1、微機電技術製作變頻微帶天線黃榮堂 林忠助 張錕能 蘇金練國立臺北科技大學機電整合研究所摘要本文旨在提出一種以微機電技術製作之變頻微帶patch天線。此變頻天線是在patch的周邊加入一些小的調整片(tuning strips)，並藉由微型開關(MEMS switch)來控制其與patch的連接，以改變天線的patch尺寸，而達到變頻的目的；經由調整微型開關於on/off間的位置高低來改變patch與調整片間的耦合情形，亦可調整中心頻率。文中將透過軟體進行模擬以確定其變頻特性，於模擬結果中可知，當我們設定好調整片與patch的距離，等於決定其頻率變動的範圍，在適當控制微型開關與patch及調整片

2、間的位置後，可得到調整頻率的功能。文中所設計的天線是K頻段變頻微帶天線，由模擬結果顯示其頻率調整範圍約可在28GHz至30GHz間。AbstractThe paper is to propose methods of using micromachining technologies to develop a multi-frequency microstrip patch antenna. The rational of tuning frequency for the antenna is by placing some small tuning strips beside of the

3、patch and by installing the corresponding MEMS micro switch to adjust the coupling level between the tuning strips and the patch. Therefore, the resonant length of the patch can be tuned to obtain variable resonant frequency. The simulations by a EM software package are implemented to find the range

4、 of the tuning frequency and the quantitative relationships among the dimensions of the tuning strips, the distance of the tuning strips away from the patch, and the coupling height of the micro switch. The design case is for a microstrip patch antenna in K band. The simulation results show the tuni

5、ng range is from 28GHz to 30GHz.一、前言自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之趨勢。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0.010.05 free-space wave length），相對於其他種類的天線而言是最符合微機電製程，且亦具備了體積小、重量輕、厚度薄及低製造成本1-

6、3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4-6，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的應用，往往需要低成本、厚度薄及能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，日益凸顯其重要性。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。本文除了遵守精確分析的設計準則之外，主要是提出一種新的變頻微帶天線結構，並使用微機電製程技術來製作天線與微型開關，利用兩者間的配合，使微帶天線

7、達到頻率可調的目的。二、變頻微帶天線設計所謂的變頻微帶天線，是指單一天線結構，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7-8，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，其結構在製作上十分的容易，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 impedanc

8、e)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，以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，微帶饋入線的寬度(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)為0.03mm。(2)高頻微型開關結構以微機電技術製作之高頻微

9、型開關是近年來十分受重視的研究題材之一9-12，文獻中指出其在高頻之特性比固態開關有較佳之表現，且易於與製程結合，進而降低製程之複雜性。其作動之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及接觸片，並使上電極與下電極在未致動時能保持一固定之高度(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為加入一適當驅動電壓，造成上下電極吸住，以致開關接合現象，若適當控制驅動電壓的大小，即可控制上下電極間的高度，而達到變頻的目的。(3)變頻微帶

10、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)與有限元素法(FEM)13進行全波分析，其共振頻率被定義為(1)其中c：光速(3×1010 cm/sec) L：微帶patch天線共振長度 fr：共振頻率 ：等效介電常數本文所提的變頻微帶天線結構如圖3如示，其主要概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)中微帶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

11、範圍。另外適當的調整外加的直流電壓的大小，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，此時可達較低的共振頻率；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其頻率範圍間作細微的變動。圖1 微機電技術之微帶天線結構a.上視圖b.側視圖圖2 微機電技術之微型開關結構a.上視圖b.側視圖(off state)c.側視圖(on state)ab圖3 微機電技術之變頻微帶天線結構a.上視圖b.側視圖三、模擬分析及結果在模擬分析尚可分為兩大方向：(1)模擬改變調整片(tuning strip)的大小及與微帶pat

12、ch天線的距離(d)，觀察其對天線共振頻率的影響；(2)模擬微型開關作動時，上下電極間的間距(g)變化對天線共振頻率之影響。(1)改變調整片大小及其與微帶patch天線的距離為了模擬調整片的幾何尺寸對天線頻率的影響，因此在模型的建立時，我們先設定開關是處於接合的狀態(g = 0)，再針對調整片的尺寸(L1)及其與微帶patch天線間距離(d)作改變，表1中列出調整片之模擬參數的變化情形。由圖4的模擬結果可知，當調整片與天線間的距離(d)不變時，如A、B、C所示(d = 0.03 mm)，若調整片的幾何尺寸(L1)愈小，則可產生較高的共振頻率；同樣的當在相同的調整片面積下，可由C與D的結果得知，

13、若調整片與微帶patch天線的距離(d)愈近，其共振頻率亦會較高。表1 調整片之模擬參數表CaseLWL1dA1.351.80.060.03B1.351.80.030.03C1.351.80.0150.03D1.351.80.0150.015E1.351.8無調整片(單位：mm)ab圖4 調整片(tuning strip)參數變化對微帶天線共振頻率影響之模擬結果a. Smith Chartb. Return Loss(2)改變微型開關致動高度(g)之模擬在模型的建立上，採用了前述模擬模型的幾何尺寸(即L×W = 1.35mm×1.8mm、y1 = 0.7mm、W1 = 0.

14、3mm、L1×W = 0.06mm×1.8mm、d = 0.03mm)，並針對開關之作動高度做不同的調整，以了解微型開關於on/off間位置高低的不同是否能改變patch與調整片間的耦合，進而對微帶天線的共振頻率有所影響，表2為不同模擬下開關高度(g)之設定值。由圖5的模擬結果可知，當微型開關越接近天線結構面時，會使得patch天線與調整片之耦合程度越來越高，進而讓天線的共振頻率往較低的頻率變化；相對的，若微型開關離天線結構越遠，使得patch天線與調整片之耦合將漸漸減少，頻率也會隨之增高。表2 微型開關之致動高度模擬參數表CaseABCDEFGHg00.010.050.1

15、0.250.51無調整片(單位：m)ab圖5 微型開關與微帶天線間高度(g)的變化對天線共振頻率影響模擬結果a. Smith Chartb. Return Loss四、討論利用微機電技術製作之變頻微帶天線為一創新的結構，於微帶patch天線的周邊加入一些調整片(tuning strips)，經控制微型開關(MEMS switch)的致動高度，達成變頻之目的，目前就單一調整片的大小及與微帶patch天線不同距離的模擬結果，得知其能決定一定的頻率變動範圍，若超過此頻率變動範圍，則天線的Return Loss將增加，使得天線的性能降低，因此日後將更進一步研究多個調整片的情況，使頻率的可變範圍更為擴大

16、，以獲得較大頻段之變頻效果。在微型開關的製作上，亦存在許多值得深入探討的課題，以微機電技術製作微型開關已經有許多成功的例子，如何使其驅動電壓降低，亦已廣受研究，但一般微型開關致動高度的可控範圍約限制在1/3的初始設計高度，當開關位置低於約2/3初始高度時，靜電力的作用將使其迅速落下，因此在設計時必須考慮微型開關的有效致動高度，以使頻率的可調範圍為最大。微帶patch天線的周邊加入一些調整片(tuning strips)，經微型開關之致動高度的改變，造成微帶天線的變頻特性，經由Smith Chart可清楚看出其輸入阻抗的大小，且其特性近似於在微帶patch天線等效模型上並聯一個電感，當微型開關的

17、致動高度於較高位置時，電感值較小，此時產生共振頻率將較高；相對的，當微型開關的致動高度於較低位置時，電感值較大，此時產生共振頻率將較低，變頻天線的整體等效電路模型，將於日後的研究中更進一步的確認。另外在日後的研究中也將持續進行天線的製作，其製作過程將利用微機電製程技術來完成，其中尚有一些製程參數需要克服，以符合整體製程的相容性，並製作出合乎本文所提及的變頻微帶天線結構，待完成製作後將進行天線特性量測來驗證模擬結果。五、結論本研究利用軟體模擬分析，探討變頻微帶天線的特性及結構，其主要變頻原理是應用改變微帶patch天線的共振長度，藉由於微帶patch天線的周邊加入適當大小的調整帶(tuning

18、strip)，配合控制微型開關(MEMS switch)的致動高度，達到頻率可調整的目的。本文設計為一K頻段之變頻微帶天線，模擬結果顯示在不同的調整片大小及調整片與微帶patch天線的間距，均能達到變頻的效果；控制微型開關的致動高度，其頻率的範圍可從27.8GHz至29.8GHz之間變動。隨著無線通信的快速成長，各種微波元件尺寸逐漸縮小且製作精度要求越來越高的情況下，微機電製程技術正可符合此需求，而本文所探討之變頻微帶天線，未來將可用於雷達(radar)、全球定位系統(GPS)及汽車通訊(vehicular communication)等的相關應用上。六、參考文獻1 I. J. Bahl an

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