Глава 6. Микрофазовращатели

Katagi, Т., Nakajima, N., 1993, Photoforming applied to fine machining)), in Proceedings IEEE MEMS 93, IEEE, Washington, DC: 173-178.

Kato, Т., Tanaka, Y., Ueda, H., Kano, H., Hashimoto, M., 1992, oL-band phase shifter with switching FETs for phased array antenna.), in Proceedings of IEEE MTT-S International Microwave Symposium 1992, IEEE, Washington, DC: 1527-1530.

Koul, S.K., Bhat, В., 1991, (iMicrowave and Millimeter Wave Phase Shifters , Artech House, London.

Liu, Y., Nagra, A.S., Erker, E.G., Periaswamy, P., Tayler, T.R., Speck, J.S., York, R.A., 2000, ВаЗгТЮз interdigitated capacitors for distributed phase shifter applications.), IEEE Microwave and Guided Wave Letters (November): 448-450.

Liu, Y., Borgioli, A., Nagra, A.S., York, R.A., 200()b. K-band 3-bit low-loss distributed MEMS phase shifter.), IEEE Microwave and Guided Wave Letters (October): 415-417.

Monnert, S., Loubere, V., Corbel, S., 1999, Microstereolithography using a dynamic mask generator and a non-coherent visible light source*. Proceedings of SPIE Design Test and Microfabrication ofMEMSandMOEMS, Paris, SPIE. 553-561.

Muldavin, J.B., Rebeiz, G.M., 2000, High-isolation CPW MEMS shunt switches.), IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 48(6): 1045-1056.

Nakamoto, Т., Yamaguchi, K., 1996, ( Consideration on the producing of high aspect ratio micro parts using UV sensitive photopolymer.), Proceedings of the Seventh International Symposium on Micro Machine and Human Science, MHS 96, Nagoya, Japan, 53-58; IEEE, Piscataway, NJ, USA.

Neidert, R.E., Krowne, СМ., 1985, Voltage variable microwave phase shifter*, Electronics Letters 21(15): 636-638.

Osterberg, P., Yie, H., Cai, X., White, J., Senturia, S., 1994, <(Self-consistent simulation and modeling of electrostatically deformed diaphragms*, in Proceedings of IEEE Microelectromechanical Systems Conference, January 1994, IEEE, Washington, DC: 28-32.

Pillans, В., Eshelman, S., Malezewski, A., Ehmke, J., Goldsmith, C, 1999. Ka-band RF MEMS phase shifters*, IEEE Microwave and Guided Wave Letters 9: 520-522.

Pillans, В., Eshelman, S., Malezewski, A., Ehmke, J., Goldsmith, C, 2000, Ka-band RF MEMS phase shifters for phased array applications*, in IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, 2000, IEEE, Washington, DC: 195-198.

Reggia F., Spencer,-E.G., 1957, A new technique in ferrite phase shifting for beam scanning of microwave antennas.). Proceedings of IRE 45: 1510-1517.

Van Keuls, F.W., Romanofsky, R.R., Bohman, D.Y., Winters. M.D., Miranda. F.A., 1997, (YBa2Cu307-<5Au)/SrTi03/LaA103 thin film conductor/ferroelectric coupled microstripline phase shifters for phased array applications*. Applied Phvsics Letters 71: 3075-3077.

Varadan, V.K., Ghodgaonkar, D.K., Varadan, V.V., Kelly, J.F., Gilderdas. P., 1991, ((Ceramic phase shifters for electronically steerable antenna systems*. Microwave Journal (August): 102-123.

Литература 423

Varadan, V.K., Jose, K.A., Varadan, V.V., Hughes, R., Kelly, J.F., 1995, A novel microwave planar phase shifter*. Microwave Journal (April): 244-254.

Varadan, V.K., Jiang, X.N., Varadan, V.V., 2001, Micro Stereo Lithography for Fabrication of 3D MEMS, John Wiley, London.

White, J.F., 1965, ((High power p-i-n diode controlled, microwave transmission phase shifters*, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 13: 233-242.

Yao, Z.J., Chen, S., Eshelman, S., Denniston, D., Goldsmith, C, 1999, ((Micromachined low-loss microwave switches*, IEEE Journal of Microelectromechanical Systems 8(2): 129-134.

York, R., Nagra, A., 2001, ((Microwave integrated circuits using thin-film BST , Proceedings of IEEE on Applications of Ferroelectrics 1: 195-200.

ГЛАВА 7

ЛИНИИ ПЕРЕДАЧ В МИКРОСИСТЕМАХ И ИХ КОМПОНЕНТЫ

7.1. Введение

Для многих портативных устройств связи основными компонентами являются ВЧ планарные элементы и ИС. За последние десятилетия произошла технологическая революция в сферах твердотельных устройств и их внедрения в сверх большие интегральные схемы (СБИС). Это изменило облик большинства традиционных устройств связи, построенных на классических вакуумных лампах и транзисторах. Использование микрополосковых линий, полосковых линий и копланарных волноводов для реализации внутренних ВЧ соединений дает возможность объединять твердотельные кремниевые и GaAs компоненты, что позволяет разрабатывать более гибкие, компактные и легкие устройства с отличными рабочими характеристиками.

Очень высокая добротность (десятки тысяч) и стабильность, сравнимая с ПАВ резонаторами и фильтрами, являются основными причинами пшрокого использования твердотельных устройств в блоках настройки частоты в большинстве коммуникационных устройств. Многие маломощные ВЧ трансиверы с хорошими частотными характеристиками также имеют в своем составе такие компоненты, как дискретные индукторы и переменные конденсаторы для их настройки и для согласования с сигналами от внешних устройств. Для применения фильтров на поверхностных и объемных акустических волнах и перестраиваемых колебательных контуров в мобильных телефонах требуется миниатюризация трансиверов, что невозможно без использования микролиний передач. Даже несмотря на то, что современные кремниевые ИС могут работать в гигагерцовом частотном диапазоне, а биполярные, КМОП и биполярные КМОП ВЧ ИС, также изготовленные на кремниевых подложках, могут соперничать с GaAs схемами на частотах в несколько ГГц, недостаток

высокодобротных пассивных кремниевых компонентов все же ощущается при разработке ВЧ устройств. К тому же кремниевые подложки обладают большими потерями, что мешает реализации высокодобротных реактивных компонентов. Существует много функциональных узлов, которые нельзя сформировать традиционными методами изготовления ИС, особенно это касается высокодобротных компонентов {Q > 30) для ВЧ устройств связи с высокой избирательностью. В дополнение к этому для планарных схем характерны такие вредные частотно-зависимые свойства, как паразитное излучение, омические потери и большой разброс. Уменьшение паразитных излучений и связей влечет за собой усложнение процесса монтажа, что ведет к увеличению объема, веса и стоимости устройства.

Несмотря на перечисленные трудности, низкая стоимость изготовления кремниевых ИС по сравнению с GaAs ИС делает их перспективными для интеграции ВЧ микроустройств с ВЧ схемами. Для построения многих монолитных СВЧ ИС и некоторых микросистем требуется разработка полностью интегрированных схем, объединяющих планарные линии и пассивные элементы. Малые размеры и вес, низкая потребляемая мощность, возможность организации массового производства, надежность и воспроизводимость являются достоинствами интегрированных систем, объединяющих микросистемы и СВЧ ИС.

В последние годы предпринимались усилия, направленные на снижение размеров ВЧ пассивных элементов, а также на их исключение из схем. В этой главе рассматриваются некоторые способы миниатюризации пассивных компонентов, таких как линии передач и других устройств, применяемых в ВЧ микросистемах.

7.2. Линии передач в микросистемах

Сообщения о первой линии передач, полосковой линии, появились в 1952 году (Assadourian, Rimai, 1952, Grieg, Engelmann, 1952). Разработка этих линий привела к созданию новой гибридной технологии. В настоящее время в большинстве СВЧ ИС используются микрополосковые линии. Применение гибридной технологии для изготовления монолитных систем позволило значительно увеличить их рабочую частоту при уменьшении веса и объема. Планаризация проводников и создание линий передач привела к возможности создания таких ВЧ устройств, как направленные ответвители и планарные антенны в виде СБИС, способных работать в диапазоне очень высоких частот.

микрополосковая линия

щелевая линия

копланарная линия

подвешенная полосковая линия

перевернутая полосковая линия

волновод с продольным ребром

Рис. 7.1. Открытые и корпусные микрополосковые структуры. Репродукция да книги F. Gaxdiol, 1994, Microstrip Circuits, .Wiley, New York с разрешения Wiley, ©1994 Wiley

Ha рис. 7.1 показаны варианты печатных линий передач (микрополосковой, щелевой и копланарной линии), часто применяемых в диапазоне низких частот, а также линий передач в металлических корпусах, используемых для предотвращения излучений, (подвешенной, перевернутой линии и волновода с продольным ребром), работающих в диапазоне очень высоких частот (Cardiol, 1994). Копла-

парная линия - одна из самых распространенных линий передач, в которой доминирующей формой распространения сигнала является поперечная электромагнитная волна (ПЭМВ). Скорость распространения ПЭМВ зависит только от свойств материала: его магнитной и диэлектрической проницаемости, р и е. В микрополосковой линии, незащищенной от воздействия воздуха, распространение волны проходит через две диэлектрические среды. Если схема состоит из двух видов материала, значит существует две скорости распространения ПЭМВ: через диэлектрическую подложку и через слой воздуха. Одним из граничных условий является непрерывность тангенциальных составляющих на границе раздела, которое не может быть выполнено в случае присутствия в системе двух диэлектриков, поэтому сигнал внутри микрополосковой линии нельзя считать чистой ПЭМВ. К тому же силовые линии электромагнитного поля между полоской и слоем заземления выходят за пределы подложки. Вследствие всего вышесказанного распространение сигнала в микрополосковой линии является не ПЭВМ, а квази-ПЭМВ. Щелевые линии передач предпочтительнее использовать в системах, где требуются высокоимпедансные линии, параллельные цепи, шлейфы и гибридные комбинации микрополосковых схем. Копланарные линии широко применяются в СВЧ ИС. Возможны и другие геометрические формы микрополосковых линий, но приведенные на рис. 7.1, являются наиболее распространенными. Металлические корпуса часто используются для электрического экранирования, а также для защиты микрополосковых схем от механических воздействий. Присутствие такого металлического заземления может привести к изменению рабочих характеристик схемы, что необходимо учитывать при разработке системы. Широкое распространение микрополосковых и копланарных линий объясняется их простотой и возможностью использования в монолитных СВЧ ИС.

На рис. 7.2 показаны возможные варианты волн и излучений в планарной структуре. Все виды указанных волн могут быть использованы для передачи сигналов и излучений. Выбор вида волны зависит от расчетных параметров, свойств подложки и от типа корпуса. Направляемые волны предпочтительнее применять в тонких подложках с высокой диэлектрической проницаемостью, толщина которых должна быть сравнима с длиной волны. Возникновение таких волн является нежелательным в антенных структурах. Излучаемые волны являются паразитными в случае линий передач. Вытекающие волны вносят свой вклад в излучение и при соответствующих условиях увеличивают коэффициент направленного действия

В ВЧ схемах линии передач обычно применяются для передачи информации от пассивных элементов, таких как фильтры, преобразователи импеданса и линии задержки, а также для организации связи между ними. Структуры с большим количеством проводников, работающие с электромагнитными волнами, также часто относят к линиям передач. Электрические цепи, в которых время прохождения сигнала вдоль соединительной линии сравнимо с его периодом или близко к длительности импульса, также можно анализировать как линии передач, т. е. определять их параметры в соответствии с геометрическими размерами. В таких цепях рассогласование и неоднородности могут привести к многократным переотражениям, которые могут замедлять прохождение сигнала и вводить в схему вредные задержки.