RICERCA ITALIANA     

Applicazioni della tecnologia MEMS a sistemi di antenne intelligenti e riconfigurabili

Università degli Studi di Perugia

Abstract

Il presente progetto di ricerca si propone di studiare le potenzialità applicative dei sistemi Microelettromeccanici (MEMS) nella realizzazione di antenne intelligenti e riconfigurabili.
Lo sviluppo dei moderni sistemi di comunicazione richiede una serie di prestazioni sempre più stringenti ed in particolare antenne (intelligenti) capaci di riconfigurare adattivamente il fascio irradiato in modo da massimizzare il flusso informativo verso le zone utili minimizzando al contempo gli effetti di disturbi e interferenze. Le antenne intelligenti sono costituite da una schiera lineare o planare di elementi radianti connessi ciascuno ad uno sfasatore digitale. Mediante opportuni algoritmi è possibile modificare le caratteristiche radiative agendo sulla fase dei singoli elementi radianti. La tecnologia MEMS può trovare largo impiego in questo tipo di antenne, dato l'elevato grado di riconfigurabilità e di integrazione richiesto, nell'implementazione degli sfasatori digitali che dovranno essere connessi agli elementi radianti. La riconfigurabilità può essere inoltre estesa ai singoli elementi radianti integrando i dispositivi MEMS nella struttura stessa dell'antenna in modo da alterarne le caratteristiche radiative ed elettromagnetiche.
In questo contesto si inseriscono le specifiche esperienze e competenze delle quattro unità di ricerca proponenti, Università di Perugia, Ancona, Pavia, e Bologna, che già nel 2002 hanno partecipato insieme al progetto PRIN 2002 nel quale sono state messe a punto tecniche di simulazione elettromagnetica, circuitale e meccanico-strutturale applicate alla progettazione e analisi di dispositivi MEMS.
L'unità di Perugia, coordinatrice del progetto, ha sviluppato competenze nella progettazione di dispositivi RF MEMS, di antenne phased-array e di algoritmi di sintesi e controllo del fascio. L'unità di Ancona e Pavia hanno sviluppato nel corso degli ultimi anni efficienti strumenti di simulazione elettromagnetica per circuiti planari tridimensionali. L'unità di Bologna si occupa da anni di problemi legati alle non linearità nei sistemi di comunicazione, ed ha sviluppato strumenti di analisi e ottimizzazione di sistemi complessi che includono elementi lineari e non lineari fra loro interagenti.
Il programma di ricerca è articolato in due fasi principali, ciascuna delle quali vedrà l'opportuna integrazione delle attività portate avanti dalle singole unità di ricerca coinvolte.
La prima fase, della durata di 12 mesi, consiste di tre macro-attività:
1)Messa a punto di tecniche numeriche innovative e strumenti software per il CAD (anche non lineare) di elementi radianti e di schiere di antenne riconfigurabili basati su dispositivi MEMS.
2)Progetto e realizzazione del singolo switch MEMS e dello sfasatore digitale da impiegare nello sviluppo di un'antenna intelligente.
3)Sviluppo degli algoritmi per la riconfigurazione del fascio (cancellazione dell'interferenza, sagomatura del diagramma di radiazione).
La seconda fase, della durata di 12 mesi, prevede anch'essa tre macro-attività le quali si avvarranno dei risultati della prima fase e vedranno l'interazione diffusa di tutti i gruppi di ricerca afferenti alle quattro unità. Le attività previste sono:
1)Progettazione dell'intera antenna phased-array intelligente mediante gli strumenti CAD sviluppati nella prima fase. In caso di successo, si passerà alla progettazione dell'elemento radiante riconfigurabile mediante rete di adattamento accordabile.
2)Realizzazione dei dimostratori.
3)Verifica sperimentale del prototipo, validazione dei CAD e degli algoritmi di riconfigurabilità.
4)Ulteriori studi per la messa a punto di tecniche numeriche innovative e strumenti CAD ad alta efficienza per la progettazione di antenne riconfigurabili a MEMS di struttura complessa.
Per le fasi di fabbricazione verranno utilizzate le strutture tecnologiche disponibili nell'ambito di collaborazioni esistenti a livello nazionale (ITC-irst) e internazionale (Network of Excellence AMICOM). <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Roberto SORRENTINO Università degli Studi di PERUGIA

Obiettivo del Programma di Ricerca

A partire dalle esperienze maturate nei precedenti progetti di ricerca sia nazionali che internazionali sulla tecnologia MEMS, il presente programma di ricerca si pone come obiettivo generale lo studio delle potenzialità applicative dei dispositivi Microelettromeccanici (MEMS) alle antenne intelligenti e riconfigurabili. Grazie alle loro caratteristiche di riconfigurabilità, bassa potenza assorbita, linearità ed elevati livelli di integrazione, i dispositivi MEMS risultano infatti particolarmente adatti all'utilizzo in questo settore applicativo. Lo sviluppo dei moderni sistemi di comunicazione richiede una serie di prestazioni sempre più stringenti e, particolarmente, la possibilità di riconfigurare il fascio irradiato così come di adattarlo interattivamente allo scopo di massimizzare il flusso informativo verso le zone utili minimizzando al contempo gli effetti di disturbi e interferenze. La riconfigurabilità può essere inoltre estesa ai singoli elementi radianti integrando i dispositivi MEMS nella struttura stessa dell'antenna in modo da alterarne le caratteristiche radiative ed elettromagnetiche (frequenza di risonanza, diagramma di radiazione, impedenza di ingresso, ecc.).

La progettazione delle antenne riconfigurabili a MEMS, sia nel caso dei singoli elementi, sia nel caso di schiere di antenna costituisce un problema complesso a causa dell'interazione elettromagnetica che ha luogo tra circuiti elettronici ed elementi radianti. Bisogna considerare, infatti, che i simulatori elettromagnetici disponibili sul mercato basati su metodi full-wave 3D, benché potenzialmente adatti a simulare tali sistemi, comportano tuttavia un insostenibile impegno computazionale. Ciò a causa, da un lato, delle dimensioni delle antenne (pari a diverse lunghezze d'onda per un'antenna a schiera), e, dall'altro, per l'elevato dettaglio richiesto nella risoluzione delle strutture circuitali tridimensionali e per il conseguente elevatissimo "aspect ratio".
Un altro aspetto importante di cui tenere conto è l'interazione tra elementi lineari ed elementi non lineari che avviene nel momento in cui l'antenna viene inserita a valle del sistema di ricetrasmissione. Fenomeni non lineari e distorsioni, inoltre, hanno luogo nella stessa antenna riconfigurabile, essendo associati alla possibile dipendenza della capacità del MEMS dal campo a radiofrequenza, ai conseguenti fenomeni di modulazione del segnale o di autocommutazione del dispositivo, effetti che sono tutti governati da leggi della meccanica non lineari.

Il programma di ricerca prevede la progettazione e realizzazione di due dimostratori: un'antenna intelligente per applicazioni W-LAN costituita da un phased-array con sfasatori digitali a MEMS e un'antenna riconfigurabile a MEMS per terminale portatile. Per giungere alla progettazione dei prototipi si manifesta la necessità di sviluppare nuove tecniche e strumenti software per il CAD lineare (unità di Ancona e Pavia) e non lineare (unità di Bologna) che siano in grado di progettare ed analizzare sistemi complessi che integrano antenne e dispositivi MEMS, nonché di tenere conto delle interazioni tra la parte radiante e la parte circuitale.
Parallelamente sarà anche necessario sviluppare gli opportuni algoritmi di sintesi del fascio, di ottimizzazione e di controllo del diagramma di radiazione, che permetteranno di fornire all'antenna l'intelligenza necessaria per la cancellazione delle interferenze e per la sagomatura del fascio (unità di Perugia). La messa a punto degli strumenti CAD e degli algoritmi per la riconfigurabilità costituiscono quindi essi stessi degli obiettivi specifici del programma, necessari per la progettazione, realizzazione e verifica sperimentale dei due dimostratori. <<<

Risultati parziali attesi

I risultati parziali attesi ricalcano la divisione in macro-attività e in fasi sopra descritta.
Di seguito sono indicati in primo luogo i risultati attesi a livello di progetto in generale e in particolare per ogni unità di ricerca.
In ordine, durante la prima fase sono attesi i seguenti risultati:
- progettazione e costruzione del singolo interruttore MEMS; data l'esperienza acquisita nei precedenti progetti si ritiene che questo obbiettivo non rechi particolari difficoltà.
- Definizione delle specifiche per il primo prototipo (schiera di antenne pilotate tramite calcolatore da sfasatori digitali a MEMS, per applicazioni W-LAN): numero di bit di controllo, specifiche di frequenza, dimensioni, prestazioni.
- Progetto e costruzione di uno sfasatore digitale a MEMS con numero di bit di controllo definito al punto precedente.
- Messa a punto e verifica dell'algoritmo di controllo degli sfasatori; predizioni teoriche delle prestazioni complessive del sistema (capacità di puntamento della sorgente, di minimizzazione delle interferenze, bit rate teorica media).
- Messa a punto di tutti gli strumenti CAD necessari alla progettazione di antenne riconfigurabili.

Per quanto riguarda le singole unità, vengono di seguito elencati i risultati parziale attesi caso per caso.

Perugia:
- Sviluppo di un algoritmo di controllo efficiente per la sagomatura del fascio e l'annullamento di interferenze tramite pesaggio di sola fase di antenne a schiera, adatto per il funzionamento in tempo reale.
- Sviluppo di un algoritmo di controllo di una rete di adattamento accordabile connessa ad un singolo elemento radiante.
- Progettazione dei due prototipi intermedi

Ancona:
- Messa a punto dell'algoritmo di de-embedding per la derivazione della matrice GSM del circuito planare (4 mesi) : il risultato parziale è costituito dal calcolo della matrice GSM del circuito planare contenente patches e sfasatori a MEMS, rispetto alle porte di ingresso (in microstriscia) e ai modi della guida rettangolare di sezione trasversale pari alla scatola che nel programma attuale racchiude il circuito stesso.
- Derivazione della GSM della guida d'onda, di sezione trasversale pari alla scatola, che irradia nello spazio libero (2 mesi): il risultato parziale è un algoritmo e, conseguentemente, un programma efficiente per il calcolo del campo irradiato, nonché dell'impedenza di ingresso generalizzata di una guida troncata. Sebbene questo possa sembrare a prima vista un problema risolto, non lo è quando si considerino centinaia - migliaia di modi.
- Interfacciamento dei due blocchi: simulazione dell'intera antenna (6 mesi): il risultato atteso è costituito dal calcolo dei parametri di scattering alle porte di ingresso del circuito e del diagramma di radiazione dell'antenna.

Pavia:
- Sviluppo di una tecnica numerica originale, basata sul solo metodo dell'Equazione integrale, adatta alla simulazione di semplici antenne comprendenti interruttori MEMS nella struttura radiante e/o nel circuito ad essa accoppiato.

Bologna:
- Sviluppo di algoritmi per l'analisi di un front-end in trasmissione con l' obiettivo di determinare il campo lontano e in particolare la distorsione della sua legge di modulazione (ricrescita spettrale, ACPR) quando all' ingresso di IF del trasmettitore viene applicato un segnale modulante digitale (es.: PI/4-DQPSK o W-CDMA).
- Sviluppo di algoritmi di analisi di circuiti non lineari di grandi dimensioni contenenti un numero arbitrario di ordinari dispositivi non lineari e di MEMS mediante risoluzione simultanea delle equazioni elettromeccaniche dei MEMS e delle ordinarie equazioni di bilanciamento armonico.
- Integrazione negli algoritmi di analisi di concetti avanzati dell' analisi numerica quali il metodo della trust region accoppiato con l'iterazione GMRES con restarting al fine di ottenere significativi incrementi di efficienza e di robustezza.Risultati attesi a livello di progetto complessivo:

- Progettazione completa del primo dimostratore: architettura di sistema, elementi radianti, interfaccia con il calcolatore, generazione del segnale, front-end. Analisi e ottimizzazione lineare e non lineare tramite gli strumenti CAD precedentemente sviluppati. Eventualmente, progettazione di un secondo dimostratore (antenna riconfigurabile tramite rete di adattamento accordabile).
- Fabbricazione del primo e, nel caso, del secondo prototipo.
- Verifica finale del prototipo e confronto con i risultati teorici previsti

Singole unità:

Perugia:
- Progetto dell'architettura di sistema del primo dimostratore (antenne a schiera), degli elementi radianti e dell'interfaccia con il calcolatore. Eventualmente, progetto del secondo dimostratore.
- Dopo la fabbricazione, verifica degli algoritmi di controllo e confronto con i risultati teorici

Ancona:
- Identificazione dei parametri geometrici di progetto e costruzione del database (6 mesi): il modello sviluppato viene prima valicato, attraverso verifiche incrociate con le altre Unità, quindi impiegato per costruire un data-base i cui elementi costituiscano la base dell'ottimizzazione.
- Costruzione del funzionale e ottimizzazione (6 mesi) : il risultato è una funzione dei parametri geometrici dell'antenna, ottenuta efficientemente interpolando i dati immagazzinati nel summenzionato data-base, il cui valore misuri la distanza rispetto all'obiettivo di progetto.

Pavia:
- Estensione della tecnica numerica sviluppata nel primo anno alla simulazione di elementi di schiera costituiti da sistemi planari multistrato comprendenti radiatori a patch, aperture, interruttori MEMS ed elementi circuitali.

Bologna:
- Estensione degli algoritmi di analisi a circuiti parzialmente autonomi, cioè in grado di auto-generare i segnali sinusoidali che eseguono la funzione di oscillatore(i) locale(i).
- Integrazione degli algoritmi di analisi di circuiti non lineari di grandi dimensioni con la caratterizzazione elettromagnetica di antenne riconfigurabili.
- Sviluppo di algoritmi per l'analisi di un front-end in ricezione, con l' obiettivo di determinare il segnale modulante all' uscita di IF del ricevitore quando il campo incidente sull' antenna è un' onda piana modulata con leggi di modulazione distorte dal trasmettitore, quali risultanti dal primo punto.
- Valutazione degli effetti sistemistici delle antenne riconfigurabili e dei relativi circuiti di adattamento in fase di progetto dei dimostratori al fine di ottimizzare le prestazioni delle antenne stesse anche dal punto di vista sistemistico. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Il progetto si propone di studiare le potenzialità applicative dei sistemi Microelettromeccanici (MEMS) alla realizzazione di antenne intelligenti e riconfigurabili. I RF MEMS, cioè i MEMS per RadioFrequenza, microonde e onde millimetriche, rappresentano, com'è noto, una tecnologia emergente con possibilità applicative estremamente interessanti, potenzialmente capace di sostituire i dispositivi elettronici convenzionali (diodi, transistori, ecc.). Realizzati con l'utilizzo principalmente di tecniche di micromachining sia su semiconduttore che su substrato passivo (ceramica, quarzo), i dispositivi MEMS risultano essere pienamente integrabili con gli esistenti processi IC e MMIC. Inoltre, elevata miniaturizzazione, alta linearità di risposta (assenza di effetti di intermodulazione) e basso consumo di potenza sono caratteristiche che rendono i dispositivi MEMS particolarmente adatti all'integrazione in sistemi di comunicazione wireless e nei front-ends dei moderni sistemi di telecomunicazione [1-11].

Negli USA, ormai da una decina d'anni, sono stati avviati massicci programmi di ricerca tesi allo sviluppo di questa tecnologia. Qualche anno più tardi, anche l'Europa ha avviato diversi progetti nel settore. In particolare vale la pena ricordare nel settore tecnologico MEMSWAVE (Moduli ricevitori "micro-machining" per l'intervallo di frequenze delle onde millimetriche realizzati con tecnologia al Silicio e Arsenurio di Gallio), EMMA (RF-MEMS switches per applicazioni di precisione) mentre nel settore delle comunicazioni wireless WIDE RF (circuiti contenenti dispositivi MEMS per comunicazioni avanzate WLAN), MELODICT ( Risonatori, induttori ad alto fattore di merito), MUMOR (MEMS per telefoni cellulari), MEMS2TUNE ( Moduli RF passivi riconfigurabili per applicazioni wireless fino a 6 GHz).
In tale contesto, nell'ambito del VI Programma Quadro, è stata avviata una rete di eccellenza (NoE), denominata AMICOM, che raggruppa 25 laboratori europei, tra i quali, in Italia, l'Università di Perugia, e l'ITC-irst di Trento.
In Italia la ricerca sui RF MEMS ha avuto inizio nel 2001 con il progetto ESA ("Microwave Electrostatic Micro-machined devices for On-Board Applications", ESA/ESTEC research project Nr. 4628/NL/CK) coordinato da Alenia Spazio, in collaborazione con l'Università di Perugia, ITC-irst, CNR e TUM (Università Tecnica di Monaco, Germania). Scopo di questa ricerca è stato lo sviluppo di dispositivi miniaturizzati SPDT opportunamente collegati a formare una matrice di commutazione per applicazioni satellitari di potenza utilizzando un substrato di silicio ad alta resistività. Il processo tecnologico, interamente sviluppato presso l'ITC-irst, è formato da sette maschere ciascuna delle quali prevede circa dieci passi intermedi. In particolare le linee in guida complanare (CPW) sono state realizzate con uno strato di oro, i ponti con oro/cromo, SiO2 per lo strato di passivazione, TiN/Al/TiN per il tratto di linea sotto i ponti e poli-silicio ad alta resistività per la rete di alimentazione.
A tale progetto, che è entrato nella fase conclusiva e che ha permesso di mettere a punto in Italia la tecnologia MEMS su Silicio presso l'ITC-irst, ha fatto immediatamente seguito il progetto PRIN 2002 ("Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) for Microwave Integrated Circuits") al quale hanno partecipato le stesse Università di Perugia, Ancona, Pavia, e Bologna promotrici del presente progetto. Nel PRIN 2002, entrato anch'esso nella sua fase terminale, sono state messe a punto tecniche di simulazione elettromagnetica (FDTD, SS-IE) e circuitale, nonché tecniche meccanico-strutturali (simulazioni FEM, termo-elasticità per il calcolo della mappa degli stress del dispositivo) applicate alla progettazione e analisi di dispositivi MEMS, pervenendo alla progettazione, realizzazione e sperimentazione di dispositivi e semplici circuiti a MEMS (es. sfasatori, capacità digitalmente variabili), anche in collaborazione con laboratori europei quali l'IRCOM di Limoges.

Fra i settori applicativi emergenti per i quali le strutture MEMS appaiono particolarmente promettenti grazie alle loro caratteristiche di riconfigurabilità, bassa potenza assorbita, linearità ed elevati livelli di integrazione, vi è certamente quello delle antenne riconfigurabili e delle antenne intelligenti. Lo sviluppo dei moderni sistemi di comunicazione, con specifico riferimento alle comunicazioni mobili, richiede una serie di prestazioni sempre più stringenti e, particolarmente, la possibilità di riconfigurare il fascio irradiato così come di adattarlo interattivamente allo scopo di massimizzare il flusso informativo verso le zone utili minimizzando al contempo gli effetti di disturbi e interferenze.

Le antenne intelligenti sono costituite da schiere lineari o planari di elementi radianti. Ogni radiatore è connesso ad uno sfasatore ed eventualmente un attenuatore digitale che controlla la fase e l'ampiezza del segnale trasmesso o ricevuto dal singolo elemento. Mediante opportuni algoritmi di sintesi, ottimizzazione e controllo [12-24] è possibile sagomare il fascio modificandone la direzione di puntamento e la forma (larghezza del lobo principale, livello dei lobi laterali, posizione dei nulli) agendo su fase e ampiezza dei singoli elementi radianti. In particolare per quanto riguarda la cancellazione delle interferenze, esistono algoritmi e tecniche di controllo che permettono in tempo reale di puntare il fascio dell'antenna in direzione di una sorgente in movimento e contemporaneamente di cancellare eventuali interferenze con potenze anche di molto superiori a quella del segnale. C'è da considerare che la presenza degli attenuatori non solo diminuisce l'efficienza dell'antenna ma complica di molto l'intero sistema, incrementando i costi (allo stato attuale) in modo sproporzionato rispetto ai vantaggi reali. Gli algoritmi di sintesi del fascio e cancellazione delle interferenze [25-40] basati sull'utilizzo di soli sfasatori riescono comunque a mantenere un elevato grado di riconfigurabilità.

C'è da sottolineare che l'approccio descritto è completamente diverso rispetto a quello completamente digitale comunemente noto come DBF (Digital Beam Forming). Non sono quindi presenti nell'architettura di sistema convertitori analogico/digitali connessi ai singoli radiatori, e il controllo del fascio è eseguito a radiofrequenza solo tramite sfasatori. La complessità e di conseguenza il costo dei sistemi considerati è quindi notevolmente ridotta. Si osservi che per applicazioni ad alta frequenza questa allo stato attuale è l'unica strada percorribile, data l'eccessiva complessità che implicherebbe un sistema completamente digitale.

La riconfigurabilità, come già indicato, può essere anche estesa ai singoli elementi radianti integrando i dispositivi MEMS nella struttura stessa dell'antenna in modo da alterarne le caratteristiche radiative ed elettromagnetiche, quali la frequenza di risonanza [41-44], la polarizzazione [45], la forma del diagramma di radiazione [46-49] o l'adattamento. Questo permette ad esempio di realizzare elementi radianti multibanda capaci di operare in bande di frequenza distinte con prestazioni difficilmente raggiungibili con le classiche antenne multibanda a geometria fissa [48]. Il singolo dispositivo MEMS può inoltre essere visto non soltanto come un interrutore (switch) ma anche come capacità variabile (a seconda della tensione di attuazione) [1]. La progettazione degli elementi radianti riconfigurabili richiede la messa a punto di specifici metodi numerici, adatti alla realizzazione di strumenti CAD veloci e capaci di analizzare strutture di forma non convenzionale, come richiesto nella progettazione ottimizzata.

In questo contesto si inseriscono le specifiche esperienze ed expertise dei quattro gruppi di ricerca proponenti, a parte i laboratori tecnologici collegati, coinvolti nelle fasi di realizzazione.
L'unità di Perugia, che coordina il progetto, ha sviluppato competenze nella progettazione di dispositivi RF MEMS e dei relativi circuiti riconfigurabili mediante l'utilizzo di simulatori circuitali ed elettromagnetici commerciali. Inoltre, essa ha maturato esperienze nel campo della analisi e progettazione di antenne a schiera a scansione elettronica e ha sviluppato algoritmi per la sintesi e per la riconfigurabilità adattiva del fascio. L'unità di Perugia ha avviato da oltre un anno ricerche in tal senso, acquisendo esperienza sulle tecniche attuali e fornendo nuovi contributi metodologici. In particolare, è stato messo a punto un approccio [25,26] basato sulla scomposizione in funzioni base della distribuzione di fase degli elementi radianti della schiera di antenne. Tale procedimento permette di ottimizzare la fase degli elementi in modo estremamente rapido, e risulta praticamente indipendente dal numero di elementi radianti componenti la schiera. Entrambi gli aspetti (velocità e indipendenza dal numero di elementi) rendono tale metodo estremamente attraente per applicazioni in tempo reale.
Sia l'unità di Ancona, che quella di Pavia, hanno sviluppato nel corso degli ultimi anni efficienti strumenti di simulazione elettromagnetica. Le strade percorse, molto diverse tra loro, hanno permesso di mettere a punto nuovi modelli ed algoritmi di analisi per strutture planari complesse. Per quanto riguarda il gruppo di Ancona, i modelli sviluppati sono essenzialmente basati sul metodo della risonanza traversa generalizzata. Il gruppo di Pavia si è incentrato invece sullo studio di tecniche basate sulle equazioni integrali (IE) per l'analisi di circuiti planari multistrato.
L'unità di Bologna si occupa da anni di problemi legati alle non linearità nei sistemi di comunicazione, sviluppando strumenti di analisi e ottimizzazione di sistemi complessi che includono elementi lineari e non lineari fra loro interagenti. In particolare ha approfondito lo studio della distorsione e della stabilità di interruttori MEMS inseriti in circuiti complessi in cui siano presenti anche componenti a semiconduttore.
Per i dettagli sulle basi di partenza scientifiche relativi alle specifiche attività si rinvia ai modelli B delle singole sedi. <<<