16 - 10482

limeter Wave Technology: IEEE, 615-618. Veidt, В., Kornelsen, K., Vaneldik, J.F., Routledge, D., Brett, M.J., 1995, (.Diagonal

horn integrated with mieromaehined waveguides for submillimeter applications*.

Electronics Letters 31(16): 1307-1309. Wadell, B.C., 1991, in Transmission Line Design Handbook, Artech House, Boston, MA. Weller, T.M., Katehi, L.P.B., Rebeiz, G.M.. 1995, (.High performance microshield hne

components*, IEEE Transactions on Microwave Theory- and Techniques 43(3):

534-543.

Weller, T.M., 1995, Mieromaehined High Frequency Transmission Lines on Thin Dielectric Membrane, PhD thesis. Electrical Engineering Department, University of Michigan, Ann Arbor, MI.

Weller, T.M., Katehi, L.P.B., Herman. M.I., Wamhof. P.D., Lee, K Kolawa, E.A., Tai, B.H., 1996, New results using membrane supported circuits: a Ka-band power amplifier and survivability testing*, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 44(9): 1603-1606.

Weller, T.M., Katehi, L.P.B., 1996, A millimeter wave mieromaehined low pass filter using lumped elements*, in Proceedings of IEEE MTT-S Symposium, IEEE, Washington, DC: 631-634.

Weller, T.M., Hinderson, R.M., Herrick, K.J.. Robertson. S.V., Kihm, R.T., Katehi, L.P.B., 2000, Three-dimensional high frequency distribution network, part I: optimization of CPW discontinuities*, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 48(10): 1635-1642.

Wong, S., Ooi, B.L.. Kooi, P.S., Ng. Т.Н.. Liu, A.Q.. 2000. (.Optimization of surface mieromaehined patch antenna*, in Proceedings ofSPIE-4176: Mieromaehined Devices and Components: 204-213.

Zhang, X., Mei, K., 1988, ..Time-domain finite difference approach to the calculation of the frequency-dependent characteristics of microstrip discontinuities*, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 36(12): 1775-1781.

McGrath, W.R., Walker, С, Yap, М., Tai, Y.C, 1993, -Silicon mieromaehined waveguides for millimeter-wave and submillimeter-wave frequenciesi>, IEEE Microwave and Guided Wave Letters 3(3): 61-63.

Milanovic, V., Gaitan, M., Bowen, E.D., Zaghloul, M.E., 1996, Micromachined coplanar waveguides in CMOS technology*, IEEE Microwave and Guided Wave Letters 6(10): 380-382.

Milanovic, V., Gaitan, M., Bowen, E.D., Zaghloul, M.E., 1997, Micromachined microwave transmission hues in CMOS technology*, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 45(5): 630-635.

Milanovic, V., Gaitan, M., Bowen, E.D., Zaghloul, M.E., 2000, Quasi-TEM characteristic impedance of mieromaehined CMOS coplanar waveguides*, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 48(5): 852-854.

Moon, S.W., Mann, СМ., Maddison, B.J., Turcu, I.C.E., Allot, U., Hug, S.E., Lisi, N., 1996, Terahertz waveguide components fabricated using a 3D X-ray microfabrication technique*, Electronics Letters 32(19, 12): 1794-1795.

Ozgur, M., Zaghloul, M.E., 2001, RE components for wireless communication using CM-CMOS technology*. International Journal of RE and Microwave СЛЕ 11: 330-340.

Park, J.Y., Back, C.W., Jung, S., Kim, H.T., Kwon, Y., Kim, Y.K., 2000, Novel mieromaehined coplanar waveguide transmission lines for applications in millimeter-wave circuits*. Journal of Applied Physics 39: 7120-7124.

Petre, P., Matloubian, M., Kihm, R.T., Gedney, S.D., 1997, (.Simulation and performance of passive microwave and millimeter wave coplanar circuit devices with flip chip packaging*, in Proceedings of IEEE 6th Topical Meeting on Electrical Performance of Electronic Packaging, IEEE, Washington, DC: 203-206.

Phipps, E.S., 1999, ((Mieromaehined waveguide components for submillimeter-wave applications*, masters thesis, Electrical Engineering Department, University of Virginia, Charlottesv ille. VA.

Ponchak, G.E., Downey, A.N Katehi. L.P.B., 1997, ((High frequency interconnects on silicon substrates*, in Proceedings of IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, IEEE. Washington, DC: 101-104.

Ponchak, G.E., Margomenos, A., Katehi. L.P.B., 2001. Low-loss CPW on low-resistivity Si substrates with a mieromaehined polyimide interface layer for REIC interconnections*, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 49(5): 866-870.

Robertson, S.V., Brovra, A.R., Katehi, L.P.B., Rebeiz, G.M., 1998. A 10-60GHz mieromaehined directional coupler*, IEEE Transactions on Microwave Theorv and Techniques 46(11): 1845-1849. Sheen, D., Sli, S., Abouzahra, M., Kong, J., 1990, Finite difference time domain method to the analysis of planar microstrip circuits*, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 38(7): 849-857. Shenouda, В., Pearson, L.W., Harriss, J.E.. Wang, W., Guo, Y., 1996, Etched-silicon mieromaehined waveguides and horn antennas at 94 GHz*, in Proceedings of IEEE AP-S International Symposium Volume 2, IEEE, Washington, DC: 988-991, Shenouda, B.A., Pearson, L.W., 1998, ((Mieromaehined waveguide for millimeter wave applications*, in Proceedings of International Conference on Microwave and МП-

ГЛАВА 8

МИКРОАНТЕННЫ

8.1. Введение

в предыдущих главах обсуждались варианты электромеханических микросистем и их компонентов, которые могут быть использованы в различных функциональных устройствах телекоммуникационного оборудования. Антенны являются очень важными элементами всех систем беспроводной связи, поскольку играют роль связующего звена между электронной частью систем и внешним миром. Принимая во внимание общую тенденцию развития систем связи - использование высоких рабочих частот (например, локальные многопользовательские сети работают на частоте 28 ГГц, промышленные, научные и медицинские сети и беспроводные локальные сети - на частоте около 60 ГГц), технология изготовления антенн также должна успевать перестраиваться в соответствии с новыми требованиями. В диапазоне частот миллиметровых волн размеры антенн становятся очень маленькими. Существуют несколько способов изготовления микроантенн, некоторые из них описаны в этой главе.

В системах связи наиболее часто применяются микрополосковые антенны. В следующем разделе дано краткое описание принципов действия и схем микрополосковых антенн. Такие антенны используются в микроволновых диапазонах и трудно перестраиваются для работы на частотах миллиметровых волн. Рассматриваемые в этой главе технологические методы разрабатывались для преодоления этих трудностей. Другая цель этой главы - объяснение на примерах принципа высокоуровневой интеграции систем. Чем больше компонентов интегрируется в одну систему, тем сложнее становятся антенны. Современные антенны часто строятся на полупроводниковых подложках. При использовании подложек с высокой диэлектрической проницаемостью и небольшой толщиной, конфигурацию антенн приходится модифицировать. В разделе 8.3 приводятся способы улучшения рабочих характеристик микрополосковых антенн.

Поскольку при увеличении частоты размеры антенн уменьшаются, снижаются также и технологические допуски при их изготовлении, что приводит к повышению стоимости производства и невозможности организации их серийного выпуска. Поэтому только

О

8.2. Обзор микрополосковых антенн

10 см

подложка

плоскость заземления

1

Рис. 8.1. Схема микрополосковой антенны. Репродукция из книги СЛ. Bal-

anis, 1997, Antenna Theory: Analysis and Design, Wiley, Chichester с разрешения Wiley, ©1997 Wiley

Несмотря на то, что микрополосковые антенны стали широко использоваться сравнительно недавно, их корни уходят к пятидесятым годам двадцатого века. Однако до семидесятых годов они практи-ческ1 не развивались. И только с появлением современных фотолитографических технологий и недорогих твердотельных микроволновых источников стало возможным широкое применение микрополосковых антенн. На рис. 8.1 показана схема такой антенны, состоящей из металлического излучателя, отделенного от плоскости заземления диэлектриком. На рис. 8.2 приведены варианты геометрических форм излучателей (Balanis, 1997). Выбор формы в основном определяется требуемыми излучательными характеристиками антенны. Например, прямоугольные, квадратные и круглые излу-

совершенные микротехнологии позволяют наладить массовый выпуск микрополосковых антенн. В разделе 8.4 дан обзор методов изготовления микроантенн, работающих на очень высоких частотах. В литературе появились сообщения о встраивании в антенны микроприводов для выполнения специальных функций, таких как изменение направленности и конфигурации антенны. В разделе 8.5 описаны варианты систем, использующих такую интеграцию, а в разделе 8.6 подведены краткие итоги всей главы.

4 О )

Рис. 8.2. Варианты форм излучателей микрополосковых антенн: а - квадрат, б - прямоугольник, в - диполь, г - круг, д - эллипс, е - треугольник, ж - сектор диска, з - кольцо, и - сектор кольца. Репродукция из книги С.А. Balanis, 1997, Antenna Theory: Analysis and Design, Wiley, Chichester с разрешения Wiley, ©1997 Wiley

Несмотря на свою универсальность такие антенны имеют ряд ограничений. К их недостаткам можно отнести небольшой диапазон возможных значений импеданса, а также низкие усиление и эффективность. В связи с этим в последние годы проводятся широкомасштабные исследования, направленные на улучшение этих характеристик. Перед тем как приступить к обсуждению достигнутых результатов, необходимо рассмотреть принцип действия таких антенн.

- 8.2.1. Основные характеристики микрополосковых антенн

Как упоминалось выше, микрополосковые антенны состоит из металлического излучателя, расположенного над проводящей пластиной заземления. Между пластиной заземления и излучателем находится диэлектрическая подложка, обладаюшая низкими потерями. От формы излучателя зависят излучательные характеристики антенны, которые, по существу, определяют распределение полей в

круглый

микрополосковый излучатель

Рис. 8.3. Варианты подключения сигнальных линий к микрополосковым антеннам: а - подключение микрополосковой линии, б - подключение зонда, в - подключение через соединительное отверстие, г - подключение за счет близкой связи. Репродукция из , книги С.А. Balanis, 1997, Antenna Theory: Analysis and Design,

Wiley, Chichester с разрешения Wiley, ©1997 Wiley

В .этой модели рассматривается полая структура, верхняя и нижняя электрические стенки которой соответствуют излучателю и пластине заземления. Боковые стороны структуры определенны как магнитные стенки, эквивалентные границам разомкнутой электрической цепи. Такие граничные условия позволяют считать данную полую структуру моделью микрополосковой антенны. Анализ такой модели, как правило, начинается с рассмотрения идеальной системы, в которой нет никаких потерь. После этого в систему вводят-

антенне. Поэтому форма излучателя диктует выбор способа подключения сигнальных линий. На рис. 8.3 показаны варианты подачи сигналов на микрополосковые антенны. Для описания принципа действия антенн данного типа было предложено несколько вариантов моделей. Резонансную природу микрополосковых антенн легче понять из модели, описанной в работе (ВаЫ, Bhatia, 1980).

чатели антенны обладают очень хорошими излучательными характеристиками. Однако когда требуется широкая полоса частот, используются дипольные излучатели. Все рассматриваемые излучатели могут формироваться практически на любой металлической поверхности, планарной или непланарной, что приводит к возможности построения большого количества разнообразных антенн, которые могут использоваться в системах беспроводной связи.