Dispositivi MEMS

       

 

Mems Phase Shifter

I phase shifter sono dispositivi essenziali in una grande varietà di sistemi radar e di telecomunicazione, sia militari che civili, come, ad esempio, le schiere di antenne sfasate nelle quali, controllando opportunamente la fase dei segnali in uscita, è possibile modificare forma e direzione del fascio irradiato.

In letteratura esistono diversi criteri di classificazione dei phase shifter. Innanzitutto, a seconda dell’approccio di design utilizzato e, quindi, in base alla relativa tipologia circuitale, un phase shifter può essere a linee commutate, a linee caricate, a riflessione, a filtro commutato o di tipo distribuito (vedi figura 1).

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(a) Sfasatore a linee commutate: il segnale in ingresso viene commutato su linee di diversa lunghezza elettrica mediante l’utilizzo di interruttori SPST o SPDT.
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(b) Sfasatore a linee caricate: sfrutta la capacità di un’impedenza di carico (serie o parallelo) di modificare le componenti riflessa e trasmessa del segnale in ingresso.

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(c) Sfasatore a riflessione: è costituito da un accoppiatore ibrido a 3 dB caricato mediante due stub della stessa lunghezza elettrica. I segnali riflessi dai carichi si ricombinano in fase sulla porta isolata e rappresentano il segnale di uscita

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(d) Sfasatore a filtro commutato: shift di fase dovuto alla differenza di fase introdotta dai due filtri (passa basso e passa alto) selezionati alternativamente mediante o 2 switch SPDT o 4 SPST.

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(e) Sfasatore distribuito: è costituito da una linea di trasmissione caricata periodicamente con diodi, transistor o componenti passivi come condensatori e stubs o switches MEMS. In quest ultimo  caso, variando l’altezza del ponte è possibile modificare la capacità distribuita sulla linea e quindi la fase del segnale in uscita.

 Figura 1: Tipologie circuitali e relativi principi di funzionamento di un phase shifter [1].

Se la fase del segnale in uscita dal phase shifter varia con continuità si avrà uno sfasatore analogico, realizzato solitamente mediante capacità variabili (diodi varactor). Uno sfasatore digitale, invece, fornisce un set discreto di ritardi di fase selezionati mediante l’utilizzo di opportuni commutatori.

In generale, i phase shifter con interruttori a semiconduttore (diodi PIN/PN o transistor FET), sono costosi e presentano perdite significative alle frequenze delle microonde. Una soluzione a tale problema è rappresentata dall’impiego degli switch in tecnologia MEMS come interruttori elettronici dai quali gli sfasatori ereditano pregi e difetti.
Gli RF MEMS phase shifter, infatti, sono caratterizzati da basse perdite di inserzione (soprattutto nella banda 8-120 GHz) garantendo in tal modo l’eliminazione di uno o anche due stati di amplificazione nella catena di Tx/Rx e, dunque, una riduzione della potenza DC (20-100 mW in banda X e V). Gli switch MEMS presentano inoltre una capacità nello stato Up molto bassa e questo permette di ottenere phase shifter con una banda molto più ampia rispetto a quelli di dispositivi allo stato solido.
Gli svantaggi principali dei phase shifter in tecnologia MEMS sono principalmente:
- tempi di commutazione elevati e questo ne limita l’utilizzo agli array di antenne con velocità di scansione ridotte;
- massima potenza di ingresso di 10-50 mW, limitandone l’utilizzo ad array che richiedono ridotta potenza di radiazione per singolo elemento della schiera;
- dimensioni maggiori rispetto agli sfasatori con interruttori a diodi o a transistor FET.

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Figura. 2 Foto di due RF MEMS phase shifter (a. loaded-line e b. reflect-line phase shifter) progettati dal gruppo ed realizzati presso i laboratori della Fondazione Bruno Kessler di Trento.

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Figura. 3 Sfasamento differenziale (∆φ=45°) misurato per: a. loaded-line, b. reflect-line phase shifter

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Figura. 4 Confronto tra simulazioni e misure. Coefficienti di trasmissione e riflessione: loaded-line phase shifter (a. e b.), reflect-line phase shifter (c. e d.)
Attualmente l’interesse del gruppo nell’ambito della progettazione dei phase shifter consiste nella ricerca di strategie di design (come, ad esempio, l’utilizzo delle linee di trasmissione artificiali) tali da garantire il soddisfacimento di specifiche quali:

- riduzione delle dimensioni;

- aumento della larghezza di banda (intesa come l’intervallo di frequenze in cui l’errore di fase è minore di 2° e il coefficiente di riflessione è inferiore a – 20 dB);

- riconfigurabilità in frequenza.

BIBLIOGRAFIA

[1] G. M. Rebeiz, “RF MEMS Theory, Design, and Technology”, New York: Wiley, 2003.
[2] F. Congedo, G. Monti, L. Tarricone, P. Farinelli, E. Chiuppesi, R. Sorrentino, J. Iannacci, V. Mulloni, B. Margesin, “Design and Realization of Loaded- and Reflect-Line X-band RF MEMS Phase Shifters”, 11th International Symposium on RF MEMS  and RF Microsystems, Otranto, Italy, 28-29-30 June 2010.
[3] F. Congedo, G. Monti, L. Tarricone, P. Farinelli, R. Sorrentino, J. Iannacci, V. Mulloni, B. Margesin, “MEMS-Based Frequency-Tunable Reflect-Line Phase Shifter”, Proceedings of the 12th International Symposium on RF MEMS and RF Microsystems, Athens, 27-29 June 2011.