Сз = 4£оееЗ

где

03 =

s + 2g

( s + 2g + 2si + 2g

s + 2si+ 2g

1 -1

£еЗ = 1 +913-

л-п £m£l £3 -g2 - + 923-7i- + 933-7>-,

(6.40)

(6.41) (6.42)

(6.43)

, sinh[7r5/2/ti] ~ sinh [Tr{s + 2g)/2hi]

(l s

i sinh \тг(

sinh[7r(s-f2ff)/2/ti] sinh [7r(s-b 2si +2g)/2hi]

2r п -1\ 1/2

sinh [7rs/2/ij]

(s -f- 251 + 2g)/2hi]

Кг = (1 - 4)/,

(6.44) (6.45)

г - 1, 2, 3.

Из-за краевых эффектов распределение поля в зоне последнего зубца трудно поддается аналитическому описанию, поэтому емкость на этом участке можно определить только приблизительно, пользуясь методом конформных отображений:

Cend = 2п5(2 + 7г)еоеевЫМ-

К [koend)

(6.46)

где

£1-1 £2 - £1 , £3 - £2 £eend = 1 + qiend--- -2-- -2-

Qiend koend

K{koend)K{k,y

(6.47)

(6.48)

X + 2gend

X + 2gend \ \X + W + 2gendJ

\X + W + 2gend

-nl/2

(6.49)

kiend -

sinh [7rx/2hi]

sinh [тг{х + 2gend)/2hi]

f sinh [тг{х + W + 2gend)/2hi] - sinh [тт{х + 2gend)/2hi] \

\ sinh [7г(ж + W + 2gend)/2hi] - sinh [7гж/2/1] /

(6.50)

Теперь выражение для полной емкости можно записать в виде: Сш = 2

+ 2n{2s + g)eoeeend.

(6.51)

Тогда выражение для Ее будет следующим: £е = о* 2

-f- 2n(2s -f- g)£o

K{koend).

поскольщ

CtotieoY

(6.52)

(6.53)

Для равномерно нагруженного двухстороннего гребенчатого фазовращателя изменение диэлектрической проницаемости из-за приложенного напряжения приводит к изменению фазовой скорости:

Vr, =

(6.54)

smh[7rs/2/ii]

sinh [7r(s + g)/2hi]

j cosh [ф + д)/2Ы] + sinh [ttJs + д)/2Ы] }

1 cosh [its/2Ы] + 8т1а^[7г{8 + д)/2кг] J

ai = 1, 2, 3.

Емкость участка с внешним зубцом, вычисленная при помощи модели копланарного волновода, определяется следующим выражением:

Глава 6. Микрофазовращатели 6.4.3. Емкостные гребенчатые фазовращатели

На рис. 6.16 показаны два варианта гребенчатых емкостных фазовращателей. Гребенчатые конденсаторы в этих конфигурациях изготовлены с зазором 1 мкм и распределены вдоль линии передач на подложке из AI2O3 с интервалом 340 мкм. Планарные гребенчатые фазовращатели дают возможность получить непрерывный фазовый сдвиг в диапазоне 0... 110° на частоте 20 ГГц при постоянном напряжении смещения 100 В. Планарный микрополосковый фазовращатель, описанный в работе (Canedy, Aggarwal, 2000), изготовленный на высокорезистивной кремниевой подложке, при напряжении смещения 40 В на частоте 15 ГГц показал сдвиг фаз, равный 35 °. Было проведено сравнение фазовращателей, реализованных на кремнии и подложке из MgO, которое показало, что рабочие характеристики кремниевых устройств превосходят аналогичные характеристики устройств на MgO.

Рис. 6.16. Схемы двух гребенчатых емкостных фазовращателей. Репродукция из книги Y. Liu, A.S. Nagra, E.G. Erker, P. Periaswamy, T.R. Tayler, J.S. Speck, R.A. York, 2000, Ва8гТ10з interdigitat-ed capacitors for distributed phase shifter applications*, IEEE Microwave and Guided Wave Letters (November): 448-450 с разреше-ния IEEE, ©2000 IEEE

Можно сделать вывод, что встречно-штыревые конфигурации являются весьма перспективными для использования в высокопроизводительных фазовращателях (Jose et al, 2001). Такие фазовращатели пригодны для интеграции с активными и пассивными компонентами СВЧ ИС.

6.5. Области применения фазовращателей

6.5. Области применения фазовращателей

Проектировпщки антенн с электронным сканированием стремятся разработать адаптируемые антенны с высоким коэффициентом усиления и различной поляризацией. Требования по размерам, стоимости, виду поляризации и уровням разветвлений являются ограничивающими факторами при проектировании фазоуправляемых антенн. Некоторые характеристики микропереключателей и микрокомпонентов превосходят аналогичные параметры ключей на PIN-диодах и ферритовых фазовращателей. Фазовращатели на основе ВЧ микропереключателей имеют очень низкий уровень потерь и обеспечивают дискретные значения сдвига фаз. Ферроэлектрические материалы, такие как тонкие пленки из BST, позволяют создавать фазовращатели с непрерывной регулировкой, обладающие низкими потерями.

6.6. Заключение

При проектировании недорогих и легких фазоуправляемых решетчатых антенн и радарных систем важным моментом является разработка фазовращателей, обладающих низкими: вносимыми потерями, управляющим напряжением и стоимостью изготовления. Современный технологический уровень позволяет реализовывать фазовращатели, одновременно выполняющие только несколько из перечисленных требований. Наиболее перспективными являются фазовращатели, построенные на основе микропереключателей, обладающих низкими вносимыми потерями, низким управляющим напряжением и низким уровнем помех от взаимной модуляции.

Емкостной параллельный ключ состоит из тонкой металлической мостовой структуры, подвешенной над центром копланарного волновода. Приложенное напряжение смещения между мостовой микроструктурой и нижним электродом изменяет высоту моста, что в свою очередь приводит к изменению емкости распределенной микросистемы. В результате этого изменяется импеданс нагруженной линии передач, что вызывает появление сдвига фаз. Устройство с несколькими мостовыми микроструктурами работает как фазовращатель при выполнении условия, что приложенное напряжение смещения всегда меньше напряжения срабатывания (схлопывания моста с нижним электродом).

Управляющее напряжение может быть снижено двумя способами: уменьшением высоты мостовой структуры или применением ма-

Глава 6. Микрофазовращатели

териалов с более низким модулем упругости, таких как полимеры. Но первый способ применять не рекомендуется, поскольку уменьшение высоты моста значительно усложняет процесс изготовления, поэтому для организации массового производства таких устройств надо стараться делать высоту мостовой структуры, как можно, большей. Более перспективным является изготовление мостов из полимеров, чей модуль упругости составляет порядка 5 Гпа, что гораздо меньше, чем у металлов (50... 100 Гпа). Для изготовления полимерных структур можно применять микростереолитографию.

Фазовращатели, построенные на основе ферроэлектрических тонких пленок, обеспечивают непрерывную регулировку сдвига фаз за счет изменения фазовой скорости ВЧ сигналов при подаче напряжения смещения между двумя электродами, которое приводит к изменению емкости таких устройств. Поскольку электрические поля ограничены узкими параллельными пластинами, лучшая регулировка достигается при использовании тонких пластин. Фазовращатели такого типа можно интегрировать с монолитными ИС.

Литература

Acikel, В., Liu, Y., 2001, Phase shifters using (Ba,Sr)Ti03 thin films on sapphire and

glass substrates , in IEEE MTT-S International Microwave Symposium Volume 2,

2001, IEEE, Washington, DC: 119Ы194. Barker, N.S., Rebeiz, G.M., 1998, Distributed MEMS true-time delay phase shifter

and wide-band switches*, IEEE Microwave Guided Wave Letters{k]n\): 1881-

1890.

Bertsch, A., Lorenz, H., Renaud, P., 1998, Combining microstereolithography and thick resist UV lithography for 3D microfabrication micro electro mechanical systems*. Proceedings of IEEE 11* Annual International Workshop on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Jan 1998, Heidelberg, Germany; IEEE, 18-23.

Borgioli, A., Liu, Y., Nagra, A.S., York, R.A., 2000a, Low loss distributed MEMS phase shifter*, IEEE Microwave and Guided Wave Letters 10(1): 7-9.

Canedy, C.L., Aggarwal, S., 2000, Structural and dielectric properties of epitaxial Bai-xSrxTiO3/Bi4Ti3Oi2/Zr02 heterostructures grown on silicon*. Applied Physics Letters 77(10): 1523-1525.

Coget, P., Philippe., P., Pauker., V., Dautriche, P., Jean, P., 1989, A multioctave active MMIC quadrature phase shifter*, in Proceedings of IEEE Microwave and Millimeter-wave Monolithic Circuits Symposium, IEEE, Washington, DC: 1510-1517.

De Flaviis, P., Alexopoulos, N., 1997, Planar microwave integrated phase-shifter design with high purity ferroelectric material*, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 45(6): 963-969.

Литература 421

Erker, E.G., Nagra, A., 2000, Monohthic Ka-band phase shifter using voltage tunable BaSrTiOs parallel plate capacitors*, IEEE Microwave and Guided Wave Letters 10: 10-12.

Gevorgian, S.S., Martinsson, Т., 1996, CAD models for multilayered substrate in-terdigital capacitors*, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 44(6): 896-904.

Ghione, G., Naldi, C.U., 1987, Coplanar waveguides for MMIC applications: effects of upper shielding, conductor backing, finite-extent ground planes, and line-to-line coupling*, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, MTT 35(3): 260-267.

Goldsmith, C.L., Lin, Т.Н., Powers, В., Wu, W.R., Norvell, В., 1995, Micromechan-ical membrane switches for microwave applications*, IEEE Microwave Theory and Techniques Symposium, IEEE, Washington, DC: 91-94.

Goldsmith, C.L., Randall, J., Eshelman, S., Lin, Т.Н., Denniston, D., Chen, S., Norvell, В., 1996, Characteristics of mieromaehined switches at microwave frequencies*. Proceedings of IEEE MTT-S International Microwave Symposium, Volume 2, IEEE, Washington, DC: 1141-1144.

Goldsmith, C.L., Yao, Z., Eshleman, S., Denniston, D., 1998, Performance of low-loss RE MEMS capacitive switches*, IEEE Microwave and Guided Wave Letters 8(8): 269-271.

Hayden, J.S., Rebeiz, G.M., 2000, 2-bit MEMS distributed X-band phase shifters*, IEEE Microwave and Guided Wave Letters 10(12): 540-541.

Hayden, J.S., Malczewski, A., Kleber, J., Goldsmith, C.L., Rebeiz, G.M., 2001, 2 and 4-bit DC-18 GHz microstrip MEMS distributed phase shifters*, in Proceedings of IEEE MTT-S International Microwave Symposium, Volume 1, 2001, IEEE, Washington, DC: 219-222.

Ikuta, K., Hirowatari, K., 1993, Real three dimensional microfabrication using stereo lithography and metal molding*, in Proceedings IEEE MEMS 93, IEEE, Washington, DC: 42-47.

Ikuta, K., Ogata, Т., Tsubio, M., Kojima, S., 1996, Development of mass productive microstoreolithography (mass-IH process)*, in Proceedings of IEEE MEMS 96, IEEE, Washington, DC: 301-305.

Isom, R., Hawkins, M., Richins, J., McEwan, S., Iskabder, M., Grow, R., 2000, Com-parative evaluation of MEMS and ferroelectric technologies in phase shifter design*, in Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 2000, IEEE, Washington, DC: 808-811.

Ji, T.S., Vinoy, K.J., Varadan, V.K., 2001, Distributed MEMS phase shifters by microstereolithography on silicon substrates for microwave and millimeter wave applications*, Smart Materials and Structures 10: 1224-1229.

Jose, K.A., Yoon, H., Vinoy, K.J., Sharma, P., Varadan, V.K., Varadan, V.V., 2001, Low voltage tunable capacitors for RE MEM filters and antenna applications*, in Proceedings of IEEE AP-S International Svmposium, Boston Volume 3, IEEE, Washington, DC: 670-73.