрою призводить до вельми істотної зміни показників поширення СВЧ хвилі, і саме цей ефект запропоновано використовувати для фазового зсуву.

Розрахунок характеристик пристрою проводиться методом кінцевих елементів, порівняльні характеристики представлені на рис. 2, 3.

Як видно з наведених характеристик, особливістю запропонованого пристрою є те, що при переміщенні металевого «дзеркала» над поверхнею лінії величина диференціального фазового зсуву має протилежний знак порівняно з переміщенням над лінією діелектричних тел. При цьому в області малих зазорів характеристика управління фазою ближче до лінійної. Ця обставина є вигідним перевагою запропонованої конструкції в порівнянні з пристроями з переміщенням діелектричних тіл, так як останні характеризуються істотною нелінійністю. Однак у випадку діелектриків значна частина керованого фазового зсуву доводиться на область малих зазорів (до 10 мкм). Таким чином, надається широкий вибір характеристик.

III. Висновок

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

Запропоновано і розрахований аналоговий СВЧ фазовращатель, який вигідно використовує такі переваги МЕМС, як малі вносяться втрати, лінійність, а також можливість виготовлення в єдиному мікроелектронному технологічному циклі. Показано, що пьезо-мікропереміщеннях різних діелектричних або металевих шарів над Полоскова або копланарной лінією передачі можна реалізувати в ній повну фазову модуляцію з мінімальними змінами, що вносяться втратами. У порівнянні з відомим електростатичним, пьезоуправленіе підвищує швидкодію і не вимагає герметизації пристрою.

IV. Список літератури

[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. Питома відносний фазовий зсув (микрополосковая лінія).

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. Питома відносний фазовий зсув (копланарная лінія).

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.

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