""الهوائيات القابلة للتشكيل باستعمال تكنولوجيا الميكرو إلكترو ميكانيكيات""

الملخص العربي:

إنّ الهدف الرئيسي لهذه الرسالة هو دراسة جدوى استعمال تقنية الـ MEMS )) لتنفيذ الهوائيات القابلة للتشكيل متعددة الترددات وعرض تأثير المفتاح MEMS)) على الأداء الكُلي للهوائي مقارنة بحالة المفتاح المثالى.

تنقسم الرسالة إلى خمسة فصول بالاضافة إلى قوائم بالمحتويات والجداول والأشكال والرموز والمسطلحات الواردة بالرسالة، وايضا قائمة بالمراجع والأبحاث المنشورة من الرسالة.

الفصل الأول

فى هذا الفصل تم استعراض الأشكال المختلفة للهوائيات المسطحة مع توضيح مميزات وعيوب كل شكل. وقد تم عرض الأنواع المختلفة من الموجات الوارد وجودها فى الهوائيات المسطحة وشرح أسباب ظهور كل منها ومشاركتها فى عملية إشعاع الهوائي. وتم تعريف البارامترات الأساسية التى تحدد أداء الهوائي مع ذكر العوامل الفنية التى يجب أن تؤخذ فى الإعتبار عند تصنيع الهوائي.

وقد تم عرض أساسيات نوعين من الهوائيات المسطحة تحت الدراسة: الهوائي ثنائي القطب المطبوع والهوائى الثقبى ثنائي القطب من حيث الأشكال المختلفة، ميكانيكية الإشعاع،  المجال البعيد المصاحب لهذا الإشعاع ، شكل المجال، مقدار التوجيه ومقاومة الإشعاع. وفى نهاية هذا الفصل تم عرض مقارنة بين النوعين من حيث سهولة التصميم وقابلية التكامل وخصائص الإشعاع.

الفصل الثانى

فى هذا الفصل تم مراجعة الطرق المختلفة لتحقيق هوائي قابل للتشكيل مع التركيز على الأشكال التى تَستخدم الأنظمة الميكروإلكتروميكانيكية MEMS)) فى التحكم فى خصائص الهوائي وعرض النتائج الحديثة فى هذا المجال. وينقسم هذا الفصل إلى قسمين:

القسم الأول يتناول عرض الحلول المستخدمة لتصميم وتنفيذ الهوائيات القابلة للتشكيل إلكترونيا وهى تحتوى الهوائيات متعددة الترددات ومجموعات الهوائيات المطورة. وفى القسم الثانى يتم عرض الحلول المستخدمة لتنفيذ الهوائيات القابلة للتشكيل ميكانيكياﹰ والتى يتم من خلالها تشكيل الشعاع و توجيهه.

لفصل الثالث

يتناول هذا الفصل عرض تفصيلى لنوعية حديثة من المفاتيح وهى مفاتيح الأنظمة الميكروإلكتروميكانيكية MEMS)) والتى تعمل عند ترددات الراديو. يبدأ هذا الفصل بتعريف لأجهزة الـMEMS)) والتقنية اللازمة لتصميمها وبالأخص تشغيل الحجم الميكروى وتشغيل السطح الميكروى. وقد تم استعراض الأنواع المختلفة لهذه الأجهزة مع وصف تفصيلى لمفاتيح الـMEMS)) التى تعمل عند ترددات الراديو من حيث اللأشكال والخواص الميكانيكية الاستاتيكة والديناميكية، وأيضا من حيث وظيفتها فى الدوائر الكهربية سواء كانت مفاتيح متتالية أو متوازية، وأخيرا من حيث الخواص الكهرومغناطيسية والتى تشمل العزل وفقد العودة  وفقد الإدخال.

وقد تم فى هذا الفصل تقديم أمثلة عديدة لمفاتيح الـMEMS)) مع عرض خصائص كل مفتاح وأيضا تم تناول مشكلة التعبئة التى تواجهها هذه المفاتيح مع توضيح تأثيرها على أداء المفاتيح. وفى نهاية هذا الفصل تم عمل تلخيص لجميع خواص مفاتيح الـMEMS)) التى تعمل عند ترددات الراديو بناءاﹰ على ما ورد خلال الفصل.

الفصل الرابع

يتناول هذا الفصل عرض لخطوات تصميم نوعين من الهوائيات المسطحة القابلة للتشكيل مزدوجة الترددات (هوائي مطبوع ثنائي القطب وهوائى ثقبى ثنائي القطب) باستخدام تقنية الأنظمة الميكروإلكتروميكانيكية MEMS)). وقد استخدام المحاكي الكهرومغناطيسي الثلاثى الأبعاد(HFSS)®  ثم تم التحقق من التصميم الثانى من خلال تصنيع وقياس هوائى ثقبى مطبوع على ركيزة عازلة.

التصميم الأول عبارة عن هوائي ثنائي القطب قابل للتشكيل مزدوج التردد باستعمال مفاتيح MEMS)) متتالية ويعمل عند 4.86 و 8.98 جيجاهرتز. الهوائى مطبوع على شريحة سيليكون سفلية ذات مقاومة عالية  (HRS) بسمك 525 ميكرون و مكسوة بطبقة من مادتى ثانى أكسيد الكربون و نتريد السيلسكون بسمك 1.4 ميكرون.  يتم تغذية الهوائى ثنائي القطب مباشرة بخط تفاضلي، ولقد تمت دراسة تأثير مفاتيح MEMS)) المتتالية على أداء الهوائي. تم تصميم الهوائي باستخدام المحاكي الكهرومغناطيسي الثلاثى الأبعاد(HFSS)®  وكان فقد العودة للهوائي بإستعمال المفاتيح المتتالية المصمّمة 10.2  و 21.6  ديسيبل في الترددات السفلى والعليا، على التوالي. وقد لوحظ انخفاض فى التردد بمقدار 0.4 % و 2.8 % مقارنة بحالة المفاتيح المثالية،  في الترددات السفلى والعليا، على التوالي، وكان الهوائي المتضمن مفاتيح MEMS)) له نطاق موجى بسعة 1.9 % و13.6 % في الترددات السفلى والعليا، على التوالي. أما بالنسبة إلى مقدار توجيه الهوائي، فكان يساوى 2 ديسيبل في التردد السفلى، و3 ديسيبل في التردد الأعلى. ومن العيوب الرئيسية لهذا الهوائى هو ارتفاع التكلفة نتيجة إستخدام مساحة كبيرة نسبيا من السيليكون ذات المقاومة العالية بالإضافة إلى المشاكل المصاحبة لاسخدام خط تغزية تفاضلي عند هذه الترددات العالية.

وللتغلب على عيوب التصميم السابق، تمت دراسة  تصميم آخر لهوائى ثقبى ثنائي القطب يغذى بدليل موجى متحد المستوى ومطبوع على شريحة سيليكون قياسية (11-15 أوم.سم) مكسوة بطبقة من مادة البنزوسيكلوبيوتين (BCB) بسمك 20 ميكرون. و تعمل طبقة البنزوسيكلوبيوتين البينية بين المعدن والشريحة السفلية  كحاجب للمجال الكهربائي من شريحة السيليكون. بالإضافة، تم حفر خنادق تحت الثقوب الخاصة بكل من الهوائى الثقبى و خط التغذية باستخدام تشغيل الحجم -وهى أحدى تقنيات الـ MEMS)) - مما يقلل الفقد فى شريحة السيلكون بحدة. إنّ الهوائي مصمّم للعمل عند ترددات 24 و34 جيجاهرتز. وقد حقق هذا التصميم مساحة شريحة صغيرة وتساوى 0.636 سم2 .ولقد تمت أيضا دراسة تأثير مفاتيح MEMS)) المتتالية على أداء الهوائي  مقارنة بحالة المفاتيح المثالية.

أخيرا، ولغرض القياسات، تم تطبيق التصميم السابق على ركيزة عازلة - 3.5=re - و صمم الهوائى ليعمل عند ترددات 2.4 و3.4 جيجاهرتز. وبما أنه مفاتيح الـ MEMS)) لم تكن متوفرة في شكل معلب صغير، فقد تم تصنيع الهوائى الثقبى القابل للتشكيل  باستعمال المفاتيح المثالية. وهذا لا يمثل أى تعارض مع الدراسة المجرية لأنه تبين مسبقا أن تأثير مفتاح الـ MEMS)) كان بسيط في الترددات الأقل من 5 جيجاهرتز، وقد كانت النتائج العملية مقارنة بنتائج المحاكاه.

الفصل الخامس

يحتوى الفصل الخامس على النتائج المستخلصة من البحث بالإضافة إلى بعض الإقتراحات لدراسات مستقبلية."