高周波マイクロ電気機械システム

この記事で説明するコンポーネントは、RF MEMS スイッチ、スイッチドキャパシタ、バラクタに基づいています。これらのコンポーネントは、FETおよびHEMTスイッチ (共通ゲート構成の FET および HEMT トランジスタ)、およびPINダイオードの代わりに使用できます。RF MEMS スイッチ、スイッチドキャパシタ、バラクタは、アクチュエーション方式 (静電、電気熱、静磁、圧電)、たわみ軸 (横方向、垂直方向)、回路構成 (直列、並列)、クランプ構成 (カンチレバー、固定-固定ビーム)、または接触インターフェース (容量性、オーム性) によって分類されます。静電駆動の RF MEMS コンポーネントは、挿入損失が低く、アイソレーション、直線性、電力処理能力、Q ファクターが高く、消費電力はありませんが、高い制御電圧と気密性の高いシングルチップパッケージ (薄膜キャッピング、LCPまたはLTCCパッケージ) またはウェハレベルパッケージ(陽極またはガラスフリットウェハボンディング) が必要です。

RF MEMS スイッチは、 IBM Research Laboratory (カリフォルニア州サンノゼ) ^{[ 2 ] [ 3 ]}、Hughes Research Laboratories (カリフォルニア州マリブ) ^{[ 4 ]} 、 Northeastern University (Analog Devices (マサチューセッツ州ボストン)と共同) ^{[ 5 ]}、Raytheon (テキサス州ダラス) [ ^{6 ] [ 7 ]}、Rockwell Science (カリフォルニア州サウザンドオークス) ^{[ 8 ]によって開拓されました}。図 1(a) に示すような容量性固定ビーム RF MEMS スイッチは、本質的には可動式上部電極 (ビーム) を備えたマイクロ加工コンデンサです。これは通常、伝送線路と並列に接続され、Xバンドから W バンド (77 GHzおよび 94 GHz) の RF MEMS コンポーネントで使用されます。図 1(b) に示すようなオーミック カンチレバー RF MEMS スイッチは、アップ ステートでは容量性ですが、ダウン ステートではオーミック接触になります。これは一般的に送電線と直列に接続され、Kaバンド機器への直流送電に使用されます。 

電気機械的な観点から見ると、これらの部品は静電気力によって駆動される減衰質量-ばね系のように振る舞います。ばね定数は、ビームの寸法、ヤング率、残留応力、およびビーム材料のポアソン比の関数です。静電気力は、静電容量とバイアス電圧の関数です。ばね定数が分かれば、ビームを引き込むために必要なバイアス電圧であるプルイン電圧を手計算で求めることができます。また、ばね定数と質量が分かれば、スイッチング時間を手計算で求めることができます。

RFの観点から見ると、これらのコンポーネントは抵抗とインダクタンスが無視できる直列RLC回路のように動作します。アップ状態とダウン状態の容量はそれぞれ約50 fFと1.2 pFで、ミリ波回路設計における機能値です。スイッチは通常、容量比が30以上ですが、スイッチドキャパシタとバラクタの容量比は約1.2～10です。負荷時のQ値は、Xバンド、 Kuバンド、Kaバンドで20～50です。 ^{[ 9 ]}

RF MEMSスイッチドキャパシタは、容量比の低い容量性固定ビームスイッチです。RF MEMSバラクタは、プルイン電圧より低いバイアス電圧が印加された容量性固定ビームスイッチです。RF MEMSスイッチの他の例としては、オームカンチレバースイッチや、軸方向ギャップウォブルモータに基づく容量性単極Nスロー（SPNT）スイッチなどがあります。^{[ 10 ]}

偏波と放射パターンの再構成可能性、および周波数の調整可能性は、通常、SPSTスイッチやバラクタダイオードなどのIII-V族半導体部品を組み込むことによって実現されます。しかし、これらの部品は、RF MEMS技術が提供する低挿入損失と高Q値を利用するために、RF MEMSスイッチとバラクタに容易に置き換えることができます。さらに、RF MEMS部品は、ホウケイ酸ガラス、溶融石英、LCPなどの低損失誘電体基板上にモノリシックに集積できます^{[ 17 ]}。一方、III-V族化合物半絶縁性およびパッシベーションされたシリコン基板は、一般的に損失が大きく、誘電率も高くなっています。低損失正接と低誘電率は、アンテナの効率と帯域幅にとって重要です。

従来技術には、 0.1～6 GHz の周波数範囲に対応する RF MEMS 周波数可変フラクタルアンテナ^{[ 18 ]} 、共振周波数の数を増やして範囲を 8 GHz、14 GHz、25 GHzに拡張する自己相似シェルピンスキーガスケットアンテナへの RF MEMS スイッチの実際の統合^{[ 19 ] [ 20 ]} 、6 GHz および 10 GHz 用の RF MEMS 放射パターン再構成可能スパイラルアンテナ^{[ 21 ]}、パッケージ化された Radant MEMS SPST-RMSW100 スイッチに基づく 6～7 GHz 周波数帯域用の RF MEMS 放射パターン再構成可能スパイラルアンテナ [ 22 ]、RF MEMSスイッチを^統合し、 2.4～18 GHzの異なる帯域で動作する RF MEMSマルチバンドシェルピンスキーフラクタルアンテナ^{[ 23 ]} 、および 2 ビット Ka バンド RF MEMS 周波数可変スロットアンテナが含まれます。^{[ 24 ]}       

Samsung Omnia Wは、RF MEMSアンテナを搭載した最初のスマートフォンでした。^{[ 25 ]}

アンテナが十分な選択性を提供できない場合、 RFバンドパスフィルタを使用して帯域外除去を増やすことができます。帯域外除去により、干渉を考慮したLNAおよびミキサーのダイナミック レンジ要件が緩和されます。集中型バルク音響波 (BAW)、セラミック、SAW、水晶、およびFBAR共振器に基づくオフチップ RF バンドパスフィルタは、低損失正接の基板上に印刷された伝送線路共振器または導波管空洞に基づく分布型 RF バンドパスフィルタに取って代わりました。

チューナブルRFバンドパスフィルタは、スイッチドRFバンドパスフィルタバンクに比べて大幅なサイズ縮小を実現します。これらは、III-V族半導体バラクタ、BSTまたはPZT強誘電体、RF MEMS共振器およびスイッチ、スイッチドキャパシタおよびバラクタ、YIGフェライトを使用して実装できます。RF MEMS共振器は、高Q共振器と低損失バンドパスフィルタのオンチップ統合の可能性を提供します。RF MEMS共振器のQ値は100～1000のオーダーです。^{[ 15 ]} RF MEMSスイッチ、スイッチドキャパシタ、バラクタ技術は、チューナブルフィルタ設計者に挿入損失、線形性、消費電力、電力処理、サイズ、スイッチング時間の間の魅力的なトレードオフを提供します。^{[ 26 ]}

RF MEMS 位相シフターに基づくパッシブサブアレイを使用すると、アクティブ電子走査アレイの T/R モジュールの数を減らすことができます。このことは、図 6 の例で説明されています。1 × 8 のパッシブサブアレイが送信と受信の両方に使用され、次の特性を持つと仮定します。f = 38  GHz、G _r = G _t = 10 dBi、BW = 2  GHz、P _t = 4 W。RF MEMS 位相シフターの低損失 (6.75 ps /dB) と優れた電力処理 (500  mW) により、EIRP は 40 W、G _r /T は 0.036 1/K になります。EIRP は、電力開口積とも呼ばれ、送信利得 G _tと送信電力 P _tの積です。G _r /T は、受信利得とアンテナ雑音温度の商です。長距離探知には、高いEIRPとG _{r /Tが必須条件です。EIRPとG r} /Tは、サブアレイあたりのアンテナ素子数と最大走査角の関数です。サブアレイあたりのアンテナ素子数は、図7および図8に示すように、 EIRPまたはEIRP x G _{r /Tの積を最適化するように選択する必要があります。}レーダー距離方程式を 使用すると、受信機の入力で10 dBのSNRでターゲットを検出できる最大距離を計算できます。

${\displaystyle {\mathrm {R={\sqrt[{4}]{\frac {\displaystyle {\mathrm {\lambda ^{2}\,EIRP\,G_{R}/T\,\sigma } }}{\mathrm {\displaystyle 64\,\pi ^{3}\,k_{B}\,BW\,SNR} }}}} }}$

ここで、k _Bはボルツマン定数、λ は自由空間波長、σ はターゲットのRCSです。次のターゲットに対する距離値は表 1 に表されています。半径 a が 10 cm の球 (σ = π a ² )、ファセットサイズ a が 10 cm の二面 角反射器(σ = 12 a ⁴ /λ ² )、車の後部 (σ = 20  m ² )、および非回避戦闘機 (σ = 400  m ² )。

RF MEMS位相シフターは、高EIRPおよび高G _r /Tの広角受動電子走査アレイ（レンズアレイ、反射アレイ、サブアレイ、スイッチドビームフォーミングネットワークなど）を実現します。受動電子走査アレイの従来技術には、オームカンチレバーRF MEMSスイッチに基づく16個の5ビット反射型RF MEMS位相シフターによって合成された線源によって給電されるXバンド連続横方向スタブ（CTS）アレイ^{[ 27 ] [ 28 ]}、平行平板導波路で構成され、25,000個のオームカンチレバーRF MEMSスイッチを備えたXバンド2次元レンズアレイ^{[ 29 ]} 、およびRF MEMS SP4Tスイッチとロットマンレンズ焦点面スキャナに基づくWバンドスイッチドビームフォーミングネットワーク^{[ 30 ]}が含まれます。

RF MEMS 位相シフターの代わりに真の時間遅延 TTD 位相シフターを使用すると、関連する高距離分解能のUWBレーダー波形が得られ、ビームの歪みや周波数スキャンが回避されます。 TTD 位相シフターは、スイッチドライン方式^{[ 8 ] [ 31 ] [ 32 ]}または分散負荷ライン方式^{[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]を使用して設計されます。}スイッチドライン TTD 位相シフターは、特に X バンドまでの周波数で、デシベルNFあたりの時間遅延の点で分散負荷ライン TTD 位相シフターよりも優れていますが、本質的にデジタルであり、低損失で高アイソレーションの SPNT スイッチが必要です。一方、分散負荷ライン TTD 位相シフターは、アナログまたはデジタルで実現でき、サブアレイ レベルで重要な小型フォーム ファクタで実現できます。アナログ位相シフターは単一のバイアス線によってバイアスされるのに対し、マルチビットデジタル位相シフターは並列バスとサブアレイレベルでの複雑なルーティング方式を必要とする。