CN104377412B - 基于mems开关的程控步进衰减器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波通讯领域中的衰减器，具体为基于MEMS开关的程控步进衰减器，包括三组T型网络衰减单元，三组T型网络衰减单元都包括衰减开关和短路开关，T型网络衰减单元还包括衰减模块，通过单片机控制衰减开关和短路开关的通断来对微波信号进行衰减。本发明提供的衰减器，以MEMS工艺为基础，可以做到更小的尺寸，适合更高的工作频段，与通用的IC工艺有着很好的兼容性；以MEMS开关作为切换器件，反应更灵敏，可靠性更高；通过调节波导长度与开关电容尺寸，可以在开关的不同状态下更好的实现特征阻抗的匹配，从而达能够到更高的精度；相比LTCC，工艺更加简单，在高频段器件中有着更好的应用。

Description

基于MEMS开关的程控步进衰减器

技术领域

本发明涉及微波通讯领域中的衰减器，具体为基于MEMS开关的程控步进衰减器。

背景技术

射频衰减器作为一种常见的能量损耗性射频元件，主要用于射频器件间的功率衰减、阻抗匹配，以及信号电平调节等，被广泛应用于航空航天中的电子对抗领域及现代通讯等各种场合。程控步进衰减器作为一种衰减量可控的可编程射频功耗匹配器件，以其工作频带宽，衰减精度高等优点，在自动测试系统中有着广阔的应用前景。

目前，成熟的程控步进衰减器主要有继电器式的传统衰减器、及晶体管衰减器，以及最新在研发中的LTCC低温陶瓷衰减器，但各种技术针对微波射频领域的应用，都有一定的缺陷。

传统的继电器式衰减器虽然技术成熟，但对于新兴的射频集成系统来说，体积过大，启动时间长，由于机械工艺的限制，很难从根本上得到改进；而晶体管衰减器也由于三极管自身的容量和极限，限制了衰减器的进一步发展；近些年新兴的LTCC技术在衰减器上的应用，一定程度上解决了以上的问题，但衰减量和带宽仍然很有限，加工工艺十分复杂，仍处在研究阶段。

总体来说现阶段的程控步进衰减器主要的缺陷在于：1 体积过大，难以集成到微波系统中；2 精度、容量过低，难以满足射频微波领域的基础要求；3 频带低，工艺复杂，对于更高频的射频领域探索，仍需要进一步的发展。

发明内容

本发明为了解决现有的程控步进衰减器在小型化过程中存在的集成问题、带宽问题、精度需求和高频段工作问题，提供了基于MEMS开关的程控步进衰减器。

本发明是采用如下的技术手段实现的：基于MEMS开关的程控步进衰减器，包括第一T型网络衰减单元、第二T型网络衰减单元和第三T型网络衰减单元，第一T型网络衰减单元、第二T型网络衰减单元和第三T型网络衰减单元都包括衰减开关和短路开关，第一T型网络衰减单元还包括第一衰减模块，第二T型网络衰减单元还包括第二衰减模块，第三T型网络衰减单元还包括第三衰减模块，

第一衰减模块的输出端通过信号传输线和第二衰减模块的输入端连接，第二衰减模块的输出端通过信号传输线和第三衰减模块的输入端连接，第一衰减模块的输入端作为信号输入端，第三衰减模块的输出端作为信号输出端，

衰减开关和短路开关都包括介质层，衰减开关和短路开关的介质层顶面中部都设有控制信号下拉电极，下拉电极通过控制信号输入线和控制信号输入电极连接，衰减开关的介质层顶面上一侧设有接地线，另一侧设有信号传输线，该信号传输线和对应衰减模块的衰减输出端连接，介质层顶面上还设有和接地线连接的开关锚区，开关锚区的顶部上设有板面和控制信号下拉电极相对的开关下拉基板，介质层顶面另一侧的信号传输线上设有触点，触点顶部和开关下拉基板的一侧端部板面相对；短路开关的介质层顶面上一侧连接有左信号传输线，另一侧设有右信号传输线，左信号传输线和对应衰减模块的输入端连接，右信号传输线和对应衰减模块的输出端连接，介质层顶面上还设有和左信号传输线连接的开关锚区，开关锚区的顶部上设有板面和控制信号下拉电极相对的开关下拉基板，介质层顶面右侧的有信号传输线上设有触点，触点顶部和开关下拉基板的一侧端部板面相对。

衰减器的工作原理为：第一T型网络衰减单元、第二T型网络衰减单元和第三T型网络衰减单元的控制信号输入电极和单片机的控制信号输出端连接，微波信号由第一衰减模块的输入端进入，当单片机输出高电压给与第一T型网络衰减单元、第二T型网络衰减单元和第三T型网络衰减单元中的短路开关连接控制信号输入电极时，短路开关中的控制信号下拉电极获得高电平，控制信号下拉电极和开关下拉基板之间产生静电力，开关下拉基板产生位移，开关下拉基板的端部与触点接触，短路开关将对应的衰减模块短路，微波信号不衰减，当单片机输出高电压给与第一T型网络衰减单元、第二T型网络衰减单元和第三T型网络衰减单元中的衰减开关连接控制信号输入电极时，衰减开关将衰减模块接入线路，一部分衰减了的信号从衰减模块的衰减输出端输出，剩余信号从衰减模块的输出端输出；单片机可控制第一T型网络衰减单元、第二T型网络衰减单元和第三T型网络衰减单元中的衰减开关和短路开关分别接通和关闭，完成对微波信号的衰减要求。

衰减器在工作时，各个T型网络衰减单元中的衰减开关和短路开关只能有一个导通。

上述的基于MEMS开关的程控步进衰减器，衰减开关和短路开关为MEMS后折量式静电接触开关，适用范围广，同时可适用于DC工频。

上述的基于MEMS开关的程控步进衰减器，第一衰减模块、第二衰减模块和第三衰减模块都为方块薄膜电阻构成的T型衰减模块，衰减效果好。

上述的基于MEMS开关的程控步进衰减器，控制信号下拉电极上设有一层绝缘介质层，有效保护到控制信号下拉电极。

本发明提供的衰减器，以MEMS工艺为基础，可以做到更小的尺寸，适合更高的工作频段，与通用的IC工艺有着很好的兼容性；以MEMS开关作为切换器件，反应更灵敏，可靠性更高；通过调节波导长度与开关电容尺寸，可以在开关的不同状态下更好的实现特征阻抗的匹配，从而达能够到更高的精度；相比LTCC，工艺更加简单，在高频段器件中有着更好的应用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为衰减开关的截面图。

图3为短路开关的截面图。

图中：1-衰减开关，2-短路开关， 3-第一衰减模块，4-第二衰减模块，5-第三衰减模块，6-控制信号输入电极，7-接地线，8-控制信号输入线，9-信号传输线，10-介质层，11-开关锚区，12-开关下拉基板，13-左信号传输线，14-控制信号下拉电极，15-绝缘介质层，16-触点， 17-右信号传输线。

具体实施方式

基于MEMS开关的程控步进衰减器，包括第一T型网络衰减单元、第二T型网络衰减单元和第三T型网络衰减单元，第一T型网络衰减单元、第二T型网络衰减单元和第三T型网络衰减单元都包括衰减开关1和短路开关2，第一T型网络衰减单元还包括第一衰减模块3，第二T型网络衰减单元还包括第二衰减模块4，第三T型网络衰减单元还包括第三衰减模块5；

第一衰减模块3的输出端通过信号传输线9和第二衰减模块4的输入端连接，第二衰减模块4的输出端通过信号传输线9和第三衰减模块5的输入端连接，第一衰减模块3的输入端作为信号输入端，第三衰减模块5的输出端作为信号输出端；

衰减开关1和短路开关2都包括介质层10，衰减开关1和短路开关2的介质层10顶面中部都设有控制信号下拉电极14，控制信号下拉电极14通过控制信号输入线8和控制信号输入电极6连接，衰减开关1的介质层10顶面上一侧设有接地线7，另一侧设有信号传输线，该信号传输线和对应衰减模块的衰减输出端连接，介质层10顶面上还设有和接地线连接的开关锚区11，开关锚区11的顶部上设有板面和控制信号下拉电极相对的开关下拉基板12，介质层顶面另一侧的信号传输线上设有触点16，触点16顶部和开关下拉基板的一侧端部板面相对；短路开关2的介质层10顶面上一侧连接有左信号传输线13，另一侧设有右信号传输线17，左信号传输线和对应衰减模块的信号输入端连接，右信号传输线和对应衰减模块的信号输出端连接，介质层10顶面上还设有和左信号传输线连接的开关锚区11，开关锚区11的顶部上设有板面和控制信号下拉电极相对的开关下拉基板12，介质层顶面右侧的有信号传输线上设有触点16，触点16顶部和开关下拉基板12的一侧端部板面相对。

上述的基于MEMS开关的程控步进衰减器，衰减开关1和短路开关2为MEMS后折量式静电接触开关。

上述的基于MEMS开关的程控步进衰减器，第一衰减模块3、第二衰减模块4和第三衰减模块5都为方块薄膜电阻构成的T型衰减模块。

上述的基于MEMS开关的程控步进衰减器，控制信号下拉电极14上设有一层绝缘介质层15。

Claims (3)

1.基于MEMS开关的程控步进衰减器，其特征在于包括第一T型网络衰减单元、第二T型网络衰减单元和第三T型网络衰减单元，第一T型网络衰减单元、第二T型网络衰减单元和第三T型网络衰减单元都包括衰减开关（1）和短路开关（2），第一T型网络衰减单元还包括第一衰减模块（3），第二T型网络衰减单元还包括第二衰减模块（4），第三T型网络衰减单元还包括第三衰减模块（5）；

第一衰减模块（3）的输出端通过信号传输线（9）和第二衰减模块（4）的输入端连接，第二衰减模块（4）的输出端通过信号传输线（9）和第三衰减模块（5）的输入端连接，第一衰减模块（3）的输入端作为信号输入端，第三衰减模块（5）的输出端作为信号输出端；

衰减开关（1）和短路开关（2）都包括介质层（10），衰减开关（1）和短路开关（2）的介质层（10）顶面中部都设有控制信号下拉电极（14），控制信号下拉电极（14）通过控制信号输入线（8）和控制信号输入电极（6）连接，衰减开关（1）的介质层（10）顶面上一侧设有接地线（7），另一侧设有信号传输线，该信号传输线和对应衰减模块的衰减输出端连接，介质层（10）顶面上还设有和接地线连接的开关锚区（11），开关锚区（11）的顶部上设有板面和控制信号下拉电极相对的开关下拉基板（12），介质层顶面另一侧的信号传输线上设有触点（16），触点（16）顶部和开关下拉基板的一侧端部板面相对；短路开关（2）的介质层（10）顶面上一侧连接有左信号传输线（13），另一侧设有右信号传输线（17），左信号传输线（13）和对应衰减模块的信号输入端连接，右信号传输线（17）和对应衰减模块的信号输出端连接，介质层（10）顶面上还设有和左信号传输线（13）连接的开关锚区（11），开关锚区（11）的顶部上设有板面和控制信号下拉电极相对的开关下拉基板（12），介质层顶面右侧的有信号传输线上设有触点（16），触点（16）顶部和开关下拉基板（12）的一侧端部板面相对，衰减开关（1）和短路开关（2）为MEMS后折量式静电接触开关。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS开关的程控步进衰减器，其特征在于第一衰减模块（3）、第二衰减模块（4）和第三衰减模块（5）都为方块薄膜电阻构成的T型衰减模块。

3.根据权利要求1或2所述的基于MEMS开关的程控步进衰减器，其特征在于控制信号下拉电极（14）上设有一层绝缘介质层（15）。