можно создание системы, управляющей формой и направленностью таких антенн с земли.

Перестраиваемые антенны, располагающиеся на спутниках, как правило, строятся на основе отражательных антенн с одним управляющим приводом или блоком смещающих механизмов. Схема формирования луча в типовой конфигурации, состоящая из большого количества механических элементов, очень сложная и тяжелая. В ней используются силовые устройства, такие как делители мощности и силовые переключатели, реализованные на основе полупроводников или электромеханических систем. Более простой подход заключается в управлении относительной фазой входных сигналов, поступающих на элементы решетки (Bucci, Mazzarella, Panariello, 1991). Предполагается, что такая схема будет обладать большей гибкостью и эффективностью. Более того, при таком подходе усиление антенны может быть значительно увеличено без добавления большого количества элементов в схему управления решеткой, что существенно упрощает всю систему.

Группа исследователей во главе с Clarricoats (Clarricoats, Zhou, 1991) предложили заменить сложную цепь формирования луча в рефлекторной антенне с управляемой решеткой схемой, в которой перестройка антенны осуществляется за счет изменения поверхности отражателя. Для зтой цели подходят рефлекторы либо с жесткими пластинами, либо сетчатого типа. Для простоты управления используемый отражатель изготавливают из пластин, опутанных сеткой покрытых слоем золота молибденовых проводов. Для перестройки антенны меняется профиль сетки, который регулируется механическими приводами при помощи кордовых нитей (Hai, Clarricoats, Monk, 1991). Также был предложен вариант использования пьезоэлектрических приводов вместо электрических моторов для изменения конфигурации антенны. Один из таких вариантов схемы описан в работе (Washington, 1996). В предложенной схеме для получения требуемого перемещения используются тонкие полоски из PVDF (подивинилидин фторида), прикрепленные к поверхности антенны.

Рассматриваемые модификации предназначены для антенн, работающих на спутниках связи с географической привязкой, в которых требуется обеспечение высокого коэффициента усиления сигнала. Для таких применений электромеханические микроструктуры не годятся из-за серьезных ограничений по размерам и мощности сигналов. Однако последние разработки рефлекторов и конфигураций антенн позволяют осуществлять интеграцию в их системы отдельных микрокомпонентов. Также стоит отметить, что

500 мкм

Рис. 8,18. Микрополосковая микроантенна, управляющая лучом. Репродукция из книги D. Chauvel, N. Haese, Р.-А. Rolland, D. CoUard, Н. Fujita, 1997, А mieromaehined microwave antenna integrated with its electrostatic spatial scanning*, IEEE Micoelectromechanical Systems Conference Proceedings, IEEE, Washington, DC: 84-87 с разрешения IEEE, ©1997 IEEE

Несмотря на то, что в настоящее время перестраиваемые микроантенны не применяются в спутниковых системах связи, их разработке уделяется повышенное внимание (Chauvel et al, 1997, Chiao et al, W99). В работе (Chauvel et al, 1997) подробно обсуждается процесс изготовления микрополосковых микроантенн, в которых излучающий радиатор способен вращаться вокруг оси для осуществления функции управления лучом. Такая антенна формируется на кварцевой пластине толщиной 100 мкм, расположенной сверху кремниевой подложки толщиной 500 мкм с ориентацией кристаллов (110). Структура антенны при этом подвешена на двух торсионных пружинах (рис. 8.18). Вращение осуществляется за счет действия электростатических сил, возникающих при подаче напряжения на

существующие системы не успевают за экспоненциальным увеличением трафика, поэтому требуется разработка более высокочастотных устройств. Для этого в схемы управления изменением конфигурации антенн, работающих в диапазоне частот миллиметровых волн и выше, встраиваются регулировочные микрокомпоненты, такие как переключатели и фазовращатели, для которых необходимо применение микроприводов и других ВЧ элементов.

электроды, встроенных в подложку. Был проведен детальный статический и динамический анализ такой конфигурации антенны, но на практике она осуществлена не была.

В работе (Chiao et al, 1999) дано описание применения микроприводов для регулировки углов наклона плечей антенны Вия, работающей на частоте 17.5 ГГц (рис. 8.19). При изменении угла между плечами антенны меняется форма луча. При синхронном вращении плечей в одном направлении осуществляется функция сканирования. Изготовленный прототип такой антенны доказал правильность ее концепции. Преимуществами применения технологий в этом случае являются уменьшение стоимости, малые потери и возможность осуществления функции сканирования, а также реализации ВЧ антенны на одном кристалле. Предполагается, что именно такие антенны найдут свое применение в беспроводных и спутниковых системах связи, в навигационном военном оборудовании и радарах.

главное направление луча

перестраиваемая антенна Вия

/ балка, тоЗ}Кающая или ;* тянущая плеч&-ацтенны

приводы

электроды для подачи напряжения на приводы

антенна Вия

Г

лип

линия передач

изоляционный слой

подложка

Рис. 8.19. Микроантенна Вия, способная управлять формой и направленностью луча. Репродукция из книги J.C. Chiao, Y. Fu, I.M. Chio, М. DeLisio, L.-Y. Lin, 1999, MEMS reconfigurable Vee antenna*, IEEE Microwave Theory and Techniques Symposium, Digest, IEEE, Washington, DC: 1515-1518 с разрешения IEEE, ©1999 IEEE

Разработка перестраиваемых мтсроантенн только началась, ожидается, что дальнейшие качественные изменения в работе таких антенн произойдут благодаря внедрению микроприводов в состав их

8.6. Выводы

структур. Однако из-за малых размеров компонентов микротехнологии имеют сильные ограничения при создании устройств, работающих на частотах миллиметровых волн.

8.6. Выводы

в этой главе описаны несколько вариантов применения микротехнологий в области проектирования и изготовления антенн. Поскольку современные системы связи работают на частотах миллиметровых волн, размеры антенн, применяемых в них, тоже значительно уменьшились, что сильно усложнило процесс их изготовления. Антенны таких размеров невозможно реализовывать без применения микротехнологий, которые позволяют организовать серийный выпуск таких устройств, обладающих более высокой точностью при одновременном снижении их стоимости.

Благодаря своему низкому профилю, планарные микрополосковые антенны, более чем все остальные, подходят для применения в устройствах, работающих в диапазоне миллиметровых волн. Для улучшения таких характеристик, как ширина полосы частот и излучающая эффективность, предпочтительнее иметь более толстую подложку и низкую диэлектрическую проницаемость. С другой стороны, для снижения размеров, а, следовательно, и потерь, микроволновые схемы обычно строятся на тонких подложках с высокой диэлектрической проницаемостью. Эти два противоречивых требования мешают интеграции антенн с другими схемами. В этой главе дано описание применения метода травления нижней части подложки для удаления части материала, расположенной непосредственно под антенной, что позволяет в этой области значительно снизить диэлектрическую проницаемость, оставляя нетронутой часть подложки, где будет располагаться остальная часть схемы. Такой подход дает возможность построения полностью интегрированных систем на одной подложке.

Литература

ВаЫ, I.J., Bhatia, Р., 1981, Microstrip Antennas, Artech House, Dedham, MA. Balanis, C.A., 1997, A Antenna Theory: Analysis and Design, Wiley, New York. Balcewicz, J.F., 1983, In-orbit reconfigurable communications-satellite antennas*,

RCA Engineer 28(2): 36-41. Bean, K.E., 1978, Anisotropic etching of silicon*, IEEE Transactions on Electronic

Devices 25; 1185-1193.

Bucci, О.М., Mazzarella, G., Panariello, G., 1991, Reconfigurable antennas by phase-only control*, IEEE TYansacUons on Antennas and Propagation 39: 919-926.

Carver, K.R., Mink, J.W., 1981, Microstrip antenna technology*, IEEE Transaction on Antennas and Propagation 29: 2-24.

Chauvel, D., Haese, N., Rolland, P.-A., CoUard, D., Fujita, H., 1997, A microma-chined microwave antenna integrated with its electrostatic spatial scanning*, in IEEE Microelectromechanieal Systems Conference, Proceedings, IEEE, Washington, DC: 84-87.

Chen, Q., Fusco, V.F., Zheng. M., Hall, P.S., 1998, Micromachined sihcon antennas*, Proceedings of the International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology, IEEE, Washington, DC: 289-292.

Chiao, J.C, Fu, Y., Chio, I.M., DeLisio, M., Lin, L.-Y., 1999, MEMS reconfigurable Vee antenna*, in IEEE Microwave Theorv and Techniques Symposium, Digest, IEEE, Washington, DC: 1515-1518.

Clarricoats, P.J.В., Zhou, H., 1991, Design and performance of a reconfigurable mesh

r. reflector antenna, pait 1: antenna design*, IEEE Proceedings Part. H: Microwave, Antennas and Propagation 138: 485-492.

Pigby, J.W., Colhns, C.E., Towlson, B.M., Karatzas, L.S., Parkhurst, G.M., Chamberlain, J.M., Bowen, J.W., Pollard, R.D., Miles, R.E., Steenson, D.P., Brown, D.A., Cronin, N.J., 1997, ..Integrated micro-matched antenna for 200GHz operation*, in Proceedings of the 1997 IEEE MTT-S International Microwave Symposium, Volume 2, June 8-13 1997, IEEE, Piscataway, NJ: 561-564.

Gauthier, G.P., Courtay, A., Rebeiz, G.M., 1997, (.Microstrip antennas on synthesized low dielectric constant substrates*, IEEE Transactions on Antennas and Propagation 45: 1310-1314.

Gauthier, G.P., Raskin, J.P., Katehi, L.P.B., Rebeiz, G.M., 1999, А 94-GHz aperture-coupled mieromaehined microstrip antenna*, IEEE Transactions on Antennas and Propagation 47: 1761-1766.

Gearhart, S.G., Willke, Т., 1998, (.Integrated antennas and filters fabricated using micromachining techniques*, IEEE Aerospace Applications Conference Proceedings, Volume 3, 1998, Mar 21-28 1998, IEEE Computer Society, Los Alamitos, CA: 249-254.

Griffin, D.W., 1995, ..Monolithic active array Umitations due to substrate modes*, in IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 1995, AP-S. Digest, Volume 2, IEEE, Washington, DC: 1300-1303.

Hai, Z., Clarricoats, P.J.В., Monk, A., 1991, ..Experimental verification of an electronically controlled reconfigurable reflector antenna*. Electronics Letters 27: 64-65.

Hesler, J.L., Hui, K., Dahlstrom, R.K., Weikle, R.M., Crowe, T.W., Mann, СМ., Wallace, H.B., 2001, (.Analysis of an octagonal mieromaehined horn antenna for submillimeter-wave applications*, IEEE Transactions on Antennas and Propagation 49: 997-1001.

Jedhcka, R.P., Рое, M.T., Carver, K.R., 1981, (.Measured mutual couphng between microstrip antennas*, in IEEE Transactions on Antennae and Propagation, AP-29: 147-149.

Muldavin, J.B., EUis, T.J., Rebeiz, G.M., 1997, ..Tapered slot antennas on thick dielectric substrates using micromachining techniques*, in Proceedings of the 1997 IEEE

Antennas and Propagation Society International Symposium, Volume 2, July 13-18 1997, IEEE, Piscataway, NJ: 1110-1113.

Papapolymerou, I., Drayton, R.F., Katehi, L.P.B., 1998, ..Mieromaehined patch antennas*, IEEE Transactions on Antennas and Propagation 46: 275-283.

Pozar, D.M., 1982 ..Input impedance and mutual coupling of rectangular microstrip antenna*, IEEE Transactions on Antennas and Propagation 30: 1191-1196.

Rebeiz, G.M., Kasilingam, D.P., Guo, Y., Stimson, P.A., Tutledge, D.B., 1990, ..Monolithic millimeter-wave two-dimensional horn imaging array*, IEEE Transactions on Antennas and Propagation 38: 1473-1482.

Sayyah, A.A., Griffin, D.W., 1997, Thick substrate mode transmitting antennas for monolithic millimeter wave development*, in Proceedings of the 1997 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Part 4, July 13-18 1997, IEEE, Piscataway, NJ: 2472-2474.

Shenouda, B.A., Pearson, L.W., Harriss, J.E., 2001, (.Etched-sihcon mieromaehined W-band waveguides and horn antennas*, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 49: 724-727.

Washington, G., 1996, ..Smart aperture antennas*. Smart Material Structures 5: 801-805.

Yook, J.-G.; Katehi, L.P.B., 1998 (.Suppression of surface waves using the micromachining technique*, in IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 1998, Volume 2, IEEE, Washington, DC: 652-655.

Yook, J.W., Katehi, L.P.B., 2001, (.Mieromaehined microstrip patch antenna with controlled mutual coupling and surface waves*, IEEE Transactions on Antennas and Propagation 49: 1282-1289.

Zheng, M., Chen, Q., Hall, P.S., Fusco, V.F., 1998, ..Broadband microstrip patch antenna on mieromaehined sihcon substrates*, Electronics Letters 34: 3-4.

-If Of.: