射頻微機(jī)械移相器

婁建忠 ，趙正平， 楊瑞霞， 呂苗，胡小東
(1．河北工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，天津300130；2．河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院，)

1 引言

微波移相器是相控陣?yán)走_(dá)、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信設(shè)備中的組件，它的工作頻帶、插入損耗直接影響著這些設(shè)備的抗干擾能力和靈敏度，以及系統(tǒng)的重量、體積和成本，因此研究寬帶、低插損的移相器在軍事上和民用衛(wèi)星通信領(lǐng)域具有重要的意義。近年來，隨著RF MEMS開關(guān)的研究不斷取得進(jìn)展，使MEMS開關(guān)替代傳統(tǒng)的鐵氧體開關(guān)、p·i-n二極管、FET，設(shè)計(jì)制造寬帶、低插損RFMEMS移相器成為可能。因此采用MEMS微波開關(guān)技術(shù)的單片集成RFMEMS移相器，具有較低
的插入損耗、寬帶寬、小體積的特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)』萬(wàn)單元相控陣天線的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)衛(wèi)星組網(wǎng)技術(shù)．戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略偵察、制導(dǎo)均有重要意義。

2 發(fā)展現(xiàn)狀
由于相控陣?yán)走_(dá)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域應(yīng)用的需要，RF MEMS移相器在國(guó)際上有眾多的研究者，工作頻段從幾GHz到上百GHz，采用的結(jié)構(gòu)有DMTL型、開關(guān)線型和反射型。

2．1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

2．1．1 DMTL型移相器
DMTL型移相器是DistributedMEMS Trans—mission line的簡(jiǎn)稱，其結(jié)構(gòu)和等效電路如圖1所示。它是在CPW傳輸線上周期性的加載一定電容
比的并聯(lián)RFMEMS開關(guān)，在中心信號(hào)線和橋之間加驅(qū)動(dòng)電壓，將改變CPW傳輸線的負(fù)載電容，從而改變傳輸線的特征阻抗和傳輸系數(shù)實(shí)現(xiàn)移相。

DMTL型移相器是美國(guó)密歇根大學(xué)的N．ScottBarker在1998年11月次設(shè)計(jì)制造的，為一模擬移相器，它是通過表面MEMS工藝在500gm厚的石英襯底上制作帶有周期性MEMS橋電容的CPW傳輸線(W二G二100 u m)，驅(qū)動(dòng)電壓為0-V”，V”為橋電容的下拉電壓。當(dāng)電壓在0~V間變化時(shí)，相移發(fā)生連續(xù)變化。測(cè)量結(jié)果顯示該移相器可在0~60GHz工作，在60GHz時(shí)相移118‘，插損為—2dB，在40GHz時(shí)相移為84‘，插損為—1．8dB，驅(qū)動(dòng)電壓為10”23V。

2000年1月加州大學(xué)圣·巴巴拉分校的AndreaBorgioli等人采用MEMS橋和固定MIM電容串聯(lián)，以減少下態(tài)電容，實(shí)現(xiàn)了個(gè)1位數(shù)字DMTL移
相器。該移相器驅(qū)動(dòng)電壓為75V，在25GHz時(shí)相移為180’，插損為上態(tài)—0．98dB，下態(tài)—1．17dB，在35GHz時(shí)相移270‘，插損為上態(tài)—1．07dB，下態(tài)—1．69dB，反射損失好于—11dB。

DMTL型移相器具有頻帶寬、插損小、純時(shí)延、工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，芯片尺寸較大， 目前多在低介電常數(shù)襯底上制造，在高介電常數(shù)襯底上制造
需繼續(xù)減小橋電容和間距以滿足布拉格頻率，’，的要求。

2．1．2開關(guān)線型MEMS移相器

開關(guān)線型MEMS移相器是通過RF MEMS開關(guān)，選擇不同的長(zhǎng)度的信號(hào)路徑實(shí)現(xiàn)相移。雷訊實(shí)驗(yàn)室的B．Pillans等人于1999年12月利用MEMS并聯(lián)電容耦合開關(guān)設(shè)計(jì)制造了3位、4位Ka波段開關(guān)線移相器，4)。3位的平均插損是—1．7dB，4位的平均插損是—2．2dB，帶寬為32~36GHz，反射損失小于—10dB。驅(qū)動(dòng)電壓45V。2002年G．L．Tan，，]使用單刀四擲串聯(lián)MEMS開關(guān)，通過4條不同的路徑實(shí)現(xiàn)2位開關(guān)線移相器，如圖2所示，在8-12GHz平均插損為—0．55dB，反射損失好于—17dB。在DC~18GHz相移有很好的線性度，是目前體積的MEMS移相器。

2．1．3反射型MEMS移相器

反射型MEMS移相器是通過RFMEMS開關(guān)改變3dB耦合器反射臂的電抗來實(shí)現(xiàn)相移。1999年12月雷訊公司C．L．Goldsmithr利用微帶LANGE耦合器和MEMS并聯(lián)電容耦合開關(guān)設(shè)計(jì)制造了4位×波段反射型移相器，在8GHz時(shí)平均插損為—1．4dB，反射損失好于—11dB。2002年漢城大學(xué)的Hong-TeukKim等人，’，采用MEMS空氣覆蓋型低損耗耦合器，設(shè)計(jì)了2位(135。) CPW反射型移相器(圖3)，6個(gè)金—金接觸串連MEMS開關(guān)，控制短路反射線的長(zhǎng)度，在60GHz時(shí)平均插損—4dB,反射損失從50~70GHz為—11．7dB，尺寸為1．5mm× 2．1mm。

反射型MEMS移相器芯片面積較小，但插損較大，其中3dB耦合器的插損隨頻率增加而增加，不可忽視，同時(shí)反射線長(zhǎng)度變短，使開關(guān)制造有一定困難。
2．2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

本文采用DMTL結(jié)構(gòu)在高阻硅襯底上實(shí)現(xiàn)了2位DC~30GHz數(shù)字移相器,30GHz時(shí)相移為105，插損小于—1．8dB，駐波好于—11dB。由于驅(qū)動(dòng)電壓加在橋與CPW地線之間，增加驅(qū)動(dòng)面積使驅(qū)動(dòng)電壓小于20V。

2．2．1設(shè)計(jì)與制造

2位DC~30GHz移相器是采用高阻硅襯底，在3．3mm長(zhǎng)CPW傳輸線上周期性制造6個(gè)并聯(lián)MEMS電容，如圖4所示。通過橋與CPW傳輸線的地之間加載DC驅(qū)動(dòng)來改變CPW傳輸線的負(fù)載電容，偏置電壓通過高阻線直接加載到橋上，各個(gè)橋之間通過彎曲的高阻線連接，使橋之間隔離。
2．2．2測(cè)試結(jié)果

使用HP8510c矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和150llmGGB探針臺(tái)對(duì)移相器進(jìn)行在片測(cè)量，使用LRM校準(zhǔn)，驅(qū)動(dòng)電壓為18V。測(cè)量結(jié)果如圖5所示。表1是在15GHz時(shí)一組相移數(shù)據(jù)。


從測(cè)試結(jié)果可以看出，在32GHz以下具有很好的線性，插損小于—1．8dB，駐波好于—11dB，在30GHz時(shí)，相應(yīng)為105。32GHz以上相移曲
線明顯向上彎曲，產(chǎn)生非線性，插損也明顯增大，實(shí)際相移小于設(shè)計(jì)相移是由于CPW的地線與MEMS橋的錨位間隙較小，使橋不能與CPW的地線完全接觸，減小了下態(tài)電容。
3 發(fā)展趨勢(shì)

RFMEMS移相器具有低插損、低功耗、寬帶寬、小體積、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，是機(jī)載雷達(dá)、星用雷達(dá)的理想器件，對(duì)戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略偵察、制導(dǎo)均有重要意義，其中開關(guān)線型移相器的插損主要取決于開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的插損，同時(shí)要求兩條路徑之間有足夠高的隔離，因此要求開關(guān)具有較低的導(dǎo)通插損和高的截止隔離度，因此它的帶寬取決于開關(guān)的帶寬，同時(shí)設(shè)計(jì)上須對(duì)T型頭進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，保證在寬頻帶內(nèi)有較小的反射。反射型MEMS移相器頻帶較窄、芯片面積較小，但插損較大， 同時(shí)高頻時(shí)反射線長(zhǎng)度變短，使開關(guān)制造有一定困難。DMTL型移相器和開關(guān)線型移相器都具有純時(shí)延的特性，插損小，設(shè)計(jì)和制造較容易，是未來發(fā)展的重點(diǎn)。我們相信RFMEMS移相器在未來雷達(dá)和通訊系統(tǒng)中將起到越來越大的作用。