微机电技术制作热挫屈致动变频开槽微带天线概要

微机电技术制作热挫屈致动变频开槽微带天线
微机电技术制作热挫屈致动变频开槽微带天线
黄荣堂张锟能林忠助苏金练
国立台北科技大学机电整合研究所
摘要
本文旨在提出一种利用热挫屈结构(thermally buckling structure)来达到变频功能之开槽耦合微带天线(aperture coup microstrip patch antenna),并将此天线结构与现在广受讨论的微机电制程技术结合.此变频天线主要是将patch 天线建立在热挫屈结构上,并利用此结构使得patch与ground间,除了介电层外,还包含了可由热挫屈结构来调整之空气层.当空气层厚度因热挫屈结构而产生变化时,即相对是改变了patch与ground间之等效介电常数,因而使得天线的共振频率获得改变.本文将透过软体进行屈变形,则其临界的应变为εcrit:
(1)
其中t:为结构之厚度
l:为结构之长度
此应变量乃是来自於结构受温度变化(T)所产生的热膨胀导致,其关系为:
(2)
其中(:为结构所受之应力
(:为结构之热膨胀系数
E:为结构之弹性模数
因此结构要产生热挫屈之临界温差(Tcrit)为:
(3)
而最大的中心变形量(d)为:
(4)
由式(3)及式(4)可以很容易的分析出结构受热时,产生挫屈的变形程度,当温差越大时则挫屈量也随会之增大.
图2 热挫屈结构之示意图
(3)变频开槽微带天线结构
在天线的变频设计上,藉由热挫屈结构将patch与ground间的介电层改为由介电常数较高的基材及介电常数较低的空气层来构成;天线之patch制作於热挫屈结构之上,与接地面隔著一层空气层(如图3所示),当热挫屈发生时则天线
patch部分随著结构往下降,同时使得空气层之厚度变小,由[12]可知patch与ground间之等效介电常数()可近似为:
(5)
其中 :为上层介电层之介电常数
:为空气层之介电常数
h :为上层介电层之厚度
s :为空气层之厚度
由式(5)可知空气层的变化会改变其等效介电常数.
另外为了对热挫屈结构加热,因此结构中包含了经掺杂的多晶矽所形成的电热丝,如此一来便可经由对电热丝施加电压,使其产生高温而对热挫屈结构加热并造成
其挫屈变形.
图3 热挫屈变频开槽微带天线结构示意图
(a).未受热前
(b).受热后产生挫屈现象
三,模拟分析与结果
为了了解空气层的厚度对天线共振频率的影响,因此在模拟分析上便针对不同的空气层厚度来进行设定,表1列出模拟中不同空气层厚度的设定值,其他相关之天线模拟参数则如第二节所述.
表1 空气层高度(s)的设定值
Case
A
B
C
D
E
F
设定值
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
(单位:mm)
由图4之模拟结果可以得到空气层厚度之变化对开槽微带天线之共振频率的影响,图5绘出了不同的空气层高度与天线共振频率变化的曲线图,由图中可以看出当空气层的厚度减小时,天线的共振频率也会随之降低,其频率变动范围约在4.3 GHz到4.8 GHz之间.另外,比较图5与图6的结果亦可以看出,介电常数的减小,会使得天线的共振频率升高.
(a)
(b)
图4 变频开槽微带天线之模拟结果
(a). Smith Chart
(b). Return Loss
图5 空气层厚度V.S.天线共振频率
图6 空气层厚度V.S.等效介电常数
图7 较高介电常数基材之影响
由图6的结果可明显看出,当其空气层厚度改变,对其等效介电常数的变化仅从原2.3至2,造成频率的变化亦从4.3 GHz至4.7 GHz,其频率的变化范围并不是很大,若将上介电层更改为介电常数较高的基材(如陶瓷,玻璃,矽基材等),则在相同的空气层厚度变化下,可改变的等效介电常数之变化范围将可增加,如此一来其频率的变化范围亦可增加,图7为将上介电层改为较高介电常数(矽)材料后,其空气层厚度变化与等效介电常数的关系,图中显示其介电常数的变动范围在11.9到9.3之间.
四,结论
本研究利用软体模拟分析,探讨变频开槽微带天线的特性及结构,其主要之变频
原理是利用热挫屈结构的致动来改变介电层间的空气层高度,以改变其等效介电常数,使得天线的共振频率有所改变,模拟结果显示其频率变动范围在4.3 GHz
到4.8 GHz之间.
五,参考文献
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