Öz : Bu makalede RF mikroelektromekaniksel anahtarların mekatronik dizaynı anlatılacaktır. Bu dizayn; sonlu elemanlar yöntemi ve tam dalga elekromanyetik simülasyonu kullanılarak mekanik ve elektromanyetik şemaları birleştirir. RF MEMS anahtarlarının mekatronik çalışması, RFIC uygulamaları için sistematik bir tasarım metodolojisini sağlar.
Anahtar Kelimeler: Mekatronik, Anahtar, RF, MEMS
Giriş: Mikroelektromekaniksel sistem teknolojisi, son yıllarda hızlı bir gelişim gösterdi. RF MEMS anahtarlar, cep telefonları, askeri iletişim sistemleri, enstrümantasyon malzemeleri ve otomotiv radar sistemleri gibi birçok çeşitli uygulamada kullanılan yapı taşı bileşenleri oldular.
Bu makalede, RF MEMS’in mekatronik tasarımı, mekanik ve elektromanyetik yaklaşımlar beraberce kullanılarak sunulmuştur. RF MEMS anahtarlarının mekanik tasarımı, sonlu elemanlar metodu ile yerine getirilir.
Anahtar Yapısı: Anahtarın, bir iletim hattının merkezinde bulunan bir dielektrik tabakasının üzerine koyulan bir metal köprüsü vardır. Kıvrılarak giden Ω -menteşelerinin şekil 2′de gösterilen L, W, ve H olmak üzere üç boyut parametresi vardır. Boyut parametrelerinin etkisini araştırmak için, boyut parametreleri, üç gruba bölünmüştür. Her grupta, boyut parametrelerinin ikisi, sabit tutulur.
Dizayn: Bir anahtarın sinyal aktarması, hareketli tabaka ve iletim hattı arasındaki kapasitans değeri ile kontrol edilir. Hareketli tabaka, bir CPW iletim hattının üzerine çıktığı zaman, anahtar kapalı konuma geçer. Kapatma gerilimi uygulandığı zaman, hareketli tabaka, dielectric tabakasına dokunur, RF sinyali, şase birleşir, ve anahtar açık konuma gelir. Efektif sertlik sabiti, grup A.’daki H parametresinin artmasıyla azalır. Fakat grup B ve C.’deki L parametresinin artması ile artar.
Maksimum yer değiştirme sonuçları ve etkili sertlik sabiti, tablo-11′de listelenmiştir. Köprü yapısı için yer değiştirme sonuçları, şekil 3′de gösterilmiştir. Köprünün metali, alüminyumdur. Alüminyum metalinin, 70 GPa Young katsayısı, 0.34 Poisson’un oranı, 170 MPa eğilme kuvveti, ve 2700 kg m3 yoğunluğu vardır. Köprünün iki sonu, bir sınır hali gibi ayarlanır. 10 pN’lik elektrostatik kuvvet hareketli plakaya düzenli dağılmıştır. RF MEMS anahtarlarının elektromanyetik simülasyonu, 5′ten 40 GHz’e kadar üç boyutlu tam dalga simülatörü Ansoft HFSS tarafından iletilir. SzI ve Sil parametreleri, anahtarların kapalı durumları için ilave kaybı ve anahtarların dönüş kayıp karakteristiklerini temsil eder. A, B ve C gruplarının anahtarları, şekil4′de gösterildiği gibi 0.65 dB’den düşük, 40 GHz’e kadar ilave kayıplarına sahiptirler. Anahtarların aralık yüksekliği 3 p olduğundan beri, ilave kaybı, çok büyük değildir. Farklı boyut parametreleri için, birleşen kapasitansının farkı, önemli değildir. Hareketli tabakanın alanı da dahil köprü alanları ve menteşenin alanı çok yakındır. Menteşenin alanı, hareketli tabakanın alanından daha küçüktür. Açık durumdaki anahtarlar için, rezonant frekansı ve izolasyon, iki anahtar karakteristiktir. Rezonant frekansı, köprü indüktansı ve açık durum kapasitansı tarafından kararlaştırılabilir. Anahtarların karakteristikleri, küçük kapanma voltajına, alçak dirence, yüksek izolasyona ve geniş bantlara ihtiyaç duyar. Mekanik ve elektromanyetik performans elde etmek için L, W ve H parametrelerini Ω menteşesi ile kontrol edilebilir. RF MEMS anahtarları, mekatronik metodolojisi ile tasarlanır. RF MEMS anahtarlarının mekanik yapı tasarımı, sonlu elemanlar metodu ile yapılır. Anahtarların tam dalga elektromanyetik simülasyonu, 5 – 40 GHz’e aralığında yapılır. Mekatronik tasarımının temelinde, RF MEMS anahtarların mükemmel karakteristikleri yatar.
Kaynak:
The 47th IEEE International Midwest
Symposium on Circuits and Systems
Yeong-Lin Lai and Yi-De Wen
Department of Mechatronics Engineering, National Changhua University of Education,
Changhua 500, Taiwan, R.O.C.
E-mail: yllai@cc.ncue.edu.tw
0 Comments.