بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحي و شبيه سازي يک آنتن شيپوري Sectoral H-plane ميکرو ماشين شده براي کاربردهاي موج ميليمتري
چکيده : در اين مقاله روش طراحي و شبيه سازي يک آنتن شيپوري Sectoral H-plane ميکرو ماشين شده (Micromachined) براي امواج با طول ميليمتري بحث شده است . طراحي اين آنتن بر اساس محدوديتهاي ساخت تکنولوژي ميکروماشيني آن صورت گرفته وسپس مراحل ساخت ميکروماشيني آن مورد بررسي قرار گرفته است . بر اساس نتايج شبيه سازي بهره اين آنتن در فرکانس 750GHz تقريبا برابر 7dB وهمچنين جهت دهي برابر 7.7dB مي باشد.
همچنين در اين مقاله روش جديدي براي ساخت ادوات مخابراتي براي فرکانسهاي بسيار بالا معرفي شده است .
مقدمه
سيستمهاي موج ميليمتري بتدريج اهميت زيادي در بسياري از کابردهاي علمي و نظامي پيدا مي کنند. اين سيستمها نسبت به سيستمهاي مايکروويو نتايج بهتري را ايجاد کرده و همچنين نسبت به سيستمهاي مادون قرمز تاثيرات کمتري از موقعيت جوي مي پذيرند[١].
با توجه به طيف وسيع کاربردهاي امواج ميليمتري از قبيل حسگرهاي از راه دور، تشخيص و دريافت امواج کهکشاني ، تشخيص پلاسمايي مواد، رادار و سيستمهاي مخابراتي ، نياز اين سيستمها به گيرنده هايي با نويز پايين در محدوده فرکانسهاي ٦٠ تا ٦٠٠ گيگا هرتز را اجتناب ناپذير مي کند[٢-١]. همانطور که مي دانيد سيستم اين گيرنده ها معمولا از يک آنتن سطحي مجتمع شده با يک شبکه تطبيق مستقيم و يک ميکسر تشکيل شده است [٣]. مطمئنا ساخت اين سيستمها براي اين محدوده فرکانسي با تکنولوژيهاي معمولي بسيار مشکل و گران است .
روش جديد براي ساخت اجزاء اين سيستمها تکنولوژي ميکروماشين (MEMS) مي باشد[٤].
يکي از ادواتي که مي توان با استفاده از اين تکنولوژي ساخت ، آنتنها هستند که جزء مهمي از سيستمهاي گيرنده براي امواج ميليمتري محسوب مي شوند.
اين مقاله به بررسي روش ساخت و آثار محدوديتهاي ناشي از آن بر روي يک آنتن شيپوري Sectoral H-plane و مشخصات الکتريکي آن مي پردازد. تکنولوژيي که براي ساخت اين آنتن مورد بررسي قرار گرفته است ، LIGA مي باشد که در اين روش با استفاده از ليتوگرافي در عمق زياد با استفاده از اشعه X (X-ray) يا ليزر مي توان ديواره هاي فلزي در ارتفاعهاي ٥ تا ٤٠٠ ميکرون را روي يک زير لايه نيمه هادي رشد داد .[4-5-6]
ابتدا در مورد آنتنهاي شيپوري قطاعي صفحه H ، مشخصات و موارد کاربرد آنها بحث شده است و سپس براي فرکانس کاري GHz٧٥٠ آنتني در ابعاد ميکروني طراحي و توسط نرم افزار HFSS شبيه سازي شده است . مراحل ساخت اين آنتن توسط تکنولوژي ميکروماشين نيز توضيح داده شده است .
۱ آنتن شيپوري قطاعي صفحه H
آنتنهاي شيپوري در فرکانسهاي مايکروويو کاربردهاي زيادي دارند. اين آنتنها داراي بهره بالا،VSWR پايين و پهناي باند وسيعي هستند[٧]. با توجه به شکل و ساختار مورد کاربرد، اين آنتنها را مي توان به سه نوع تقسيم کردکه ما در اين مقاله فقط يک نوع آن را مورد بررسي قرار مي دهيم .
اگر در ساختار شيپور اندازه ديواره پهن موجبر (که ميدانهاي H در آن قرار دارند) گسترش پيدا کند ولي ديواره باريکش بدون تغيير باقي بماند آنتن را شيپوري قطاعي صفحه H مي گويند.
مطابق شکل (۱‐۱) اين آنتن با يک موجبر با ابعاد تغذيه مي شود. مد تحريک اين موجبر است [٧] . در اين آنتن بعلت اينکه دهانه ميدانهاي صفحه H آن خيلي بزرگ شده داراي پرتو باريکي براي ميدانهاي صفحه H است و به همين دليل پرتو ميدانهاي صفحه E آن خيلي پهن مي شوند. اين آنتن بعلت داشتن پرتو پهن معمولا در رادارهاي جستجوگر کاربرد دارند. در اين مقاله با توجه به مراحل ساخت ميکروماشيني ، يک آنتن شيپوري قطاعي H-Plane طراحي و شبيه سازي شده است . در اينجا به روش طراحي و پيدا کردن ابعاد آنتن مي پردازيم .
۱-۱ طراحي آنتن
همانطور که در شکل (۱‐۱‐الف ) مشخص است اندازه b (عرض موجبر) در امتداد موجبر و شيپور يکسان مي باشد. با توجه به اينکه ايجاد ابعاد زياد توسط تکنولوژي ميکروماشين مشکل مي باشد لذا اين اندازه با توجه به اين محدوديت براي اين آنتن برابر μm١٠٠ در نظر گرفته شده است .
فرکانس کار اين آنتن GHz٧٥٠ است که با توجه با اينکه اين فرکانس بايد حداقل %٢٥ بيشتر از فرکانس قطع مد غالب موجبر( TE١٠) باشد لذا مينيمم طول دهانه موجبر (a) براي اين آنتن به اين صورت بدست مي آيد:
فرکانس قطع مد غالب TE10
c سرعت نور است .
براي اين آنتن μm٢٧٠=a درنظرگرفته شده است .
مرحله بعد بدست آوردن طول شيپور و زاويه گسترش شيپور و ابعاد دهانه آن مي باشد. از آنجائيکه در تکنولوژي ميکرو ماشين داشتن طول زياد براي آنتن امکان ندارد براي داشتن پهناي باند نصف توان و جهت دهي مناسب يک حالت بهينه بين طول آنتن و زاويه گسترش پيدا مي کنيم .
براي اين آنتن تعيين شده است که با توجه به منحني هاي پهناي باند بر حسب زاويه گسترش
زاويه دهانه اين آنتن ٦ در نظر گرفته شده است . با توجه به اين ابعاد و انجام روابط رياضي اندازه دهانه آنتن برابر بدست مي آيد و از آنجا تعيين مي گردد.
با توجه به اينکه بهترين جهت دهي زماني حاصل مي شود که
باشد .[٧] مقدار a1 که از اين رابطه بدست مي آيد برابر است که نشان دهنده تطابق بسيار خوب نتيجه با روابط تحليلي مي باشد و انتظار داريم با اين ابعاد حداکثر جهت دهي را داشته باشيم . در اين مرحله با توجه به ابعاد بدست آمده به مراحل ساخت ميکروماشيني اين آنتن مي پردازيم .
٢ پروسه ساخت LIGA
در ادامه روش ساخت يک آنتن شيپوري Sectoral H-plane با استفاده از روش LIGA را مورد بررسي قرارخواهيم داد[٤].
روش LIGA براي بدست آوردن طولهاي زياد از فلزات با aspect ratio بالا بکار مي رود[٥-٤]. روش کار تقريبا شبيه پروسه ميکروماشين معمولي از قبيل يک فتوليتوگرافي استاندارد و پروسه Electroplating مي باشد با اين تفاوت که بجاي فتورزيست از PMMA ، که از چند لايه نازک تشکيل شده است و بجاي اشعه UV از اشعه X استفاده مي کنيم . اشعه X انرژي کافي براي نفوذ در تمام ضخامت PMMA را دارد و بر عکس اشعه UV مي تواند ديواره هاي کاملا صاف و عمودي ايجاد کند. شکل ماسکي که براي رشد دادن ديواره هاي آنتن بکار مي بريم در شکل (۱-۲) آورده شده است .
مي توان مراحل انجام پروسه را بصورت زير تقسيم بندي کرد:
١) ابتدا سطح زير بناي سيليکان را با لايه نازکي از فلز به ضخامت 5nm تا 15nm مي پوشانيم . جنس فلز مي تواند نيکل يا آلومينيوم باشد. اين لايه به عنوان هسته اوليه اتصال بکار مي رود.
٢) در مرحله بعد روي سطح ويفر يک جامد PMMA [٤] که از چند لايه نازک تشکيل شده است را بعد از اينکه يک لايه نازک مايع MMA براي چسبندگي بيشتر روي سطح ويفر پخش کرديم ، قرار مي دهيم . لايه PMMA معمولا بين μm ٥ تا μm٤٠٠ مي تواند ضخامت داشته باشد[٤]. ولي چون ضخامت موجبر و آنتن شيپوري طراحي شده بيشتر از μm١٠٠ نيست بايد ضخامت PMMA نيز همين مقدار باشد (شکل ۲-۲).
بعلت اينکه اشعه X توسط زير لايه جذب مي شود از يک ماسک غشايي مخصوص براي ايجاد فرم آنتن بر روي PMMA
استفاده مي کنيم [٦-٤]. ماسک شامل يک غشاء به ضخامت μm٣-٢ است که بر روي يک ويفر سيليکان که به عنوان نگهدارنده عمل مي کند قرار دارد. بر روي اين غشاء يک ماسک فلزي به شکل ساختاري که قرار است ايجاد شود، قرار مي دهيم . اين فلز اغلب طلا و يا هر فلزي با امپدانس بالا است .
وجود اين فلز بعنوان ماسک براي جلوگيري از برخورد اشعه X به مکانهايي از PMMA است که نبايد نور با آن مناطق تابيده شود (شکل ۳-۲).
٣) بعد از اينکه توسط ماسک فوق اشعه X به PMMA تابيده شد (شکل ۴-۲)، مکانهايي که در معرض نور قرار گرفته شده اند را از روي سطح ويفر بر مي داريم . اين مرحله داراي اهميت زيادي است که مي توانيم از يک ماده با ترکيب زير استفاده کنيم [٨]
