RU2456720C1 - Microsystem apparatus controlling surface for mounting small antenna - Google Patents
Microsystem apparatus controlling surface for mounting small antenna Download PDFInfo
- Publication number
- RU2456720C1 RU2456720C1 RU2011109331/07A RU2011109331A RU2456720C1 RU 2456720 C1 RU2456720 C1 RU 2456720C1 RU 2011109331/07 A RU2011109331/07 A RU 2011109331/07A RU 2011109331 A RU2011109331 A RU 2011109331A RU 2456720 C1 RU2456720 C1 RU 2456720C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- microactuators
- thermomechanical
- mounting
- movable
- small antenna
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Micromachines (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области микросистемной техники и может быть использовано при создании микросистемных устройств управления и/или сканирования малогабаритной антенной или оптической отражающей поверхностью (зеркала) на основе подвижных термомеханических микроактюаторов, обеспечивающих преобразование «электрический сигнал - перемещение» и/или «изменение температуры - перемещение».The invention relates to the field of microsystem technology and can be used to create microsystem control devices and / or scan a small antenna or optical reflective surface (mirror) based on movable thermomechanical microactuators providing the conversion of “electrical signal - movement” and / or “temperature change - movement ".
Из уровня техники известна оптическая система управления и сканирования (см. патент US 5867297, опубл. 02.02.1999), включающая источник света для генерации светового луча, колебательные микроэлектромеханические системы, включающие зеркала, отклоняющие луч света в заданном направлении, источник света. Микроэлектромеханические системы сформированы на кремниевом основании (подложке), для перемещения зеркал используют вращательные элементы в микроэлектромеханической системе, при этом источник света генерирует световой луч на первое зеркало через линзу, которое под действием падающего на него светового луча отражает его на второе зеркало для переотражения.The prior art optical control and scanning system (see patent US 5867297, publ. 02.02.1999), including a light source for generating a light beam, oscillatory microelectromechanical systems, including mirrors that deflect a light beam in a given direction, a light source. Microelectromechanical systems are formed on a silicon base (substrate), rotational elements are used to move the mirrors in the microelectromechanical system, while the light source generates a light beam to the first mirror through the lens, which, under the influence of the light beam incident on it, reflects it to the second mirror for re-reflection.
Недостатками известной системы являются:The disadvantages of the known system are:
- сложность конструкции и повышенные массогабаритные характеристики (размеры);- the complexity of the design and increased weight and size characteristics (dimensions);
- узкий диапазон рабочих температур;- narrow range of operating temperatures;
- возможность отклонения каждого из зеркал только по одной из осей;- the possibility of deviation of each of the mirrors in only one of the axes;
- низкая надежность системы, поскольку используется сложный механизм управления с помощью вращательных элементов.- low reliability of the system, because it uses a complex control mechanism using rotational elements.
Из уровня техники известна система управления антенной для излучения и приема сигналов (см. заявку US 2006028385, опубл. 09.02.2006). Система включает в себя контроллер и связанное с ним антенное устройство, состоящее из элемента, генерирующего как минимум одну волну на основе управляющего сигнала от контроллера, и линзы на основе метаматериала, установленной на заданном фокусном расстоянии от элемента. Генерируемая волна проходит через линзу на основе метаматериала. Так как линза сделана на основе метаматериала с гораздо большей фокусирующей способностью, то антенна может иметь маленькое фокусное расстояние без усложнения конструкции, а значит и меньший размер, чем обычные сканирующие антенны. В качестве элементов используются датчики/источники сигналов. Также система содержит устройство для хранения данных, полученных с помощью датчика, и устройство ввода/вывода. Антенное устройство включает в себя один или несколько приводов, принимающих управляющий сигнал от контроллера. Приводы необходимы для удержания антенного устройства и его перемещения. При приеме/передаче включается переключатель, который получает команду от контроллера, определяющего направление сигнала к объекту, задаваясь фокусным расстоянием линзы.The prior art antenna control system for emitting and receiving signals (see application US 2006028385, publ. 09.02.2006). The system includes a controller and an associated antenna device consisting of an element generating at least one wave based on a control signal from the controller, and a lens based on metamaterial mounted at a given focal distance from the element. The generated wave passes through the metamaterial lens. Since the lens is made on the basis of metamaterial with a much greater focusing ability, the antenna can have a small focal length without complicating the design, and therefore a smaller size than conventional scanning antennas. As elements, sensors / signal sources are used. The system also includes a device for storing data obtained using the sensor, and an input / output device. The antenna device includes one or more drives that receive a control signal from the controller. Drives are needed to hold the antenna device and move it. When receiving / transmitting, a switch is turned on, which receives a command from the controller that determines the direction of the signal to the object, given the focal length of the lens.
Недостатками известной системы являются:The disadvantages of the known system are:
- отсутствие обратной связи по перемещению для определения первоначального положения антенны в пространстве;- lack of feedback on the movement to determine the initial position of the antenna in space;
- низкая надежность из-за сложности конструкции;- low reliability due to the complexity of the design;
- узкий диапазон рабочих температур.- narrow range of operating temperatures.
Из уровня техники известен тонкопленочный массив микрозеркал для свободно перемещаемых оптических переключателей с использованием МЭМС и метод их изготовления (см. заявку KR 20020068773, опубл. 23.08.2002).The prior art thin-film array of micromirrors for freely movable optical switches using MEMS and the method of their manufacture (see application KR 20020068773, publ. 23.08.2002).
Система представляет собой массив микрозеркал переключателей, каждое зеркало из которого опирается на четыре актюатора. Актюаторы имеют способность отклоняться вверх или вниз при подаче различного рода сигнала. Массив строится как матрица K×L (где K, L - целые числа). Имеется оптическая система, позволяющая отслеживать наклон плоскости микрозеркала. Лазер, отражаясь от микрозеркала, попадает на приемную матрицу и, тем самым, позволяет определить угол наклона плоскости микрозеркала.The system is an array of switch micromirrors, each mirror of which is supported by four actuators. Actuators have the ability to deviate up or down when applying a different kind of signal. The array is constructed as a K × L matrix (where K, L are integers). There is an optical system that allows you to track the tilt of the plane of the micromirror. The laser, reflected from the micromirror, enters the receiving matrix and, thereby, allows you to determine the angle of inclination of the plane of the micromirror.
Недостатками известной системы являются:The disadvantages of the known system are:
- маленькие габариты и сложность подводки контактов к антенне, что ограничивает область применения устройства оптическими переключателями;- small dimensions and the complexity of wiring the contacts to the antenna, which limits the scope of the device to optical switches;
- малый диапазон перемещения микрозеркал в пространстве;- a small range of movement of micromirrors in space;
- отсутствие возможности адаптивно настраивать и подстраивать систему.- lack of ability to adaptively configure and tune the system.
Техническим результатом заявленного изобретения является:The technical result of the claimed invention is:
- уменьшение массогабаритных характеристик (размеров) микросистемного устройства путем использования подвижных термомеханических микроактюаторов для управления малогабаритной антенной, жестко закрепленной на поверхности для крепления малогабаритной антенны, представляющих собой биморфную конструкцию с возможностью изменения угла отклонения, которые без заметного ухудшения деформационных характеристик выдерживают несколько миллионов циклов деформаций;- reducing the overall dimensions (dimensions) of the microsystem device by using movable thermomechanical microactuators to control a small antenna that is rigidly mounted on the surface for mounting a small antenna, which is a bimorph design with the ability to change the deflection angle, which can withstand a few million deformation characteristics that can withstand several million deformation cycles;
- изменение в широких угловых пределах поверхности для крепления малогабаритной антенны (по каждой из осей не менее±10 градусов);- a change in the wide angular limits of the surface for mounting a small antenna (on each axis not less than ± 10 degrees);
- повышение устойчивости устройства (исключение переворачивания конструкции устройства) вследствие крепления и управления поверхностью для крепления малогабаритной антенны с помощью подвижных термомеханических микроактюаторов;- increasing the stability of the device (eliminating the inversion of the device structure) due to the mounting and surface control for mounting a small antenna using movable thermomechanical microactuators;
- возможность функционирования устройства в широком диапазоне температур, в том числе в условиях открытого космоса (при температуре жидкого азота);- the ability of the device to operate in a wide temperature range, including in open space (at the temperature of liquid nitrogen);
повышение надежности устройства вследствие отсутствия механических узлов, подверженных трению;increasing the reliability of the device due to the lack of mechanical components subject to friction;
- наличие обратной связи по положению поверхности для крепления малогабаритной антенны или по принимаемому сигналу;- the presence of feedback on the position of the surface for mounting a small antenna or on a received signal;
- возможность применения различных по массе антенн (например малогабаритных плоских антенн и др.) благодаря использованию подвижных микроприводов, выполненных в виде подвижных термомеханических микроактюаторов, с большими усилиями и возможностью варьирования их количества в конструкции.- the possibility of using antennas of various masses (for example, small-sized flat antennas, etc.) due to the use of mobile micro drives made in the form of mobile thermomechanical microactuators, with great efforts and the possibility of varying their number in the design.
Технический результат заявленного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: микросистемное устройство управления поверхностью для крепления малогабаритной антенны, в котором поверхность для крепления плоской антенны жестко закреплена в n точках крепления симметрично относительно центра масс поверхности для крепления малогабаритной антенны и друг друга с нижней стороны поверхности для крепления малогабаритной антенны, обращенной к основанию с помощью одного конца n гибких соединяющих элементов, выполненных, например, в виде полиимидной прямоугольной связки, другой конец связок жестко закреплен в точках крепления на верхней поверхности подвижного хвостовика подвижных термомеханических микроактюаторов, прямоугольные связки имеют V-образную изогнутую форму, при этом два конца связок закреплены таким образом, что двугранный угол связок повернут ребром в сторону основания (см. фиг.1), плоскость связок параллельна плоскости подвижных хвостовиков подвижных термомеханических микроактюаторов, а в точках крепления связок к нижней стороне поверхности для крепления малогабаритной антенны, обращенной к основанию, плоскость связок параллельна поверхности для крепления малогабаритной антенны, вторые подвижные хвостовики подвижных термомеханических микроактюаторов жестко закреплены в n точках крепления на поверхности основания, обращенной в сторону нижней стороны поверхности для крепления малогабаритной антенны, при этом поверхность для крепления малогабаритной антенны расположена параллельно плоскости основания и расстояние между ними равно расстоянию между точками крепления с нижней стороны поверхности для крепления малогабаритной антенны и точками крепления на поверхности основания в направлении нормали к обеим плоскостям, при этом точки крепления подвижных термомеханических микроактюаторов на поверхности основания расположены симметрично относительно друг друга и центра масс основания и равноудалены относительно точек крепления нижней стороны поверхности для крепления малогабаритной антенны в сторону края нижней стороны поверхности для крепления малогабаритной антенны, обращенной к основанию, или основания, кроме того, устройство содержит источник питания, блок управления перемещением подвижных термомеханических микроактюаторов и n датчиков перемещения подвижных термомеханических микроактюаторов, при этом на вход блока управления перемещением подвижных термомеханических микроактюаторов подается напряжение питания, выходной многоканальный разъем блока управления подвижных термомеханических микроактюаторов соединен с подвижными термомеханическими микроактюаторами, выходы датчиков перемещения подвижных термомеханических микроактюаторов соединены с входным многоканальным разъемом блока управления перемещением подвижных термомеханических микроактюаторов, при этом количество точек крепления на нижней стороне поверхности для крепления малогабаритной антенны равно количеству подвижных термомеханических микроактюаторов, количеству точек крепления на поверхности основания, количеству связок, количеству датчиков перемещения подвижных термомеханических микроактюаторов и количеству каналов многоканального разъема, при этом n - целое число, больше или равно 3, при этом расположение малогабаритной антенны на поверхности для ее крепления варьируется от 0° до 90°.The technical result of the claimed invention is achieved by a combination of essential features, namely: a microsystem surface control device for mounting a small antenna, in which a surface for mounting a flat antenna is rigidly fixed at n attachment points symmetrically with respect to the center of mass of the surface for mounting a small antenna and each other on the underside of the surface for mounting a small antenna facing the base with one end of n flexible connecting elements, For example, in the form of a polyimide rectangular ligament, the other end of the ligaments is rigidly fixed at the attachment points on the upper surface of the movable shank of the movable thermomechanical microactuators, the rectangular ligaments have a V-shaped curved shape, while the two ends of the ligaments are fixed so that the dihedral angle of the ligaments is rotated edge towards the base (see figure 1), the plane of the ligaments parallel to the plane of the movable shanks of the movable thermomechanical microactuators, and at the points of attachment of the ligaments to the lower side surfaces for mounting a small-sized antenna facing the base, the plane of the ligaments parallel to the surface for mounting a small-sized antenna, the second movable shanks of the movable thermomechanical microactuators are rigidly fixed at n mounting points on the surface of the base facing the lower side of the surface for mounting a small-sized antenna, while the surface for small antenna mounts are parallel to the base plane and the distance between them is equal to the distance between the points to heating on the bottom side of the surface for mounting a small antenna and mounting points on the base surface in the direction normal to both planes, while the mounting points of the movable thermomechanical microactuators on the base surface are symmetrically relative to each other and the center of mass of the base and equidistant from the mounting points of the bottom side of the surface for mounting a small antenna toward the edge of the lower side of the surface for mounting a small antenna facing the main To the device, or the base, in addition, the device contains a power source, a control unit for moving the movable thermomechanical microactuators and n motion sensors for the moving thermomechanical microactuators, while a voltage is supplied to the input of the control unit for moving the thermomechanical microactuators, the output multi-channel connector of the control unit for the moving thermomechanical microactuators is connected with movable thermomechanical microactuators, outputs of displacement sensors for movable thermals micro-actuators are connected to the input multi-channel connector of the control unit for moving thermomechanical micro-actuators, the number of attachment points on the underside of the surface for attaching a small antenna is equal to the number of movable thermomechanical micro-actuators, the number of attachment points on the base surface, the number of ligaments, the number of movement sensors of movable thermomechanical microactuators and the number of channels of the multi-channel connector, while n is an integer, olshe or equal to 3, the arrangement of the small-size antenna on its surface for attachment varies from 0 ° to 90 °.
В предпочтительном варианте, подвижные термомеханические микроактюаторы выполнены в виде сформированной в меза-структуре упруго-шарнирной консольной балки, состоящей из параллельных трапециевидных вставок, расположенных перпендикулярно основной оси консольной балки и соединенных полиимидными прослойками V-образной или трапециевидной формы в поперечном сечении, нагревателя с металлизацией.In a preferred embodiment, the movable thermomechanical microactuators are made in the form of an elastic-hinged cantilever beam formed in the mesa structure, consisting of parallel trapezoidal inserts located perpendicular to the main axis of the cantilever beam and connected by polyimide interlayers of a V-shaped or trapezoidal shape in cross section, a metallization heater .
В предпочтительном варианте, подвижные термомеханические микроактюаторы выполнены, по крайней мере, из двух слоев с различными коэффициентами термического расширения, при этом коэффициент термического расширения слоев подвижных термомеханических микроактюаторов, обращенных к подложке, меньше коэффициента термического расширения внешних слоев подвижных термомеханических микроактюаторов, при этом один из слоев подвижных термомеханических микроактюаторов обладает обратимой памятью формы, подвижные термомеханические микроактюаторы выполнены в виде одно- или двухконсольной балки.In a preferred embodiment, the movable thermomechanical microactuators are made of at least two layers with different coefficients of thermal expansion, while the coefficient of thermal expansion of the layers of mobile thermomechanical microactuators facing the substrate is less than the coefficient of thermal expansion of the outer layers of the movable thermomechanical microactuators, one of layers of mobile thermomechanical microactuators has a reversible shape memory, mobile thermomechanical microactuators s are designed as single or dual console beams.
В предпочтительном варианте, нагреватель расположен в меза-структуре в твердом теле параллельных трапециевидных вставок со сформированными в них омическими контактами или на поверхности параллельных трапециевидных вставок.In a preferred embodiment, the heater is located in a mesa structure in a solid body of parallel trapezoidal inserts with ohmic contacts formed in them or on the surface of parallel trapezoidal inserts.
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее:The features and essence of the claimed invention are explained in the following detailed description, illustrated by drawings, which shows the following:
На фиг.1 - общий вид микросистемного устройства управления поверхностью для крепления малогабаритной антенны, гдеFigure 1 is a General view of a microsystem surface control device for mounting a small antenna, where
1 - подвижные термомеханические микроактюаторы;1 - mobile thermomechanical microactuators;
2 - поверхность для крепления малогабаритной антенны, например, выполненная из диэлектрического материала;2 - surface for mounting a small antenna, for example, made of dielectric material;
3 - основание микросистемного устройства;3 - the base of the microsystem device;
4 - точки закрепления подвижных термомеханических микроактюаторов с полиимидной связкой;4 - fixing points of movable thermomechanical microactuators with a polyimide bond;
5 - гибкие соединяющие элементы, например, в виде полиимидной связки;5 - flexible connecting elements, for example, in the form of a polyimide bond;
6 - ВЧ-разъем;6 - RF connector;
7 - кабель от ВЧ разъема, соединенный с приемо-передающим устройством;7 - cable from the RF connector connected to the transceiver;
8 - точка подключения ВЧ-разъема (центр масс нижней плоскости поверхности для крепления плоской антенны);8 - connection point of the RF connector (center of mass of the lower plane of the surface for mounting a flat antenna);
9 - точки крепления подвижных термомеханических микроактюаторов к основанию микросистемного устройства;9 - points of attachment of mobile thermomechanical microactuators to the base of the microsystem device;
10 - точки крепления полиимидной связки к нижней плоскости поверхности для крепления малогабаритной антенны;10 - points of attachment of the polyimide ligament to the lower plane of the surface for mounting a small antenna;
11 - центр масс основания микросистемного устройства.11 is the center of mass of the base of the microsystem device.
На фиг.2 - блок схема микросистемного устройства управления поверхностью для крепления малогабаритной антенны, гдеFigure 2 is a block diagram of a microsystem surface control device for mounting a small antenna, where
12 - поверхность для крепления малогабаритной антенны с помощью микроактюаторов;12 - surface for mounting a small antenna using microactuators;
13 - датчики перемещения подвижных термомеханических микроактюаторов;13 - displacement sensors of movable thermomechanical microactuators;
14 - блок управления перемещением подвижных термомеханических микроактюаторов (контроллер, процессор).14 - control unit for the movement of mobile thermomechanical microactuators (controller, processor).
На фиг.3а представлен вид снизу (со стороны меза-структуры) подвижного термомеханического микроактюатора с нагревателем, выполненным в меза-структуре в твердом теле параллельных трапециевидных вставок.On figa presents a bottom view (from the side of the mesa structure) of a movable thermomechanical microactuator with a heater made in a mesa structure in a solid body of parallel trapezoidal inserts.
На фиг.3б представлено поперечное сечение (А-А) подвижного термомеханического микроактюатора с нагревателем, выполненным в меза-структуре в твердом теле параллельных трапециевидных вставок.On figb presents a cross section (aa) of a movable thermomechanical microactuator with a heater made in a mesa structure in a solid body of parallel trapezoidal inserts.
На фиг.4а представлен вид снизу (со стороны меза-структуры) подвижного термомеханического микроактюатора с нагревателем, выполненным в меза-структуре на поверхности параллельных трапециевидных вставок из монокристаллического кремния.On figa presents a bottom view (from the side of the mesa structure) of a movable thermomechanical microactuator with a heater made in a mesa structure on the surface of parallel trapezoidal inserts of single crystal silicon.
На фиг.4б представлено поперечное сечение (Б-Б) подвижного термомеханического микроактюатора с нагревателем, выполненным в меза-структуре на поверхности параллельных трапециевидных вставок из монокристаллического кремния.On figb presents a cross section (BB) of a movable thermomechanical microactuator with a heater made in a mesa structure on the surface of parallel trapezoidal inserts of single crystal silicon.
На фигурах 3 и 4 показано следующее:In figures 3 and 4 shows the following:
15 - монокристаллическая кремниевая пластина;15 is a single crystal silicon wafer;
16 - параллельные трапециевидные вставки;16 - parallel trapezoidal inserts;
17 - меза-структура;17 - mesa structure;
18 - нагреватель, выполненный в меза-структуре в твердом теле параллельных трапециевидных вставок;18 is a heater made in a mesa structure in a solid body of parallel trapezoidal inserts;
19 - нагреватель, выполненный в меза-структуре на поверхности параллельных трапециевидных вставок;19 is a heater made in a mesa structure on the surface of parallel trapezoidal inserts;
20 - омический контакт.20 - ohmic contact.
Микросистемное устройство управления поверхностью для крепления малогабаритной антенны (см. фиг.1) состоит из поверхности для крепления малогабаритной антенны (2), жестко закрепленной в точках крепления (10) гибких соединяющих элементов, например в виде полиимидной связки (5), к нижней плоскости поверхности для крепления малогабаритной антенны симметрично относительно центра масс (8) поверхности (2), обращенной к основанию (3), и друг друга, гибкие соединяющие элементы (5) прикреплены к подвижным хвостовикам (4) подвижных термомеханических микроактюаторов, которые жестко закреплены в точках крепления (9) на основании (3).The microsystem surface control device for mounting a small antenna (see Fig. 1) consists of a surface for mounting a small antenna (2), rigidly fixed at the attachment points (10) of the flexible connecting elements, for example in the form of a polyimide bond (5), to the lower plane surfaces for mounting a small antenna symmetrically with respect to the center of mass (8) of the surface (2) facing the base (3), and each other, flexible connecting elements (5) are attached to the movable shanks (4) of the movable thermomechanical micro actuators that are rigidly fixed at the attachment points (9) on the basis of (3).
Микросистемное устройство управления поверхностью для крепления малогабаритной антенны (см. фиг.2) содержит блок управления перемещением подвижных термомеханических микроактюаторов (14), соединенный с датчиками перемещения подвижных термомеханических микроактюаторов (13) и малогабаритной антенной с подвижными термомеханическими микроактюаторами (12), соединенной с датчиками перемещения подвижных термомеханических микроактюаторов (13).The microsystem surface control device for mounting a small-sized antenna (see Fig. 2) contains a motion control unit for moving thermomechanical microactuators (14) connected to motion sensors for moving thermomechanical microactuators (13) and a small antenna with moving thermomechanical microactuators (12) connected to sensors moving movable thermomechanical microactuators (13).
Принцип работы заявленного устройства заключается в следующем (см. фиг.1 и 2).The principle of operation of the claimed device is as follows (see figures 1 and 2).
Поверхность для крепления малогабаритной антенны жестко закрепляют в точках крепления (10) симметрично относительно центра масс (8) поверхности (2) для крепления малогабаритной антенны и друг друга с нижней стороны поверхности для крепления малогабаритной антенны, обращенной к основанию (3) с помощью n гибких соединяющих элементов (5) - полиимидной связки, прикрепленных к подвижным хвостовикам (4) подвижных термомеханических микроактюаторов (1), которые жестко закрепляют в n точках крепления (9) на поверхности основания, обращенной в сторону нижней стороны поверхности для крепления малогабаритной антенны (2). Нагрев подвижных термомеханических микроактюаторов (1), закрепленных в точках крепления (9) на основании (3), обеспечивается подачей напряжения от источника питания через блок управления перемещением подвижных термомеханических микроактюаторов (14) на включенные в структуру подвижных термомеханических микроактюаторов (1) нагреватели (см. фиг.3 и 4), которые могут быть выполнены в меза-структуре в твердом теле параллельных трапециевидных вставок (18) или в меза-структуре на поверхности параллельных трапециевидных вставок (19). При нагреве подвижные термомеханические микроактюаторы (1) одновременно изменяют свое положение в пространстве, начиная движение вверх или вниз под воздействием сильной деформации материалов, возникающей из-за разности температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) кремния и полиимида, обеспечивая изменение угла отклонения хвостовиков подвижных термомеханических микроактюаторов (1). Под действием температуры применяемые материалы подвижных термомеханических микроактюаторов (1) расширяются по-разному, причем материал с большим ТКЛР деформируется больше, чем материал с низким ТКЛР, что приводит к изгибу биморфной балки подвижных термомеханических микроактюаторов (1). Датчики перемещения подвижных термомеханических микроактюаторов (емкостной, оптический или по принимаемому на антенне сигналу) (13) фиксируют положение подвижных термомеханических микроактюаторов (1) и передают данные на блок управления перемещением (14) подвижных термомеханических микроактюаторов (1), который обрабатывает полученные данные в соответствии с заданной программой и поступающим на него напряжением от источника питания и подает необходимое для управления положением поверхности для крепления малогабаритной антенны (2) напряжение на соответствующие подвижные термомеханические микроактюаторы (1), тем самым вызывая их соответствующее перемещение и, как следствие, отклонение поверхности для крепления малогабаритной антенны (2), позволяющее изменять как азимутальный, так и зенитный угол. Таким образом, обеспечивается автоматизированная подстройка малогабаритной антенны (2) на источник сигнала или на иные объекты. Для управления перемещением поверхности для крепления малогабаритной антенны (2) используют подвижные термомеханические микроактюаторы (1), преобразующие приложенные к ним энергию или внешнее воздействие в управляемое движение или механическое перемещение.The surface for mounting a small-sized antenna is rigidly fixed at the mounting points (10) symmetrically with respect to the center of mass (8) of the surface (2) for mounting a small-sized antenna and one another on the lower side of the surface for mounting a small-sized antenna facing the base (3) using n flexible connecting elements (5) - a polyimide ligament attached to the movable shanks (4) of the movable thermomechanical microactuators (1), which are rigidly fixed at n attachment points (9) on the base surface facing the bottom side of the surface for mounting a small antenna (2). The heating of mobile thermomechanical microactuators (1), fixed at the attachment points (9) on the basis of (3), is provided by supplying voltage from the power source through the control unit for moving the movable thermomechanical microactuators (14) to the heaters included in the structure of mobile thermomechanical microactuators (1) (see 3 and 4), which can be made in a mesa structure in a solid body of parallel trapezoidal inserts (18) or in a mesa structure on the surface of parallel trapezoidal inserts (19). When heated, mobile thermomechanical microactuators (1) simultaneously change their position in space, starting to move up or down under the influence of strong deformation of materials arising from the difference in temperature coefficient of linear expansion (TEC) of silicon and polyimide, providing a change in the deflection angle of the shanks of mobile thermomechanical microactuators (one). Under the influence of temperature, the materials used in mobile thermomechanical microactuators (1) expand differently, and a material with a large thermal expansion coefficient is deformed more than a material with low thermal expansion coefficient, which leads to a bending of the bimorph beam of mobile thermomechanical microactuators (1). Motion sensors of mobile thermomechanical microactuators (capacitive, optical, or by a signal received at the antenna) (13) record the position of mobile thermomechanical microactuators (1) and transmit data to the motion control unit (14) of mobile thermomechanical microactuators (1), which processes the received data in accordance with with a given program and the voltage supplied to it from the power source and supplies the voltage necessary to control the position of the surface for mounting a small antenna (2) pointing to the corresponding movable thermomechanical microactuators (1), thereby causing their corresponding movement and, as a result, the surface deviation for mounting a small antenna (2), which allows changing both the azimuthal and zenith angles. Thus, automated tuning of the small-sized antenna (2) to the signal source or to other objects is ensured. To control the movement of the surface for fastening a small-sized antenna (2), mobile thermomechanical microactuators (1) are used that convert the energy or external influence applied to them into controlled movement or mechanical movement.
Достоинствами подвижных термомеханических микроактюаторов (1) (см. фиг.3 и 4) являются простота конструкции, способность обеспечения максимального относительного перемещения балки - подвижной части структуры (приблизительно 70%), большие развиваемые усилия (до 5 мН) по сравнению с известными электростатическими. Угол отклонения свободного хвостовика (4) балки зависит от предельной температуры имидизации полиимида и расстояния между трапециевидными вставками (16). При изменении температуры, вызванном нагревом за счет теплового действия электрического тока, протекающего через нагреватель (18 или 19) при включении в электрическую цепь, происходит упругая деформация упруго-шарнирной консольной балки, вызванная различной величиной изменения линейных размеров кремниевых вставок и полипиромеллитимидных прослоек. Величина упругой деформации балки определяется различиями КТР (КТР кремния и полиимида отличаются более чем в двадцать раз), числом трапециевидных вставок, полиимидных прослоек и их конструкционной жесткостью полипиромеллитимидной прослойки. Деформация и угол отклонения упруго-шарнирной консольной балки либо уменьшается (при нагреве), либо повышается (при охлаждении). Угол отклонения микроактюатора уменьшается при увеличении расстояния между соседними кремниевыми трапециевидными вставками и наоборот. Для повышения устойчивости устройства (исключения возможности переворачивания конструкции) и управления поверхностью для крепления малогабаритной антенны ее закрепляют с помощью как минимум трех подвижных термомеханических микроактюаторов. Поскольку нагрузка на подвижные термомеханические микроактюаторы зависит от массы малогабаритной антенны, то необходимо выбирать максимально легкий материал, из которого сформирована сама антенна. Полиимидные прямоугольные связки имеют V-образную изогнутую форму, шириной меньше или равной ширине подвижных термомеханических микроактюаторов, длиной, позволяющей перемещать поверхность для крепления малогабаритной антенны в заданном диапазоне углов и толщиной, обеспечивающей жесткость, позволяющую удерживать вес поверхности для крепления малогабаритной антенны при помощи подвижных термомеханических микроактюаторов.The advantages of mobile thermomechanical microactuators (1) (see Figs. 3 and 4) are the simplicity of design, the ability to provide maximum relative displacement of the beam - the moving part of the structure (approximately 70%), the large developed forces (up to 5 mN) compared to the known electrostatic ones. The deflection angle of the free shank (4) of the beam depends on the limit imidization temperature of the polyimide and the distance between the trapezoidal inserts (16). When the temperature changes due to heating due to the thermal action of the electric current flowing through the heater (18 or 19) when it is included in the electric circuit, elastic deformation of the elastic-hinged cantilever beam occurs, caused by various changes in the linear dimensions of silicon inserts and polypyromellitimide layers. The elastic deformation of the beam is determined by the differences in KTP (KTP of silicon and polyimide differ by more than twenty times), the number of trapezoidal inserts, polyimide layers and their structural rigidity of the polypyromellitimide layer. The deformation and deflection angle of the elastic-articulated cantilever beam either decreases (when heated) or increases (when cooled). The deflection angle of the microactuator decreases with increasing distance between adjacent silicon trapezoidal inserts and vice versa. To increase the stability of the device (excluding the possibility of overturning the structure) and control the surface for mounting a small antenna, it is fixed with at least three movable thermomechanical microactuators. Since the load on the movable thermomechanical microactuators depends on the mass of the small-sized antenna, it is necessary to choose the most lightweight material from which the antenna itself is formed. Polyimide rectangular ligaments have a V-shaped curved shape, with a width less than or equal to the width of the movable thermomechanical microactuators, with a length that allows you to move the surface for mounting a small antenna in a given range of angles and a thickness that provides rigidity that allows you to hold the weight of the surface for mounting a small antenna using movable thermomechanical microactuators.
Типовой размер подвижных термомеханических микроактюаторов составляет (2-20)×(5-40) мм.The typical size of mobile thermomechanical microactuators is (2-20) × (5-40) mm.
В качестве обратной связи по положению поверхности для крепления малогабаритной антенны могут использоваться датчики перемещения подвижных термомеханических микроактюаторов (13), например емкостной или оптический, а также возможно применение схемы отслеживания принимаемого сигнала (реализуемой программно внутри микроконтроллера) и организация подстройки положения в пространстве поверхности для крепления малогабаритной антенны по нему.As a feedback on the position of the surface for mounting a small-sized antenna, moving sensors of mobile thermomechanical microactuators (13), for example, capacitive or optical, can be used, and it is also possible to use a received signal tracking circuit (implemented programmatically inside the microcontroller) and arrange position adjustment in the surface space for mounting small antenna on it.
Датчики перемещения подвижных термомеханических микроактюаторов подключены к блоку управления перемещением подвижных термомеханических микроактюаторов (14), обеспечивая тем самым отслеживание положения малогабаритной антенны и позволяя блоку управления оперативно в режиме реального времени настраивать антенну на объект наблюдения.The displacement sensors of mobile thermomechanical microactuators are connected to the control unit for moving thermomechanical microactuators (14), thereby tracking the position of a small antenna and allowing the control unit to quickly adjust the antenna to the object of observation in real time.
Для обеспечения адаптивной подстройки малогабаритной антенны в контроллер загружается программа, которая описывает перемещение антенны в пространстве, как функцию от угла отклонения подвижных термомеханических микроактюаторов, а также от уровня сигнала, принимаемого от объекта наблюдения.To ensure adaptive adjustment of a small-sized antenna, a program is loaded into the controller, which describes the movement of the antenna in space, as a function of the deviation angle of the movable thermomechanical microactuators, as well as the signal level received from the observation object.
Принимаемый сигнал с датчиков перемещения подвижных термомеханических микроактюаторов (13) позволяет определить угол отклонения соответствующего микроактюатора и, как следствие, задать входные параметры сигнала, подаваемого на нагреватель соответствующего микроактюатора. Для задания сферических координат положения объекта используют обратную связь по датчикам перемещения подвижных термомеханических микроактюаторов. В конечном итоге направление малогабаритной антенны задается сопоставлением следующих данных, хранящихся в таблице в памяти микроконтроллера:The received signal from the displacement sensors of the movable thermomechanical microactuators (13) allows one to determine the deflection angle of the corresponding microactuator and, as a result, set the input parameters of the signal supplied to the heater of the corresponding microactuator. To set the spherical coordinates of the position of the object, feedback is used on the displacement sensors of the movable thermomechanical microactuators. Ultimately, the direction of the small antenna is determined by comparing the following data stored in a table in the memory of the microcontroller:
- входные параметры сигнала, подаваемого на микроактюаторы (напряжение, скважность сигнала и прочее);- input parameters of the signal supplied to the microactuators (voltage, signal duty cycle, etc.);
- азимутальный и зенитный углы положения антенны в пространстве.- azimuth and zenith angles of the antenna in space.
Для подстройки малогабаритной антенны при уходе сигнала используют обратную связь по уровню «сигнал-шум». При уменьшении значения принимаемого сигнала входные параметры сигнала, подаваемого на каждый из микроактюаторов, по очереди варьируются до тех пор, пока принимаемый сигнал не начнет расти и не достигнет своего максимума. Данный алгоритм прописан в блоке управления перемещением подвижных термомеханических микроактюаторов (контроллере, процессоре).To fine-tune a small antenna when the signal leaves, use feedback on the level of "signal-to-noise". With a decrease in the value of the received signal, the input parameters of the signal supplied to each of the microactuators vary in turn until the received signal begins to grow and reaches its maximum. This algorithm is prescribed in the control unit for the movement of mobile thermomechanical microactuators (controller, processor).
Малогабаритная антенна может быть выполнена, например, на основе метаматериала, благодаря использованию которого добиваются малых габаритных размеров плоской антенны, работы в разных частотных диапазонах, фильтрации по полосам частот, более низкой стоимости материалов и производства, улучшенного быстродействия при приеме и передаче сигналов по сравнению с традиционными антеннами.A small-sized antenna can be performed, for example, on the basis of metamaterial, due to which small dimensions of a flat antenna are achieved, operation in different frequency ranges, filtering by frequency bands, lower cost of materials and production, improved speed of signal reception and transmission compared to traditional antennas.
Блок управления перемещением подвижных термомеханических микроактюаторов может быть построен, например, на микроконтроллере типа TMS320F или его аналогах.The control unit for the movement of mobile thermomechanical microactuators can be built, for example, on a TMS320F microcontroller or its analogs.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011109331/07A RU2456720C1 (en) | 2011-03-11 | 2011-03-11 | Microsystem apparatus controlling surface for mounting small antenna |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011109331/07A RU2456720C1 (en) | 2011-03-11 | 2011-03-11 | Microsystem apparatus controlling surface for mounting small antenna |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2456720C1 true RU2456720C1 (en) | 2012-07-20 |
Family
ID=46847594
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011109331/07A RU2456720C1 (en) | 2011-03-11 | 2011-03-11 | Microsystem apparatus controlling surface for mounting small antenna |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2456720C1 (en) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4792812A (en) * | 1985-09-30 | 1988-12-20 | Rinehart Wayne R | Microwave earth station with embedded receiver/transmitter and reflector |
| RU2124253C1 (en) * | 1997-04-16 | 1998-12-27 | Макота Василий Андреевич | Double-mirror axisymmetric antenna |
| RU2124787C1 (en) * | 1997-06-17 | 1999-01-10 | Государственный рязанский приборный завод | Device for antenna adjustment in two relatively perpendicular planes |
| US5867297A (en) * | 1997-02-07 | 1999-02-02 | The Regents Of The University Of California | Apparatus and method for optical scanning with an oscillatory microelectromechanical system |
| KR20020068773A (en) * | 2001-02-22 | 2002-08-28 | 마이크로와이즈(주) | Thin film micromirror array for free-space optical switching using Micro Electro Mechanical System and method for manufacturing the same, and multidimensional optical switching mode therefrom |
| RU2233017C1 (en) * | 2002-12-02 | 2004-07-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Алгоритм" | Controlled-pattern antenna assembly and planar directive antenna |
| RU2236730C2 (en) * | 2002-02-20 | 2004-09-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское орденов Октябрьской Революции и Трудового Красного Знамени конструкторское бюро "Электрон"- МКБ "Электрон" | Method for producing mirror-lens optical system directly on orbit and mirror-lens optical system built around flexible mirrors |
-
2011
- 2011-03-11 RU RU2011109331/07A patent/RU2456720C1/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4792812A (en) * | 1985-09-30 | 1988-12-20 | Rinehart Wayne R | Microwave earth station with embedded receiver/transmitter and reflector |
| US5867297A (en) * | 1997-02-07 | 1999-02-02 | The Regents Of The University Of California | Apparatus and method for optical scanning with an oscillatory microelectromechanical system |
| RU2124253C1 (en) * | 1997-04-16 | 1998-12-27 | Макота Василий Андреевич | Double-mirror axisymmetric antenna |
| RU2124787C1 (en) * | 1997-06-17 | 1999-01-10 | Государственный рязанский приборный завод | Device for antenna adjustment in two relatively perpendicular planes |
| KR20020068773A (en) * | 2001-02-22 | 2002-08-28 | 마이크로와이즈(주) | Thin film micromirror array for free-space optical switching using Micro Electro Mechanical System and method for manufacturing the same, and multidimensional optical switching mode therefrom |
| RU2236730C2 (en) * | 2002-02-20 | 2004-09-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское орденов Октябрьской Революции и Трудового Красного Знамени конструкторское бюро "Электрон"- МКБ "Электрон" | Method for producing mirror-lens optical system directly on orbit and mirror-lens optical system built around flexible mirrors |
| RU2233017C1 (en) * | 2002-12-02 | 2004-07-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Алгоритм" | Controlled-pattern antenna assembly and planar directive antenna |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3173842A1 (en) | Micromechanical structure with biaxial actuation and corresponding mems device | |
| EP3447560B1 (en) | A mems reflector system | |
| CN206757183U (en) | Utilize piezoelectric actuated oscillating structure, projection MEMS system | |
| TWI781243B (en) | Cascaded mirror array and scanning system thereof | |
| US6999221B1 (en) | Bimorphic polymeric photomechanical actuator | |
| WO2003065103A1 (en) | Shape-variable mirror and light control device having the shape-variable mirror | |
| US7474454B2 (en) | Programmable micromirror motion control system | |
| JP6753449B2 (en) | Scan reflector system | |
| US11002957B2 (en) | Scanning optical device with broadened image area | |
| US10746982B2 (en) | Electrostatically actuated oscillating structure with oscillation starting phase control, and manufacturing and driving method thereof | |
| US8238011B1 (en) | MEMS device with off-axis actuator | |
| US10088672B2 (en) | Mirror device including actuator controlled based on capacitance | |
| US9664899B2 (en) | Optical scanning device and image reading system | |
| WO2012003529A1 (en) | Piezo-electric based micro-electro-mechanical lens actuation system | |
| US11360270B2 (en) | MEMS optical switch with stop control | |
| US6718764B1 (en) | System and method for microstructure positioning using metal yielding | |
| RU181166U9 (en) | Two-axis piezoelectric ceramic wavefront tilt corrector | |
| US20170357075A1 (en) | Optical element | |
| RU2456720C1 (en) | Microsystem apparatus controlling surface for mounting small antenna | |
| US20020009256A1 (en) | Variable optical attenuator and beam splitter | |
| US11300852B2 (en) | MEMS optical switch with a cantilever coupler | |
| RU2606520C1 (en) | Piezoelectric single-mirror two-axis optical deflector | |
| CN117940823A (en) | Lissajous microscans with center mirror suspension and method of making same | |
| US7710633B2 (en) | Optical scanning and imaging applications using deformable mirrors | |
| US6539159B1 (en) | Adaptive support for positioning optical components |