.前言

 

         近幾年來,無限通訊的產品值與研究皆有相當大的進展,尤其通訊,與生物科技列為我國的重點發展科技,更說明了無線通訊產品的重要性,第二代行動電話,如大哥大...等是目前一般大眾最喜愛的熱門產品,幾乎人人都想擁有,未來第二代行動電話(3G),UMTS,及其他固定式無線通訊系統,如LMDS,MMDS,....以及直接使用衛星的通訊系統,都將傳送除了音訊以外,還涵蓋DATA, 及Internet等,因此由於通訊量的大增,傳送品質及速度的提升,都需要改善無線通訊的硬體技術及軟體技術(如調變方式,TDMA,CDMA....等),在硬體技術方面,為了配合CDMA,可能需要天線能作beam steering,或者為了提昇收訊品質,天線要能接收多種頻帶,以便維持隨處皆可收發清晰的訊號,如目前的GSM900,及GSM1800雙頻行動電話

        隨著網際網路的蓬勃發展,使得民眾對寬頻的需求連帶大幅提昇,一種提供整合性互動性寬頻傳輸媒介亦隨之興起,並在固網事業,大哥大基地台,網路衍伸出一股強勢的寬頻新領域
國內如台揚公司在LMDS的出貨量於88年每季出貨量都成倍數成長民國88年第四季月產量更高達四千套(工商時報 12.29.1999),可見LMDS在未來提供區域無線寬頻網路上的莫大商機 LMDS(Local Multipoint )Distribution Service)為一種無線寬頻的區域多點資訊傳輸設備,目前以寬頻網路為主的服務目標,可供資料,聲音及影像傳輸,未來將可發展成無線室內電話機制,亦為傳統家用有線電話的挑戰者

    自1980年代末期起,微機電系統開始廣受歐美日先進國家重視,此一創新之領域由於結合了半導體、電子、機械與化學技術,因而可將傳統感測器及致動器縮製在矽晶圓或其他基材上。許多體積小、價格低、功能強的半導體感測器,如壓力計、加速度計、生物感測器等都有逐步取代傳統感測器的趨勢。但是目前將微機電系統應用於微波電路上的製作卻不如各式各樣的感測器來的多。

由於微帶天線所需尺寸極薄(約0.01~0.05free-space wave length),相對於其他種類天線而言是最符合微機電製程,且具備了體積小、重量輕、厚度薄及低製造成本等優點,由於這些吸引人的特點,所以應用於許多軍事、太空梭、衛星及商業用途上。最近個人行動電話風行。全世界,微帶patch天線用於個人行動電話的消費性商業用途,也被熱烈研究中,可見微帶patch天線可能成為未來各使用場合的主流。在雷達、全球定位系統及汽車通訊等應用,往往是需要低成本、厚度薄及能用於多頻操作下的天線,於是變頻微帶天線的特性及應用層面,隨著通訊技術的進步,日益突顯其重要性。另外在新一代產品體積逐漸縮減下,微機電製程可說是最符合此項要求的技術。

 

二.變頻微帶天線設計

所謂的變頻微帶天線,是指單一的天線結構,能操作調整在不同的共振頻率下,本文提出的變頻天線結構,係利用微機電製程技術製作微帶天線與微型開關,並藉由控制微型開關來達到天線變頻的目的。以下將對對本文所提之變頻微帶天線結構作一詳細之說明:

(1)微帶天線結構

 矽基微機電製程技術已漸漸應用於製作高性能的微波天線,本文所研究之微帶天線結構如圖1所示,主要為patch與饋入線同在矽晶片上,基材選擇4吋p-type方向為<100>的矽晶片,並採用微帶線饋入的方式, 其結構在製作上非常容易,且可藉由微帶線切入微帶天線的深度與位置,輕易地達成輸入阻抗(Input- impedance)的調整及極化方向等。在計算分析上,也較容易建立一個近似的模型。另外於微帶天線周邊加上一調整片(tuning strip),其主要作用為改變天線尺寸,已改變天線的共振頻率。本文設計為一K頻段的微帶天線,共振頻率設定於28GHz至30GHz之間,其微帶patch天線的尺寸大小(L*W)為1.35mm*1.8mm,微帶饋入線切入微帶天線的深度(y1)為0.7mm,微帶線的寬度(W1)為0.3mm,調整片的尺寸大小(L1*W)為0.06mm*1.8mm,及調整片與微帶patch天線的距離(d)0.03mm。

(2)高頻微型開關結構

 以微機電技術製作之高頻微型開關是近年來十分瘦,文獻中指出其在高頻之特性比固態開關有較佳的表現,且易於與製程結合,進而降低製程的複雜性。其做動支基本原理是利用靜電引力,於上電極與下電極間外加一個電壓,可以使得上下電極間產生靜電引力。圖2是本文所採用的微型開關結構示意圖,其利用懸臂樑結構來支撐上電極與接觸片,並使得上電極與下電極在未致動時能保持一固定高度(g),圖2.b為未加電壓時,上下電極分開一定高度,此高度亦是變頻天線造成頻率可調整的一重要參數;圖2.c為,,以致開官階和現象,若適當控制驅動電壓大小,即可控制上下電極的高度,而達到變頻目的。

 

(3)變頻微帶天線結構

微機電製作的天線理論分析模型,目前已有文獻進行探討,主要以multilayer method of moment(MoM)與有限元數法(FEM)進行全波分析,其共振頻率被定義為

 

fr = C / 2L εreff  

 

其中

C:光速

L:微帶patch天線共振長度

fr:共振頻率

εreff:等效介電常數

 

       本文所提的變頻微帶天線結構如圖3所示,其主要的慨念係利用微機電製程製作微帶天線與微型開關,藉由兩者的配合來改變公式(1)patch天線共振長度(L)。當微型開關作動使得調整片與patch天線接合時,則相對使得patch天線共振長度增加,如此將會獲得較原尺寸低的共振頻率,而產生一定的頻率範圍。另外適當的調整外加直流電壓的大小,控制其微型開關於on/off間的位置高低來改變patch與調整片間的耦合情形,當開關接合時,為完全耦合狀態,此時可較低的共振頻率;相對的,當開關離結構面較遠時,將可獲得較高的共振頻率,以此方式可使共振頻率於期頻率範圍間作細微的變動。

 

 

相關研究論文

 

 

          antenna      RF filter     RF switch      mems     mmic

         

 

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