反射波抑制微波主動MEMS相移器相位掃描天線陣列研製

Abstract

近年來，將主動元件和被動天線接和(integrate)在同一塊基板上，已是未來的 研究趨勢。有許多種不同的組合與變化使得微波天線陣列的應用已經愈來愈廣泛與多元 化，其中又以運用熱門的微機電技術：Microelectronic Mechanical System (MEMS)的 技術做出整合性主動天線陣列成為熱門的研究課題。本計畫在微機電MEMS電路設計與洩 漏波掃瞄天線都有特殊且十分有學術與商業價值的設計，此校際合作計劃與清大電機系 教授黃瑞星老師共同研究。黃瑞星老師在微機電方面有十分過人的研究，在數年的國科 會計劃中,我們已經分別成功製作出MEMS部分相關成果與微帶洩漏波天線(Microstrip leaky-wave antenna)相關研究,另外我們也和 Higher Education (STINT) National Science Foundation (NSF) UC Davis Professor Luhmann (NCL)在Nonlinear Delay line, Phase shifter 與 Antenna arrays 有相關共同合作研究成果: (1)開關式波束掃瞄洩漏波天線[1]-[2]； (2)衛星用主動微帶線天線[3]； (3)雙波束反對稱饋入主動掃瞄式洩漏波天線[4]； (4)電子開關式波束掃瞄洩漏波天線[5]； (5)可抑制背波瓣之patch antenna 孔隙饋入式微帶洩漏波天線[6]； (6)二維掃瞄式相位微帶洩漏波天線陣列[7]； (7)低損耗MEMS 延遲線寬頻相位天線陣列應用[8] ; (8)混合非線性延遲線寬頻相位天線陣列系統[9]-[11] ; (9)混光學E-Band MEMS 開關陣列[12]。 (10)製作於Parylene 薄膜上之懸浮式patch antenna[13]。 (11)新型應用於SoC 系統之射頻微機電技術[14]。 (12)整合射頻微機電技術與積體電路之電鍍與矽等向蝕刻製程[15]。 其中微帶洩漏波天線( Microstrip Leaky-Wave Antenna ) 的特性有許多的優 點，如寬頻和集中窄波束和有頻率掃瞄功能。根據以往研究方向，我們已經能製作出 主動天線陣列且同時有多方位功率整合(power combining)效果,beam forming 現象 (sum and difference patterns)與可抑制反射波瓣的許多smart antenna 的相關研究， 再加入移相器(phase shifter)可產生大幅度的掃瞄角度，之前考量到減少體積與重 量，希望增加微波訊號源的輸出功率與效率與天線效率，於是使用特殊MEMS 技術做出 Switch, Delay line and phase shifter 來取代一些Pin Diode, Resonant Tunneling Diodes (RTD) 及 HBTs 等等[8]-[12].，用於製作相位天線陣列(Microwave and Millimeter wave Phase antenna array)。其中使用的主動天線採用特別型式微帶洩 漏波天線來達成提高天線增益，增加掃瞄角度，集中主波束功率等優點，因此本計劃 為更進步的智慧型掃瞄天線與MEMS 系統整合，我們有兩大目標: (1)雖然洩漏波天線 擁有許多優點，但天線的發射波與反射波卻受到天線本身體積與長尺寸的限制，有許 多的研究都致力於減小洩漏波天線的尺寸。我們目標預計製作出全方位三維空間掃瞄 主動天線陣列並能有效抑制反射波干擾。使用縮小洩漏波天線電路體積但能將抑制的 反射波能量作更有效率的使用，使得多餘反射能量藉由藕合形式在電路背面形成另一 發射場形。主要使用的觀念在於運用孔隙饋入的形式將多餘的反射波藕合到背面形成 另一天線發射場型，其中背面我們一開始會使用Patch 陣列天線，但在連接處加入 matching stub 使得將來能更有彈性的使用多種不同形式的天線陣列，也更會有許多不 同的效果與天線功能，其概念可如圖1。由於正面的短洩漏波天線本身藉著頻率的變化 主波束即有掃瞄的功能，我們計劃作成陣列，即會有2-D 掃瞄功能，而現在更可在背