CN101276950A - 矩形桥式共面波导结构的毫米波微机电系统移相器 - Google Patents
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Abstract
矩形桥式共面波导结构的毫米波微机电系统移相器，它涉及微机电系统移相器。它解决了现有MEMS移相器存在单桥相移量小、相位精度低的问题。本发明的金属槽形矩形桥(8)覆盖在n个金属桥(5)的上方，金属槽形矩形桥(8)的桥壁下端固定在共面波导(1)上的两根地线(4)上，金属槽形矩形桥(8)顶部的桥梁与共面波导(1)平行。本发明的金属槽形矩形桥覆盖了MEMS金属桥及跨接了两侧的地线，使得电磁波的传输被限制在矩形桥以内，因而降低移相器的辐射损耗，由于信号线和地线之间的耦合度增大，表面电流得到分散，进而降低了传导损耗，减少了相邻器件间的电磁干扰，有效地减小了附加的波导桥尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波微机电系统移相器。
背景技术
移相器是相控阵雷达、卫星通信、移动通信设备中的核心组件中最重要的部分，它的工作频带、插入损耗直接影响着这些设备的抗干扰能力和灵敏度以及系统的重量、体积和成本。在传统的移相器电路中常常采用二极管或铁氧体器件作为移相器电路的主体元器件，但是传统移相器具有功耗高、插入损耗高、可靠性差、成本高等缺点。而且应用传统移相器来设计毫米波段(如Ka波段)相控阵的馈电网络是行不通的，因为阵元的间距在毫米数量级，甚至已小于元器件的物理尺寸。而射频微机电系统(Radio Frequency Micro Electro MechanicalSystems，缩写为RF MEMS)移相器具有传统移相器所无法比拟的体积小、损耗小、成本低、频带宽、易于集成等突出优点，使得微波电路的结构、性能发生根本性改变。因此应用MEMS技术研究和开发基于MEMS工艺的毫米波移相器可大大减小设备的体积和重量，改善设备的性能，具有十分重要的意义。传统的分布式移相器结构(如图1所示)，它采用了分布式传输线结构，通过在共面波导传输线上周期的加载MEMS金属桥，在金属桥上施加电压来控制桥的高度来改变金属桥和传输线之间的电容从而改变传输线上的传播常数，实现改变入射波相移的目的。这种移相器由于仅仅通过改变两种状态下桥的高度来改变相移，而金属桥的高度变化范围有限，只能产生很小的一段位移，两种状态下的电容比非常低，因此单位MEMS金属桥所能产生的相移量非常有限，通常小于10度。当共面波导阻抗较低或较高时，都会产生较大的传输损耗，一般的反射损耗在-10dB左右，并且由于RF MEMS器件高度集成在一起，不可避免地会在相邻器件间相互产生电磁干扰。
发明内容
本发明为了解决现有MEMS移相器单桥相移量较小、潜在的传输损耗较大以及相邻器件间电磁干扰大的问题，提供了一种矩形桥式共面波导结构的毫米波微机电系统移相器，解决上述问题的具体技术方案如下：
本发明包含共面波导、信号线、地线、金属桥和金属槽形矩形桥，金属槽形矩形桥覆盖在n个金属桥的上方，金属槽形矩形桥的下端固定在共面波导上的两根地线上，金属槽形矩形桥顶部的桥梁与共面波导平行。
本发明与传统的分布式MEMS移相器相比具有下列优点：一、由于金属槽形矩形桥覆盖了MEMS金属桥及跨接了两侧的地线，使得电磁波的传输被限制在矩形桥以内，因而降低移相器的辐射损耗，由于信号线和地线之间的耦合度增大，表面电流得到分散，进而降低了传导损耗，在34～36GHz的频带内，插入损耗在-1～-2dB内，反射损耗在-10～-20dB，在整个通带内相移具有较好的线性度，在34～36GHz处仅两桥结构相移即达到120°～160°，且误差精度在±5°内，单桥相移量高达60°～80°；二、本发明在“关态”时，金属桥被下拉到介质层上，通过控制介质层的厚度来精确的限定在“关态”下金属桥与信号线之间的距离，进而实现了对相移的精确控制，同时还提高了移相器的使用寿命；三、本发明的MEMS金属桥被矩形桥覆盖，屏蔽了相邻器件间的电磁干扰。本发明有效地减小了附加的波导桥尺寸。本发明广泛适用于射频通信系统、小型相控阵雷达和相控阵天线系统。
附图说明
图1是现有分布式移相器结构示意图，图2是本发明带有金属槽形矩形桥8的结构示意图，图3是图2在竖直方向的右侧视图，图4是矩形桥式共面波导结构的毫米波MEMS移相器信号线3上锯齿槽7的结构示意图，图5是具体实施方式九中矩形桥式共面波导结构的毫米波MEMS移相器在“关态”下的射频特性示意图，图6是具体实施方式九中矩形桥式共面波导结构的毫米波MEMS移相器在“开态”下的射频特性示意图，图7是具体实施方式九中矩形桥式共面波导结构的毫米波MEMS移相器在“开态”和“关态”下的相移特性示意图。图中a为射频输入信号，b为射频输出信号，且S11代表信号的反射，S21代表信号的传输。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图2、图3描述本实施方式。本实施方式由共面波导1、信号线3、地线4、金属桥5和金属槽形矩形桥8组成，金属槽形矩形桥8延水平方向覆盖在n个金属桥5的上方，金属槽形矩形桥8的下端固定在共面波导1上的两根地线4上，金属槽形矩形桥8顶部的桥梁与共面波导1平行(所述n为大于1的自然数)。
具体实施方式二：结合图3描述本实施方式。本实施方式还包含有n个绝缘介质基片6，每个绝缘介质基片6设在每个金属桥5正下方信号线3的上方，在每个绝缘介质基片6的上下两侧的信号线3上对称向内开有锯齿槽7(所述的n为大于1的自然数)。通过在金属桥与信号线间设有绝缘介质基片6，提高了移相器在两种工作状态下金属桥所引入的电容比，进而提高了单桥的相移量。
具体实施方式三：本实施方式的每个绝缘介质基片6的宽度小于信号线3的宽度；绝缘介质基片6与金属桥5的个数相同。
具体实施方式四：结合图2、图3描述本实施方式，本实施方式所述的金属槽形矩形桥8桥壁距信号线3中心的距离为200μm～400μm；金属槽形矩形桥8的高度为10μm～20μm，所述金属槽形矩形桥8左右两端部距信号线3左右两端部的距离为0μm～300μm。
具体实施方式五：本实施方式所述的金属槽形矩形桥8为金、铝或铜材料制成。
具体实施方式六：本实施方式所述的绝缘介质基片6采用氮化硅材料。
具体实施方式七：本实施方式所述的底部基板2为高阻硅材料，其介电常数为11.9，厚度为525μm，其上表面附着有厚度为1μm的二氧化硅层，所述的共面波导1上的信号线3导体线条宽度为100μm，所述的信号线3和地线4之间的距离为100μm，金属桥5宽度为25μm，相邻金属桥5之间的距离为340μm，金属桥5的节数n＝2，且所述金属桥5、信号线3、地线4的材料均为金，所述的介质基片6采用氮化硅材料，介电常数为7.5，厚度为0.3μm，所述的锯齿槽7的深度为20μm，锯齿槽7宽出金属桥5两侧各1μm，所述的金属槽形矩形桥8桥壁距信号线3中心的距离为300μm，金属槽形矩形桥8的高度为18.7μm，所述的金属槽形矩形桥8左右两端部距信号线3左右两端部的距离为300μm。
本实施方式所述的矩形桥式共面波导结构的毫米波MEMS移相器的电磁场在34～36GHz的频带内测得，插入损耗高于-2dB，反射损耗低于-10dB。在整个通带内相移具有较好的线性度，在35GHz处仅覆盖两个金属桥5的相移即能达到150°，且误差精度在±5°内，单个金属桥5相移量高达75°。
本发明的矩形桥式共面波导结构的毫米波MEMS移相器在工作的时候，通过在金属桥5和信号线3之间施加直流电压来改变金属桥5的高度，当不施加电压时，金属桥5保持正常状态，在施加电压后金属桥5产生形变，下拉直至贴敷到信号线3上方的绝缘介质基片6上，使金属桥5和信号线3之间的电容值发生变化，传输线上相移常数也随之而变化，从而实现了相移的改变。
Claims (10)
1、矩形桥式共面波导结构的毫米波微机电系统移相器，它包含共面波导(1)、信号线(3)、地线(4)、金属桥(5)和金属槽形矩形桥(8)，其特征在于金属槽形矩形桥(8)覆盖在n个金属桥(5)的上方，金属槽形矩形桥(8)壁的下端固定在共面波导(1)上的两根地线(4)上，金属槽形矩形桥(8)顶部的桥梁与共面波导(1)平行。
2、根据权利要求1所述的矩形桥式共面波导结构的毫米波微机电系统移相器，其特征在于它还包含有n个绝缘介质基片(6)，每个绝缘介质基片(6)设在每个金属桥(5)正下方信号线(3)的上方，在每个绝缘介质基片(6)的上下两侧的信号线(3)上对称开有锯齿槽(7)。
3、根据权利要求1或2所述的矩形桥式共面波导结构的毫米波微机电系统移相器，其特征在于所述的n为大于1的自然数。
4、根据权利要求1或2所述的矩形桥式共面波导结构的毫米波微机电系统移相器，其特征在于绝缘介质基片(6)的宽度小于信号线(3)的宽度。
5、根据权利要求1或2所述的矩形桥式共面波导结构的毫米波微机电系统移相器，其特征在于金属桥(5)与绝缘介质基片(6)的个数相同。
6、根据权利要求1所述的矩形桥式共面波导结构的毫米波微机电系统移相器，其特征在于金属槽形矩形桥(8)桥壁距信号线(3)中心的距离为200μm～400μm；金属槽形矩形桥(8)的高度为10μm～20μm。
7、根据权利要求1所述的矩形桥式共面波导结构的毫米波微机电系统移相器，其特征在于所述金属槽形矩形桥(8)左右两端部距信号线(3)左右两端部的距离为0μm～300μm。
8、根据权利要求1所述的矩形桥式共面波导结构的毫米波微机电系统移相器，其特征在于金属槽形矩形桥(8)为金、铝或铜材料制成。
9、根据权利要求1或2所述的矩形桥式共面波导结构的毫米波微机电系统移相器，其特征在于绝缘介质基片(6)采用氮化硅材料。
10、根据权利要求1、2、6、7或9所述的矩形桥式共面波导结构的毫米波微机电系统移相器，其特征在于信号线(3)线条宽度为100μm，所述的信号线(3)和地线(4)之间的距离为100μm，金属桥(5)的宽度为25μm，相邻金属桥(5)之间的距离为340μm，金属桥(5)的节数n＝2，且所述金属桥(5)、信号线(3)、地线(4)的材料均为金，绝缘介质基片(6)采用氮化硅材料，介电常数为7.5，厚度为0.3μm，锯齿槽(7)的深度为20μm，锯齿槽(7)宽出金属桥(5)两侧各1μm，金属槽形矩形桥(8)左右两侧距信号线(3)中心的距离为300μm，金属槽形矩形桥(8)的高度为18.7μm，金属槽形矩形桥(8)左右两端部距信号线(3)左右两端部的距离为300μm。
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