A Novel RF MEMS Switch Based Tunable Broadband 2-Bit Phase Shifter for Radar Applications

في عالم موجات الراديو غير المرئي الذي يحمل إشارات الرادار والبيانات اللاسلكية، يمثل توجيه حزمة من الطاقة تحديًا جوهريًا. تخيل أنك تحاول توجيه كشاف ضوئي دون تحريك يدك؛ ستحتاج إلى تغيير توقيت موجات الضوء بحيث تصل جميعها إلى نقطة معينة في وقت واحد وبانسجام تام، مما يخلق حزمة مركزة في اتجاه جديد. هذه هي مهمة "مزيح الطور" (phase shifter)، وهو مكون إلكتروني دقيق يقوم بتأخير الإشارة بقدر كافٍ لتوجيه الحزمة. لعقود من الزمن، اعتمد المهندسون على الأجهزة ذات الحالة الصلبة مثل الدايودات والترانزستورات لأداء هذه المهمة. وبينما تتميز هذه المكونات بالتبديل السريع، إلا أنها تواجه صعوبة عند الترددات العالية المستخدمة في أنظمة الرادار والأقمار الصناعية الحديثة، حيث غالبًا ما تبتلع الكثير من طاقة الإشارة وتتسبب في أخطاء تؤدي إلى تشويش الصورة.

ولحل هذه المشكلة، لجأ الباحثون إلى المفاتيح الميكرو-ميكانيكية (micro-mechanical switches)، وهي أجزاء متحركة دقيقة مبنية على شريحة تعمل كبوابات فيزيائية لموجات الراديو. توفر هذه الأجهزة مسارًا أكثر نقاءً للإشارة، حيث تفقد القليل جدًا من الطاقة. ومع ذلك، لا تزال هناك عقبة كبيرة: فالمفاتيح الميكانيكية التقليدية مصممة لتعمل بشكل مثالي عند تردد واحد محدد فقط. وإذا احتاج الرادار إلى مسح نطاق من الترددات، يصبح المفتاح غير فعال، مما يضطر المهندسين إلى بناء أنظمة معقدة وضخمة لتغطية النطاقات المختلفة. هذا القصور قد حال دون وصول الإمكانات الكاملة لهذه المفاتيح عالية الكفاءة ومنخفضة الفقد إلى العديد من التطبيقات المتقدمة التي تتطلب المرونة.

قام فريق من الباحثين في المعهد المركزي لهندسة الإلكترونيات بـ CSIR في الهند باقتراح تصميم جديد يسد هذه الفجوة. فقد ابتكروا مزيح طور قابل للضبط يجمع بين كفاءة المفتاح الميكانيكي ومرونة المكثف المتغير، مما يسمح للجهاز بالعمل عبر نطاق من الترددات بدلاً من أن يكون مقيدًا بتردد واحد. ويركز عملهم، المفصل في دراسة حديثة، على مزيح طور بـ 2-بت (2-bit phase shifter)، وهو جهاز قادر على إنتاج أربعة تأخيرات مختلفة للإشارة، وهو مطلب قياسي لتوجيه حزم الرادار في الأنظمة الحديثة.

يكمن جوهر ابتكارهم في التصميم الهجين. فبدلاً من الاعتماد فقط على أطوال ثابتة من الأسلاك لإنشاء التأخيرات اللازمة، قام البالباحثون بدمج مكون خاص يسمى "الفاراكتور" (varactor) في آلية التبديل. وببساطة، يعمل الفاراكتور كمكثف قابل للضبط، وهو جهاز يمكنه تخزين الطاقة الكهربائية وتغيير خصائصه عند تطبيق جهد كهربائي. ومن خلال استخدام نوع معين من الهياكل الميكانيكية المعروف باسم "التكوين الالتوائي" (torsional configuration) — حيث يتحرك الجزء عن طريق الالتواء بدلاً من مجرد الرفع للأعلى وللأسفل — تمكنوا من إنشاء فاراكتور يتمتع بنطاق واسع من الضبط. هذا الالتواء يسمح للجهاز بتغيير الطول الكهربائي الفعال لمسار الإشارة، مما يؤدي فعليًا إلى إعادة ضبط النظام بأكمله أثناء التشغيل.

قام الباحثون بمحاكاة تصميمهم باستخدام نمذجة حاسوبية متقدمة لمعرفة كيفية سلوكه قبل بناء نموذج أولي مادي. بدأوا بتصميم تقليدي مخصص لتردد 27 جيجاهرتز، وهو نطاق شائع لتطبيقات الرادار. في الإعداد القياسي، تنتقل الإشارة عبر أطوال مختلفة من خطوط النقل لتحقيق تأخيرات قدرها 0، أو 90، أو 180، أو 270 درجة. ووجد الفريق أنه بينما كان هذا يعمل بشكل جيد عند 27 جيجاهرتز بالضبط، فإن الأداء ينخفض بسرعة مع تغير التردد. ولإصلاح ذلك، أضافوا الفاراكتور الميكرو-ميكانيكي الوحيد إلى الهيكل.

كانت نتائج المحاكاة واعدة. فمن خلال ضبط ارتفاع جسر الفاراكتور، استطاع الباحثون تغيير تردد التشغيل لمزيح الطور. وقد أظهروا أن الجهاز يمكن ضبطه ليعمل بفعالية في أي مكان بين 25.3 جيجاهرتز و27.3 جيجاهرتز. وهذا النطاق مهم لأنه يسمح لمكون واحد بالتعامل مع طيف أوسع من إشارات الرادار دون الحاجة إلى استبداله أو تعديله ميكانيكيًا. علاوة على ذلك، حافظ الجهاز على كفاءته عبر هذا النطاق. أظهرت عمليات المحاكاة فقدًا في الإدخال (insertion loss) قدره -0.5 ديسيبل فقط، مما يعني أن الإشارة فقدت القليل جدًا من الطاقة أثناء مرورها، وفقدًا في العودة (return loss) بنحو -15 ديسيبل، مما يشير إلى أن معظم الإشارة تم قبولها بواسطة الجهاز بدلاً من ارتدادها.

ولضمان جدوى تصميمهم للاستخدام في العالم الحقيقي، وضع الفريق أيضًا خارطة طريق لعملية التصنيع. فقد وصفوا طريقة خطوة بخطوة باستخدام رقاقة سيليكون، وهي مادة قياسية للرقائق الإلكترونية. تتضمن العملية نمو طبقات من الأكسيد والبوليسيليكون، وترسيب الذهب لتشكيل المسارات الكهربائية، واستخدام تقنية تسمى "الطلاء الكهربائي" (electroplating) لبناء الهياكل الذهبية السميكة والمتينة اللازمة للمفاتيح. وتتضمن خطوة حاسمة إزالة طبقة تضحية مؤقتة لتحرير الأجزاء المتحركة، تليها عملية تجفيف خاصة لمنع الشعيرات الدقيقة من الالتصاق بالسطح. تُظهر خطة التصنيع هذه أن الجهاز يمكن بناؤه باستخدام التقنيات الراسخة في تصنيع أشباه الموصلات.

تسلط هذه الدراسة الضوء على التوازن الدقيق في الهندسة. فبينما يمكن نظريًا لإضافة المزيد من الفاركتورات أن يسمح بنطاق ضبط أوسع، لاحظ الباحثون أن القيام بذلك سيزيد من السعة الكهربائية، مما سيؤدي بدوره إلى رفع فقد الإشارة. وكان حلهم المتمثل في استخدام فاركتور واحد مُحسَّن بعناً يمثل حلاً وسطاً عملياً، حيث يوفر نطاق ضبط يغطي احتياجات تطبيقات الرادار مع الحفاظ على فقد الإشارة منخفضاً. كان التصميم الالتوائي للفاركتور هو المفتاح لهذا النجاح، حيث وفر نطاق حركة أكبر للجزء المتحرك مقارنة بالتصاميم التقليدية، مما سمح بتحكم أكبر في ضبط التردد.

يمثل هذا العمل خطوة للأمام في جعل أنظمة الرادار والاتصالات أكثر قدرة على التكيف. فمن خلال إثبات أنه يمكن جعل مفتاح ميكانيكي يضبط تردده الخاص، قدم الباحثون بديلاً أبسط وأقل فقداً للمكونات الضخمة متعددة العناصر المستخدمة حالياً. وتشير عمليات المحاكاة إلى أن هذا النهج يمكن أن يؤدي إلى أنظمة رادار أكثر دمجاً وكفاءة قادرة على مسح نطاق أوسع من الترددات بدقة أكبر. ورغم أن الجهاز لم يُختبر بعد في بيئة رادار حية، فإن النمذجة التفصيلية وخارطة طريق التصنيع توفران أساساً قوياً للتطوير المستقبلي، مما قد يمكّن الجيل القادم من تقنية توجيه الحزم من أن تكون أصغر حجماً، وأسرع، وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة.