Design, fabrication and characterization of a rf mems based reconfigurable antenna

Abstract

In order to satisfy an increasing need to operate in network systems with different standards and operating frequencies, new ideas for next generation communication systems are needed. The sudden increase of this need has forced the creation of tunable and reconfigurable devices all around the electronics and electromagnetic fields. RF MEMS arrived to the design table since they have proven to be more functional, lighter, and more reliable than their solid state counterparts for low and medium power handling applications. It’s a way to provide the scientific community with a more efficient way of using the available bandwidth and to achieve a higher data transmission rate for an increasing amount of users. MEMS deal with the integration of mechanical elements, actuators, electronics and sensors on a common substrate through a process of microfabrication. They are fabricated using compatible micromachining processes, selectively etching away or adding new structural layers to develop an electromechanical sytems. The implementation of these devices has improved some applications in the antennas field and has created innovative ways of changing the current RF systems. In this thesis, the design, fabrication process, and characterization of an RF MEMS-based reconfigurable antenna is presented. The fabrication process took place in the packaging laboratory at the Air Force Research Laboratory at Wright Patterson Air Force Base, Ohio. The antenna design was simulated in CST Microwave Studio. The biasing lines will be designed to have the least effect on the antenna performance. A probe feeding technique will be employed. The integration of the RF MEMS switches was done via wire bonding. The main goal is to achieve antenna frequency tuning capability by changing the geometry of the antenna using RF MEMS switches. The radiation pattern of the antenna will also be observed for characterization purposes.

Para satisfacer la necesidad de operar en sistemas con diferentes estándares y frecuencias de operación se necesitan nuevas ideas para la nueva generación de sistemas de comunicación. El incremento repentino de dicha necesidad ha forzado la creación de dispositivos reconfigurables o de multiusos alrededor de los campos de electrónica y electromagnética. Los RF MEMS llegan a la mesa de diseño ya que han demostrado que proveen mayor funcionabilidad, son más livianos y más confiables que sus contrapartes de estado sólido para aplicaciones que requieren linealidad y bajo consumo de potencia. Es una forma de proveer a la comunidad científica con una manera más eficiente de usar el ancho de banda disponible y para adquirir una transmisión de data mayor para un número de usuarios que sigue incrementando. MEMS se refiere a la integración de elementos mecánicos, actuadores, electrónica y sensores en un sustrato común por medio de un proceso de microfabricación. Ellos son fabricados usando procesos de microfabricación compatibles, descartando selectivamente el material de las láminas de material depositado y añadiendo nuevas capas de estructura para formar un sistema electromecánico. La implementación de estos dispositivos ha mejorado algunas aplicaciones en antenas y ha creado formas innovadoras de cambiar los sistemas de radio frecuencia. En esta tesis, se presentará el diseño, proceso de fabricación y la caracterización de una antena reconfigurable basada en tecnología de RF MEMS. El proceso de fabricación se llevará a cabo en el laboratorio de empaque del Air Force Research Laboratory en Wright Patterson Air Force Base, Ohio. La antena fue simulada en CST Microwave Studio. Las líneas de actuación de los conmutadores serán fabricadas para que afecten lo menos posible el comportamiento de la antena. La antena se alimentará por medio de cable coaxial a través del plano de tierra y sustrato. La integración de los conmutadores se hará por medio de soldadura de ultrasonido. La meta final es tener la capacidad de sintonizar la frecuencia de la antena usando RF MEMS. Los patrones de irradiación se estudiarán para propósitos de caracterización.