CN102820499A - 一种五位x波段移相器 - Google Patents
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Abstract
该发明属于与X波段通信设备配套用五位X波段移相器。包括含回旋式设于基板上且在各转角处的外角进行倒角处理的CPW信号线及其绝缘层、CPW地线，MEMS开关梁及支撑板，MAM电容上、下极板及其支撑片在内的元器件组成的MEMS开关组，在各转角处前、后两端的CPW地线之间跨CPW信号线设有连接桥，以及偏置电极及其绝缘层，偏置电极正极和负极连接导线，上表面设有绝缘层的基板；该发明较传统五位X波段移相器相的面积减少了近三分之一，同时提高了移相器的性能和稳定性。因而具有器件的结构紧凑、体积小，强度及稳定性高、插入损耗小、Q值大、移相精度高，以及可实现高精度、大批量加工，同时降低了生产过程中的封装难度和生产成本等特点。
Description
技术领域
本发明属于电子科学技术中的射频通信及微电子机械加工领域，特别是涉及一种射频微机电系统（RF MEMS）的五位X波段小型化移相器；该移相器可与各种X波段通信设备配套使用。
背景技术
微波和毫米波移相器是电信和雷达中相控阵天线的关键组件，目前一般基于铁氧体材料、PIN二极管（positive-intrinsic negative diode）或场效应晶体管（FET）开关来实现。铁氧体材料移相器具有优良的性能，但其制造成本昂贵，同时跟PIN二极管或FET开关的移相器一样消耗相对较大的直流功率。
近年来，RF MEMS（射频微机电系统）移相器发展迅速，得到广泛的关注。RF MEMS移相器是利用RF MEMS开关线性分布控制的一种移相器。相比较传统的PIN二极管或FET开关移相器，具有尺寸小、低功耗、高品质因素、高线性度以及批量制作成本低等特点。但是普遍设计的分布式MEMS移相器都是由级联的开关阵列构成。例如在公开号为CN101694896A、发明名称为《五位射频微机电式移相器》就是由31个MEMS开关并列、顺器件的轴线直线排列而成；因此，传统的5位或者更多位的移相器由于其器件太长，因而存在强度及稳定性相对较差、使用过程中容易损坏，应用范围也受到一定限制，同时此类移相器生产过程中封装的难度和生产成本亦较高等缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种五位X波段移相器，以达到器件结构紧凑、体积小，器件的强度及稳定性高、插入损耗小、Q值大，可与各种X波段通信设备配套使用，以及降低生产过程中的封装难度和生产成本等目的。
本发明的解决方案是在背景技术基本结构基础上，将原CPW(Coplanar waveguide共面波导)信号线顺器件的轴线直线布置、MEMS开关相互并列沿CPW信号线排列，改为将CPW信号线回旋设置，采用23个MEMS开关，各开关与CPW信号线垂直、且沿CPW信号线相互间隔排列，以减小移相器的体积及缩短移相器器件的长度,提高其强度；为了降低转角处磁场分布的突兀性变化对移相器性能的影响，将CPW信号线转角的外角及与该外角所对CPW地线的内角处、切去一等边角，同时在各转角处前、后两端的CPW地线之间跨CPW信号线增设连接桥；MEMS电容仍采用MAM型（金属-空气-金属）三层结构电容。因此，本发明五位X波段移相器包括含CPW信号线、CPW地线及设于信号线上表面的绝缘层，MEMS开关梁及设于两端的支撑板，MAM电容上极板、下极板及其支撑片在内的元器件组成的MEMS开关组，偏置电极及其表面绝缘层，偏置电极正极和负极连接导线，上表面设有绝缘层的基板；关键在于该移相器为包含23个MEMS开关、5个直流加载电极组合而成的五位移相器，CPW信号线回旋式设于基板上、各MEMS开关梁与CPW信号线垂直、沿CPW信号线不等间距排列，且在CPW信号线各转角处的外角切去一等边角（倒角），与此相应在该外角所对CPW地线的内角处相应扩展一等边三角形面积的地线、以确保各转角处CPW地线与CPW信号线的距离与其它部位相等，同时在各转角处前、后两端的CPW地线之间跨CPW信号线增设连接桥；CPW信号线以及MAM电容的下极板固定在基片的绝缘层之上，MAM电容的上极板通过支撑板固定在CPW传输线的地线上，MEMS开关梁通过其支撑板固定于MAM电容的下极板上，各连接桥通过其支撑板与CPW信号线两侧的CPW地线跨接，直流偏置电极直接与偏置电极正极电接头连接，而MEMS开关梁则经MAM电容下极板与偏置电极的负极连接。整个移相器采用微电子机械技术加工。
上述CPW信号线回旋式设于基板上，CPW信号线上各回转角均为直角。所述23个MEMS开关、5个直流加载电极组合而成的五位移相器，移相器相位变化依次为11.25°、22.5°、180°、90°和45°，共31种移向状态。而所述MEMS开关梁、各MEMS开关梁正对CPW信号线部分为平板（实体）梁、而两侧则为中心开设矩形工艺孔的叉形梁，以方便加工时释放MEMS开关梁下方的牺牲层。所述在CPW信号线各转角处的外角切去一等边角（倒角），切去的等边角两边的长均为CPW信号线宽度的1/2—1。
本发明CPW信号线由于采用直角回旋结构设于基板上、并采用23个MEMS开关沿CPW信号线不等间距排列，从而有效缩短了器件的长度和面积；在CPW信号线回转角的外角及与该外角所对CPW地线的内角处均进行倒角处理、同时在各转角处前、后两端的CPW地线之间跨CPW信号线均增设连接桥，以有效抑制寄生槽线模式、同时产生定值的电容值，消除MEMS开关梁在运动过程中带来的不稳定性，降低了转角处因磁场分布的突变对移相器性能的影响；本发明与传统五位X波段移相器相比其面积减少了近三分之一，同时提高了移相器的性能和稳定性。因而本发明具有器件的结构紧凑、体积小，强度及稳定性高、插入损耗小、Q值大、移相精度高，以及可实现高精度、大批量加工，同时降低了生产过程中的封装难度和生产成本等特点；本发明可与各种X波段通信设备配套使用。
附图说明
图1是本发明五位X波段移相器结构示意图（俯视图）；
图2是图1中S部位局部放大图；
图3为A-A半剖视图（放大图）；
图4是F部位局部放大立体图。
图中，1.基板，1-1.基板绝缘层，2.CPW地线，3.CPW信号线，3-1.（CPW信号线）绝缘层，4.MAM电容，4-1.MAM电容上极板，4-2.MAM电容下极板，4-3.MAM电容支撑板，5.MEMS开关，5-1.MEMS开关梁，5-2.（MEMS开关梁）支撑板，6.偏置电极，6-1.（偏置电极）绝缘层，7-1.偏置电极负极连接导线，7-1-1.偏置电极负极电接头，7-2.偏置电极正极连接导线，7-2-1.偏置电极正极电接头，8.连接桥，9-1.CPW信号线电接头，9-2.CPW地线电接头。
具体实施方式
本发明基板1（长×宽×厚）2.68×1.45×0.52mm）、材质为硅，基板绝缘层1-1材质为SiO2、厚度为1μm；CPW信号线3的宽度为50μm、两侧与CPW地线2之间的间距为106μm，CPW信号线3与CPW地线2的厚度均为2μm、材质为铜（CU），（CPW信号线）绝缘层3-1厚为0.5μm；MAM电容上极板4-1、下极板4-2的长、宽分别为155μm及110μm、厚度为1.5μm，MAM电容的上极板4-1的高为2.3μm；MEMS开关5的高度为2.3μm，通过支撑杆5-2固定在MAM电容下极板上，MEMS开关粱5-1的长为262μm、厚为0.5μm、宽度为80μm，两端矩形工艺孔宽为60μm；MEMS梁下方的偏置电极6（长×宽×厚）为80×90×2μm，（偏置电极）绝缘层6-1材质为SiO2、厚为0.5μm；偏置电极正极连接导线7-2设于基板1与基板绝缘层1-1之间；连接MAM电容下极板4-2的偏置电极负极连接导线7-1设于基片1的绝缘层1-1内、以保证直流偏置的正、负极隔离，同时降低与射频信号的串扰；连接桥8（长×宽×厚）为270×10×0.5μm、高度为2.3um，通过支撑片与CPW信号线两侧的地线2固，各转角处所设两连接桥8的轴线与转角的角顶距离均为100μm；本实施方式在CPW信号线3上各转角处所切去等边角两边的长各为40μm、而在；MEMS开关梁5-1与MAM电容的上极板4-1处于同一高度，其加工方法是采用微机械加工将上极板和开关梁整体制作、然后再进行掩膜技术分离处理而成。
本实施方式所得五位X波段移相器工作时：线性单元实现的是11.25°的相位变化，而包含直角在内的转角单元实现的是22.5°的相位变化；因为在转角处的开关须保持相同的状态即同时处于up态或者同时处于down态，所以该移相器相位变化依次为11.25°、22.5°、180°、90°和45°，共31种移向状态。
Claims (5)
1.一种五位X波段移相器，包括含CPW信号线、CPW地线及设于信号线上表面的绝缘层，MEMS开关梁及设于两端的支撑板，MAM电容上极板、下极板及其支撑片在内的元器件组成的MEMS开关组，偏置电极及其表面绝缘层，偏置电极正极和负极连接导线，上表面设有绝缘层的基板；其特征在于该移相器为包含23个MEMS开关、5个直流加载电极组合而成的五位移相器，CPW信号线回旋式设于基板上、各MEMS开关梁与CPW信号线垂直、沿CPW信号线不等间距排列，且在CPW信号线各转角处的外角切去一等边角（倒角），与此相应在该外角所对CPW地线的内角处相应扩展一等边三角形面积的地线、以确保各转角处CPW地线与CPW信号线的距离与其它部位相等，同时在各转角处前、后两端的CPW地线之间跨CPW信号线增设连接桥；CPW信号线以及MAM电容的下极板固定在基片的绝缘层之上，MAM电容的上极板通过支撑板固定在CPW传输线的地线上，MEMS开关梁通过其支撑板固定于MAM电容的下极板上，各连接桥通过其支撑板与CPW信号线两侧的CPW地线跨接，直流偏置电极直接与偏置电极正极电接头连接，而MEMS开关梁则经MAM电容下极板与偏置电极的负极连接。
2.按权利要求1所述五位X波段移相器，其特征在于所述CPW信号线回旋式设于基板上，CPW信号线上各回转角均为直角。
3.按权利要求1所述五位X波段移相器，其特征在于所述23个MEMS开关、5个直流加载电极组合而成的五位移相器，该移相器相位变化依次为11.25°、22.5°、180°、90°和45°，共31种移向状态。
4.按权利要求1所述五位X波段移相器，其特征在于所述MEMS开关梁、各MEMS开关梁两正对CPW信号线部分为平板梁、而两侧则为中心开设矩形工艺孔的叉形梁。
5.按权利要求1所述五位X波段移相器，其特征在于所述在CPW信号线各转角处的外角上切去一等边角，切去的等边角两边的长均为CPW信号线宽度的1/2-1。
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