CC BY
6
Б01 10.36622^Ти.2023.19.4.011 УДК 621.396
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЭМС-КОММУТАТОРОВ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ АКТИВНОЙ ПЛАНАРНОЙ АНТЕННЫ
УДА-ЯГИ
Е.А. Ищенко1, С.О. Распопов1, А.С. Тупицына1, И.А. Черноиваненко1, С.М. Фёдоров1'2
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматривается возможность использования микроэлектромеханических-коммутаторов (МЭМС-коммутаторов) в конструкции планарной антенны Уда-Яги для управления характеристиками диаграмм направленности. Моделирование исследуемой задачи выполнялось на основе использования SPICE-моделей эквивалентных схем МЭМС-коммутатора как в активном (включенном), так и в выключенном (разомкнутом) режиме. Полученные результаты показывают, что использование МЭМС-коммутаторов позволяет обеспечить высокую эффективность работы антенны, при этом удается создать условия для управления характеристиками диаграмм направленности антенны, так как предполагается подключение дополнительных директоров на основе коммутации МЭМС-коммутаторов. Для повышения точности моделирования в выключенном режиме МЭМС-коммутаторы заменялись также эквивалентными схемами. Проведенное исследование подтвердило, что МЭМС-ключи имеют малое сопротивление в активном режиме и высокую изоляцию в выключенном режиме. В процессе моделирования исследовалась планарная антенна Уда-Яги, которая имела тринадцать директоров, из которых двенадцать имели в своей конструкции по два МЭМС-коммутатора для включения и выключения директоров. На основании моделирования было получено, что антенна имеет КНД от 11.8 до 14.1 дБ, при этом КПД во всем рабочем диапазоне частот более 65 %, а благодаря использованию МЭМС-ключей удается обеспечить быстрое подключение дополнительных директоров в планарной антенне Уда-Яги, что повышает направленные свойства антенны
Ключевые слова: активная антенна, антенна Уда-Яги, МЭМС-коммутаторы, SPICE-модель
Введение
Объединение радиоэлектронных элементов и антенных систем позволяет реализовать антенны, которые обладают перестраиваемыми характеристиками. Типовым решением использования активных компонент для управления характеристиками антенн являются активные фазовращатели [1], специальные малошумящие схемы, которые изменяют характеристики сигналов и/или электромагнитных волн на стадии передачи в излучатель. Однако в последнее время все большую популярность набирают антенные системы, которые используют радиокомпоненты непосредственно в конструкции излучателя. Такие антенны позволяют повысить скорость работы системы управления, обеспечить изменение типов поляризации, характеристик диаграмм направленности с минимальными потерями.
В работах [2, 3] авторы предлагают использовать активные рт-диоды, которые позволяют обеспечить управление характеристиками диаграмм направленности. Благодаря
© Ищенко Е.А., Распопов С.О., Тупицына А.С., Черноиваненко И.А., Федоров С.М., 2023
возможности коммутации рт-диодов, а также реализации высокой изоляции в выключенном режиме, удается обеспечить протекание сигнала практически без потерь через компонент, что позволяет обеспечить сохранение высокого КПД (коэффициента полезного действия), а также обеспечить быстрое переключение режимов работы.
Другими средствами управления характеристиками антенн являются малошумящие схемы [4, 5]. Реализация таких схем позволяет расширить диапазон рабочих частот антенн, а также обеспечить управление фазами сигналов, что обеспечивает изменение характеристик диаграмм направленности антенн. Недостатками таких схем является их сложность, а также необходимость использования большого числа сложных радиокомпонентов, которые могут оказывать негативное влияние на характеристики протекающих сигналов.
В данной работе предлагается использование активных МЭМС-ключей, которые обеспечивают характеристики изоляции и коммутации значительно превосходящие рт-диоды, а также могут быть реализованы с использованием более совершенных технологий фотолитографии в экстремальном ультрафиолете (ЕЦУ),
а также с использованием технологических процессов 5 нм и меньше. В предлагаемой антенне МЭМС-ключи используются для управления характеристиками диаграмм направленности планарной антенны Уда-Яги [6], что позволит обеспечить увеличение уровня КНД антенны (коэффициента направленного действия антенны) путем выполнения коммутаций директоров антенны.
Эквивалентная схема МЭМС-ключа
в активном и выключенном режиме
Для выполнения электродинамического моделирования необходимо определить модель МЭМС-ключа на основе эквивалентных схем, при этом стоит учитывать характеристики радиокомпонента в выключенном режиме, так как его сопротивление не будет бесконечным. Для моделирования могут быть использованы эквивалентные схемы, которые определяются с использованием SPICE-моделей или Touchstone-файлов. В данном случае будут использоваться SPICE-модели МЭМС-ключа из работы [7], так как благодаря использованию SPICE-моделей удается повысить скорость расчетов, а конструкция МЭМС-ключа с размерами порядка 300 мкм позволяет обеспечить высокие характеристики как в активном, так и в выключенном режиме. На рис. 1 приводятся эквивалентные схемы используемого МЭМС-ключа, а также его SPICE-модели.
.БШСКТ Model2OFF 1 2
С1 1 2 1.56FF
С2 1 0 5FF
С3 2 0 5FF
.ЕЖ8
б)
.БШСКТ Model2ON 1 3 С1 1 0 5FF R2 1 2 1.50НМБ R3 2 3 1.50НМБ С4 3 0 5FF .ENDS
в)
г)
Рис. 1. Модель МЭМС-коммутатора: а) эквивалентная схема в выключенном режиме (разомкнутый режим); б) SPICE-модель в выключенном режиме; в) эквивалентная схема в активном режиме (режим коммутации); г) SPICE-модель в режиме коммутации
Как видно из модели, в выключенном режиме МЭМС-коммутатор представляет собой соединение трех емкостей очей малой емкости, что обеспечивает высокую изоляцию в широком диапазоне частот, при этом при выполнении коммутации ключа обеспечивается малое сопротивление, что обеспечивает протекание сигналов с минимальными потерями. На основании приведенной модели МЭМС-ключа производилось моделирование планарной антенны Уда-Яги для управления характеристиками диаграмм направленности.
Моделирование активной перестраиваемой антенны Уда-Яги с использованием МЭМС-коммутаторов
В процессе исследования была сформирована планарная антенна Уда-Яги, которая выполнялась на основе диэлектрика Бг-4 толщиной 1.5 мм, в базовой конструкции антенны были сформированы 13 директоров, из которых 12 активных, коммутируемых с использованием МЭМС-ключей шириной 5 мм. Вид антенны приводится на рис. 2.
Рис. 2. Модель планарной антенны Уда-Яги с 13 директорами, из которых 12 активных
Полученная антенна в процессе моделирования коммутировалась с использованием МЭМС-коммутатора, который приводится на рис. 1, при этом, если ключ находился в разомкнутом режиме, то он заменялся соответствующей эквивалентной схемой, которая определяла сосредоточенный элемент при моделировании. На рис. 3 приводятся возвратные потери антенны (КЬ), а также поведение токов в директорах в случаях, когда директор был замкнут или разомкнут.
Частота (ГГц)
а)
■•"•"■'■• ~ ■ЦЦуЦй^г'- гг-' '
.11
б)
в)
Рис. 3. Характеристики антенны: а) график возвратных потерь антенны ^п); б) токи в директорах при отсутствии коммутаций; в) токи в директоре при коммутации с использованием МЭМС-ключа
Как видно по графику возвратных потерь антенна имеет диапазон рабочих частот от 2.25 до 2.62 ГГц по уровню КСВН=2 (ИЬ=10 дБ). При этом отчетливо видно, что при использовании модели МЭМС-ключа в выключенном режиме в директоре практически не возникают токи, что приводит к тому, что он не используется при формировании диаграммы направленности (сопротивление МЭМС-ключа в выключенном режиме более 10 кОм), при этом при выполнении коммутации ключа происходит замыкание директора, что приводит к возбуждению токов, а также изменению характеристик диаграммы направленности (сопротивление
МЭМС-ключа во включенном режиме около 3 Ом). На основании полученной конструкции были получены диаграммы направленности антенны при поочередной коммутации всех директоров - рис. 4, а также основные характеристики диаграмм направленности приводятся в табл. 1.
20 10 °„35° 340 30 ■' -'".„. 330
40 X 320
а)
5 6 7 8 9 10 Число Директоров
б)
Рис. 4. Диаграммы направленности антенны при коммутации директоров: а) диаграммы направленности антенны при всех случаях коммутации директоров; б) зависимость КНД (линейный масштаб) от числа коммутированных директоров
Таблица 1
Характеристики антенны Уда-Яги с коммутируемыми директорами при использовании
1 и всех директоров
Характеристика антенны Значение
КНД, дБ* 11.8 | 14.1
КНД, лин 15.2 | 25.7
Ширина лепестка, ° 39.9 | 26.7
УБЛ, дБ -21.9 | -9.5
КПД, % > 65 во всех случаях
*Значения указываются для случаев, когда замкнут и используется 1 директор, а также когда используются все 13 директоров; значения разделяются через « | »
Как видно по полученным результатам, при коммутации директоров происходит увеличение уровня КНД с сужением главного лепестка. Такое поведение характерно для всех антенн Уда-Яги и связано с увеличением числа директоров в антенне. Также отчетливо видно, что постепенно скорость увеличения уровня КНД уменьшается при увеличении числа директоров. Особенностью предлагаемой конструкции является то, что благодаря использованию МЭМС-ключей удается обеспечить управление уровнем КНД антенны путем подключения или отключения дополнительных директоров.
Заключение
Полученные в процессе исследования результаты показывают, что совмещение антенн и активных радиокомпонентов позволяет обеспечить управление характеристиками антенны с высокой эффективностью. Использование современных МЭМС-ключей в конструкциях антенных систем и СВЧ-устройств обеспечивает высокую эффективность работы устройства как в режиме коммутации, так как обеспечивается минимальное сопротивление, так и в выключенном режиме, так как обеспечивается высокая изоляция выхода от входа. Проведенное в данной работе исследование показывает, что совмещение конструкции планарной антенны Уда-Яги и коммутируемых на основе МЭМС-
ключей директоров обеспечивает управление характеристиками диаграммы направленности благодаря формированию дополнительных директоров в антенне.
Литература
1. Wu Z. -f., Liu J. -b. A new design of MEMS coplanar waveguide phase shifter // 2018 International Applied Computational Electromagnetics Society Symposium. 2018. 2 p.
2. Mingle S., Hassoun I., Kamali W. Beam-Steering in Metamaterials Enhancing Gain of Patch Array Antenna Using Phase Shifters for 5G Application // IEEE EUROCON 2019 - 18th International Conference on Smart Technologies. 2019. 4 p.
3. Design of a PIN Diode-Based Reconfigurable Metasurface Antenna for Beam Switching Applications / S. Chaimool, T. Hongnara, C. Rakluea, P. Akkaraekthalin, Ya. Zhao // International Journal of Antennas and Propagation. Vol. 2019. Article ID 7216324. 2019. 7 p.
4. Cho K., Hong S. Design of a VHF/UHF/L-Band Low-Power Active Antenna for Mobile Handsets // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. Vol. 11. 2012. Pp. 45-48.
5. .Frequency reconfigurable active antenna / S. Agarwal, A. Basu, M.P. Abegaonkar, S.K. Koul // 2014 International Symposium on Antennas and Propagation Conference Proceedings. 2014. pp. 87-88.
6. Vizbicke P.P. Yagi Antenna Design. NBS Technical Note 688 // U.S. Department of Commerce. 1976. 30 p.
7. Enhanced Robustness of a Bridge-Type Rf-Mems Switch for Enabling Applications in 5G and 6G Communications / J. Casals-Terre, L. Pradell, J.C. Heredia, F. Giacomozzi, J. Iannacci, A. Contreras, M. Ribo // Sensors. No. 22. 2022. 20 p.
Поступила 31.05.2023; принята к публикации 03.08.2023 Информация об авторах
Ищенко Евгений Алексеевич - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473) 243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792
Распопов Станислав Олегович - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473) 243-77-29, e-mail: s.o.raspopov@gmail.com, ORCID: https://orcid.org/0009-0005-3052-5371
Тупицына Анна Сергеевна - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473) 243-77-29, e-mail: anna.typitsyna.00@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0009-0002-6386-9769
Черноиваненко Игорь Александрович - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473) 243-77-29, e-mail: chernoivanenko2000@mail.ru Фёдоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84); доцент кафедры информационной безопасности и систем связи, Международный институт компьютерных технологий (394026, Россия, г. Воронеж, ул. Солнечная, д. 29 б), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163
USING MEMS SWITCHES FOR REALIZATION OF ACTIVE PLANAR ANTENNA UDA-YAGI E.A. Ishchenko1, S.O. Raspopov1, A.S. Tupitsina1, I.A. Chernoivanenko1, S.M. Fedorov1'2
'Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia international Institute of Computer Technologies, Voronezh, Russia
Abstract: the article considers the possibility of using MEMS switches in the design of a planar Uda-Yagi antenna to control the characteristics of the radiation patterns. The simulation of the problem under study was performed based on the use of SPICE models of equivalent circuits of a MEMS switch in both active and off modes. The results obtained show that the use of MEMS switches makes it possible to ensure high efficiency of the antenna, while it is possible to provide control over the characteristics of the antenna patterns, since additional directors are connected based on switching MEMS keys. To improve the simulation accuracy in the off mode, MEMS switches were also replaced with equivalent circuits. The study has confirmed that MEMS switches have low resistance in the active mode and high isolation in the off mode. During the simulation, the Uda-Yagi planar antenna was studied, which had thirteen directors, of which twelve had two MEMS switches in their design to turn the directors on and off. Based on the simulation, it was obtained that the antenna has an efficiency factor from 11.8 to 14.1 dB, while the efficiency over the entire operating frequency range is more than 65%, and thanks to the use of MEMS switches, it is possible to provide a quick connection of additional directors in the Uda-Yagi planar antenna, which increases the directional antenna properties
Key words: active antenna, Uda-Yagi antenna, MEMS switches, SPICE model
References
1. Wu Z. -f., Liu J. -b. "A new design of MEMS coplanar waveguide phase shifter", 2018 International Applied Computational Electromagnetics Society Symposium. 2018. 2 p.
2. Mingle S., Hassoun I., Kamali W. "Beam-Steering in Metamaterials Enhancing Gain of Patch Array Antenna Using Phase Shifters for 5G Application", IEEE EUROCON, 2019 -18th International Conference on Smart Technologies, 2019, 4 p.
3. Chaimool S., Hongnara T., Rakluea C., Akkaraekthalin P., Zhao Ya. "Design of a PIN Diode-Based Reconfigurable Metasurface Antenna for Beam Switching Applications", International Journal of Antennas and Propagation, vol. 2019, Article ID 7216324, 2019, 7 p.
4. Cho K., Hong S. "Design of a VHF/UHF/L-Band Low-Power Active Antenna for Mobile Handsets", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 11, 2012, pp. 45-48.
5. Agarwal S., Basu A., Abegaonkar M.P., Koul S.K. "Frequency reconfigurable active antenna", 2014 International Symposium on Antennas and Propagation Conference Proceedings, 2014, pp. 87-88.
6. Vizbicke P.P. "Yagi Antenna Design. NBS Technical Note 688", U.S. Department of Commerce, 1976, 30 p.
7. Casals-Terre J., Pradell L., Heredia J. C., Giacomozzi F., Iannacci J., Contreras A., Ribo M. "Enhanced Robustness of a Bridge-Type Rf-Mems Switch for Enabling Applications in 5G and 6G Communications", Sensors, no. 22, 2022, 20 p.
Submitted 31.05.2023; revised 03.08.2023 Information about authors
Evgeny A. Ishchenko - Post-graduate student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792 Stanislav O. Raspopov - Student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: s.o.raspopov@gmail.com, ORCID: https://orcid.org/0009-0005-3052-5371
Anna S. Tupitsina - Student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: anna.typitsyna.00@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0009-0002-6386-9769
Igor A. Chernoivanenko - Student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: chernoivanenko2000@mail.ru
Sergei M. Fedorov - Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), International Institute of Computer Technologies (29 b Solnechanya str., Voronezh 39026, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163
