微機電技術(shù)制作熱挫屈致動變頻開槽微帶天線

1、微機電技術(shù)製作熱挫屈致動變頻開槽微帶天線黃榮堂 張錕能 林忠助 蘇金練國立臺北科技大學(xué)機電整合研究所摘要本文旨在提出一種利用熱挫屈結(jié)構(gòu)(thermally buckling structure)來達到變頻功能之開槽耦合微帶天線(aperture coupled microstrip patch antenna)，並將此天線結(jié)構(gòu)與現(xiàn)在廣受討論的微機電製程技術(shù)結(jié)合。此變頻天線主要是將patch天線建立在熱挫屈結(jié)構(gòu)上，並利用此結(jié)構(gòu)使得patch與ground間，除了介電層外，還包含了可由熱挫屈結(jié)構(gòu)來調(diào)整之空氣層。當空氣層厚度因熱挫屈結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生變化時，即相對是改變了patch與ground間之等效介電

2、常數(shù)，因而使得天線的共振頻率獲得改變。本文將透過軟體進行模擬來說明熱挫屈結(jié)構(gòu)產(chǎn)生之介電常數(shù)變化對天線共振頻率的影響，而在模擬的結(jié)果中，可看出當patch與ground間的等效介電常數(shù)產(chǎn)生變化時，天線共振頻率的可變動範圍在4.3 GHz至4.8 GHz。AbstractA new method of tuning the resonant frequency of an aperture coupled microstrip patch antenna is proposed in this paper. The antenna is constructed on a substrate wit

3、h thermally buckling structure by using micromachining technologies. Since the substrate is composed of a layer of dielectric material and a layer of air, the thickness of the air layer can be tuned by thermally moving the dielectric layer up and down. Therefore, the equivalent dielectric constant o

4、f the substrate under the patch antenna can be tuned to obtain the variable resonant frequency of the antenna. The simulations by an EM software package are implemented to find the range of the tuning frequency and the quantitative relationships between the thickness of the air layer and the resonan

5、t frequency. The design case is for an aperture coupled microstrip patch antenna of 4.5 GHz. The simulation results show the tuning range is from 4.3 GHz to 4.8 GHz.一、前言微機電系統(tǒng)技術(shù)(Micro Electro Mechanical System, MEMS)是一門跨領(lǐng)域的新科技，它結(jié)合了半導(dǎo)體、電子、機械與化學(xué)等專業(yè)技術(shù)，自1980年代末期起，即廣受歐美日先進國家的重視，發(fā)展初期多應(yīng)用於半導(dǎo)體感測器，具有體積小、價格低及功能

6、強等優(yōu)點，如壓力計、加速度計、生物感測器等都有逐步取代傳統(tǒng)感測器之趨勢。在微波電路上的應(yīng)用上，截至目前為止在全世界僅有密西根12、科羅拉多大學(xué)及史丹佛大學(xué)等在進行部份研究，因此未來仍有相當?shù)陌l(fā)展空間。近年來在衛(wèi)星、高性能戰(zhàn)機、火箭及無線電通訊系統(tǒng)的應(yīng)用中，對天線的大小、重量、成本及設(shè)計上均有所限制，因微帶天線具備了體積小、重量輕、厚度薄及低製造成本3-6等優(yōu)點，且易於與半導(dǎo)體製程結(jié)合，因此受到廣泛的使用。在新一代產(chǎn)品體積逐漸縮減下微機電製程可說是最符合此項要求的技術(shù)。另外在雷達、全球定位系統(tǒng)及汽車通訊等的應(yīng)用，往往需要低成本、厚度薄及能於多頻操作下的天線，於是變頻微帶天線的特性及應(yīng)用層面，隨著

7、通訊技術(shù)的進步，日益凸顯其重要性。本文提出的天線結(jié)構(gòu)為開槽微帶天線，其饋入方式使用開槽耦合饋入的方法，可有效降低饋入端所造成之非預(yù)期輻射及因饋入點造成不對稱所引起之交錯極化輻射(cross-polarized radiation)，提高極化純度7-10，且有利於將微帶天線與微波電路整合在一起；在變頻方面，是利用熱挫屈致動的方式改變patch與ground間介電空氣層的厚度，造成等效介電常數(shù)的改變，來達到變頻的功能。二、熱挫屈致動變頻微帶開槽天線之設(shè)計本文介紹的熱挫屈致動變頻開槽微帶天線，是指於單一天線結(jié)構(gòu)上，藉由熱挫屈結(jié)構(gòu)的致動來改變patch與ground間的等效介電常數(shù)，以使天線之共振頻率

8、改變。本文所提出的天線變頻結(jié)構(gòu)，係利用微機電製程技術(shù)所完成之開槽微帶天線，並與熱挫屈結(jié)構(gòu)結(jié)合，以達到變頻的目的。以下將對本文所提出之變頻開槽微帶天線結(jié)構(gòu)作一詳細之說明。(1)天線結(jié)構(gòu)由於開槽微帶天線的結(jié)構(gòu)(如圖1)中，其微帶饋入線(microstrip feedline)與patch天線沒有位於同一平面上，若調(diào)整patch天線的位置，並不會影響到饋入線的特性，因此最適合本文所要求的微帶天線結(jié)構(gòu)。天線模型的建立與一般的開槽微帶天線大致相同，不同之處在於patch與ground間採用兩層的設(shè)計，其中一層為空氣層，模擬時也將針對空氣層的厚度(s)來作改變。本文所提之開槽微帶天線之共振頻率約在4.5

9、GHz左右，其patch天線的尺寸大小(L×W)為20mm×20mm，微帶饋入線的寬度(Wf)為4.6mm，接地面之開槽(aperture)尺寸(La×Wa)為0.5mm×10mm，底層基材及最上層基材之厚度皆為1.59mm(h = d = 1.59mm)，介電常數(shù)(r)則為2.32。rairr圖1 開槽微帶天線結(jié)構(gòu)示意圖(a).上視圖(b).側(cè)視圖(2)熱挫屈結(jié)構(gòu)當結(jié)構(gòu)兩端被固定時，因受熱膨脹而產(chǎn)生挫屈變形的現(xiàn)象，即為熱挫屈(thermally buckling)變形。本文所提之開槽微帶天線便是利用此一原理來改變patch與ground間之等效介電常數(shù)

10、。以下將採用11的分析模式來對熱挫屈結(jié)構(gòu)的變形作一簡單的說明。如圖2所示，為一兩端被固定住的樑結(jié)構(gòu)，若結(jié)構(gòu)被加熱而欲產(chǎn)生挫屈變形，則其臨界的應(yīng)變?yōu)閏rit：(1)其中t：為結(jié)構(gòu)之厚度 l：為結(jié)構(gòu)之長度此應(yīng)變量乃是來自於結(jié)構(gòu)受溫度變化(rT)所產(chǎn)生的熱膨脹導(dǎo)致，其關(guān)係為：(2)其中s：為結(jié)構(gòu)所受之應(yīng)力 a：為結(jié)構(gòu)之熱膨脹係數(shù)E：為結(jié)構(gòu)之彈性模數(shù)因此結(jié)構(gòu)要產(chǎn)生熱挫屈之臨界溫差(rTcrit)為：(3)而最大的中心變形量(d)為：(4)由式(3)及式(4)可以很容易的分析出結(jié)構(gòu)受熱時，產(chǎn)生挫屈的變形程度，當溫差越大時則挫屈量也隨會之增大。圖2 熱挫屈結(jié)構(gòu)之示意圖(3)變頻開槽微帶天線結(jié)構(gòu)在天線的變頻

11、設(shè)計上，藉由熱挫屈結(jié)構(gòu)將patch與ground間的介電層改為由介電常數(shù)較高的基材及介電常數(shù)較低的空氣層來構(gòu)成；天線之patch製作於熱挫屈結(jié)構(gòu)之上，與接地面隔著一層空氣層(如圖3所示)，當熱挫屈發(fā)生時則天線patch部分隨著結(jié)構(gòu)往下降，同時使得空氣層之厚度變小，由12可知patch與ground間之等效介電常數(shù)()可近似為：(5)其中 ：為上層介電層之介電常數(shù)：為空氣層之介電常數(shù)h ：為上層介電層之厚度s ：為空氣層之厚度由式(5)可知空氣層的變化會改變其等效介電常數(shù)。另外為了對熱挫屈結(jié)構(gòu)加熱，因此結(jié)構(gòu)中包含了經(jīng)摻雜的多晶矽所形成的電熱絲，如此一來便可經(jīng)由對電熱絲施加電壓，使其產(chǎn)生高溫而對熱

12、挫屈結(jié)構(gòu)加熱並造成其挫屈變形。圖3 熱挫屈變頻開槽微帶天線結(jié)構(gòu)示意圖(a).未受熱前(b).受熱後產(chǎn)生挫屈現(xiàn)象三、模擬分析與結(jié)果為了瞭解空氣層的厚度對天線共振頻率的影響，因此在模擬分析上便針對不同的空氣層厚度來進行設(shè)定，表1列出模擬中不同空氣層厚度的設(shè)定值，其他相關(guān)之天線模擬參數(shù)則如第二節(jié)所述。表1 空氣層高度(s)的設(shè)定值CaseABCDEF設(shè)定值0.50.40.30.20.10(單位：mm)由圖4之模擬結(jié)果可以得到空氣層厚度之變化對開槽微帶天線之共振頻率的影響，圖5繪出了不同的空氣層高度與天線共振頻率變化的曲線圖，由圖中可以看出當空氣層的厚度減小時，天線的共振頻率也會隨之降低，其頻率變動範

13、圍約在4.3 GHz到4.8 GHz之間。另外，比較圖5與圖6的結(jié)果亦可以看出，介電常數(shù)的減小，會使得天線的共振頻率升高。(a)(b)圖4 變頻開槽微帶天線之模擬結(jié)果(a). Smith Chart(b). Return Loss 圖5 空氣層厚度V.S.天線共振頻率 圖6 空氣層厚度V.S.等效介電常數(shù) 圖7 較高介電常數(shù)基材之影響 由圖6的結(jié)果可明顯看出，當其空氣層厚度改變，對其等效介電常數(shù)的變化僅從原2.3至2，造成頻率的變化亦從4.3 GHz至4.7 GHz，其頻率的變化範圍並不是很大，若將上介電層更改為介電常數(shù)較高的基材(如陶瓷、玻璃、矽基材等)，則在相同的空氣層厚度變化下，可改變的

14、等效介電常數(shù)之變化範圍將可增加，如此一來其頻率的變化範圍亦可增加，圖7為將上介電層改為較高介電常數(shù)(矽)四、結(jié)論本研究利用軟體模擬分析，探討變頻開槽微帶天線的特性及結(jié)構(gòu)，其主要之變頻原理是利用熱挫屈結(jié)構(gòu)的致動來改變介電層間的空氣層高度，以改變其等效介電常數(shù)，使得天線的共振頻率有所改變，模擬結(jié)果顯示其頻率變動範圍在4.3 GHz到4.8 GHz之間。五、參考文獻1 Clark T.-C. Nguyen, Linda P. B. Katehi, and Gabriel M. Rebeiz, “Micromachined Devices for Wireless Communications,” P

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