CN104868868A - 一种mems步进式数字衰减器 - Google Patents

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本发明公开了一种MEMS步进式数字衰减器，包括传输线和n个级联的可变衰减单元，n≥1；可变衰减单元包括电阻衰减网络、上MEMS开关和下MEMS开关，且上MEMS开关和下MEMS开关关于电阻衰减网络上下对称。本发明采用MEMS开关代替传统电子开关，MEMS开关关于电阻衰减网络对称，使得信号通过路径最短，结构更为紧凑；通过MEMS开关控制不同电阻衰减网络的接入，以实现不同的衰减量，电路拓扑结构简单、端口阻抗匹配好、制造简单、工艺兼容性好，有利于大规模生产；此外，在共面波导两个接地金属面之间引入空气桥，使得衰减器的衰减量在较宽频带内的平坦度更好。

Description

一种MEMS步进式数字衰减器
技术领域
本发明涉及数字衰减器，特别是涉及一种采用了MEMS开关的步进式数字衰减器。
背景技术
衰减器常指功率衰减器，是一种能量损耗型射频/微波元件，元件内部含有电阻性材料。其在雷达、通信、仪器仪表等领域被广泛使用，如用于控制功率电平，作为振荡器与负载之间的去耦合元件，以及作为比较功率电平的相对标准等。目前衰减器的研究正朝着体积小、带宽高、增益可调、功耗低等方向发展。
衰减器可分为集总参数衰减器和分布参数衰减器。集总参数衰减器分为同阻式集总参数衰减器和异阻式集总参数衰减器，它们又可分别分为T型同阻、π型同阻、T型异阻、π型异阻。分布参数衰减器按工作原理分吸收式、截止式、极化式、电调式、谐振吸收式和场移式等多种。随着现代电子技术的发展，在许多场合要用到快速调整衰减器。这种衰减器通常有两种实现方式，一是连续可调的电调衰减器，如PIN二极管电调衰减器，但控制电路设计复杂，需考虑开关驱动信号和微波信号隔离问题，二是步进式数字衰减器，常采用微波电子开关实现，但该开关的线性度差，插入损耗大。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种高线性度、低插入损耗、低功耗的MEMS步进式数字衰减器。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的一种MEMS步进式数字衰减器，包括传输线和n个级联的可变衰减单元，n≥1；可变衰减单元Ai包括电阻衰减网络Ni、上MEMS开关K1i和下MEMS开关K2i，且上MEMS开关K1i和下MEMS开关K2i关于电阻衰减网络Ni上下对称，1≤i≤n；当上MEMS开关K1i闭合、下MEMS开关K2i断开时，可变衰减单元Ai处于直通状态；当上MEMS开关K1i断开、下MEMS开关K2i闭合时，可变衰减单元Ai处于衰减状态。
进一步，所述传输线为共面波导，包括中心导带T1、接地金属面T2和接地金属面T3。
进一步，所述中心导带T1包括不少于一段分离的部分；所述上MEMS开关K1i设有触点，以实现所述中心导带T1的一段与所述电阻衰减网络Ni输入端以及所述上MEMS开关K1i左端的连接，以及所述中心导带T1的另一段与所述电阻衰减网络Ni输出端以及所述上MEMS开关K1i右端的连接；所述上MEMS开关K1i的左端和右端关于所述上MEMS开关K1i的对称轴对称；所述下MEMS开关K2i设有触点，以实现所述电阻衰减网络Ni接地端与所述下MEMS开关K2i中间端的连接、所述下MEMS开关K2i左端与所述接地金属面T3的连接，以及所述下MEMS开关K2i右端与所述接地金属面T3的连接；所述下MEMS开关K2i的左端和右端关于所述下MEMS开关K2i的对称轴对称，所述下MEMS开关K2i的中间端位于所述下MEMS开关K2i的对称轴所在直线上。
进一步，所述共面波导的两个接地金属面之间通过空气桥进行互连。
进一步，所述传输线为微带线。
进一步，所述上MEMS开关K1i和下MEMS开关K2i为直接接触式MEMS开关或者电容式MEMS开关中的任意一种，所述上MEMS开关K1i和下MEMS开关K2i的驱动方式为静电驱动、热驱动或者压电驱动中的任意一种。
进一步，所述衰减器的衬底材料为硅、砷化镓或者玻璃中的任意一种。
有益效果：本发明提供的MEMS步进式数字衰减器，与现有技术相比具有显著的优点：
1、采用MEMS(微机械)开关完全替代传统电子开关利用微机械开关的极低插入损耗、较大隔离度和线性度、较宽工作频带以及较低功耗等优点，使衰减器更适合低功耗大功率的场合；同时衰减器控制电路设计简单，无需考虑开关驱动信号和微波信号隔离问题，综合指标优于同类产品；
2、MEMS开关关于电阻衰减网络上下对称，利用触点和开关本身导电性，实现微波信号通过路径最短，控制电阻衰减网络的开关数最少；并且在提高衰减器带宽的同时使得结构更为紧凑；
3、通过MEMS开关控制不同电阻衰减网络的接入，能够实现不同的衰减量，同时具有较好的端口阻抗匹配，提高了衰减器的微波性能和适用性；
4、在共面波导两个接地金属面之间引入空气桥，使得衰减器的衰减量在较宽频带内的平坦度更好；
5、本发明采用多个可变衰减单元级联而成，电路拓扑结构简单、端口阻抗匹配好；并且本发明制造简单、工艺兼容性好，有利于大规模生产。
附图说明
图1为本发明的电路拓扑结构；
图2为本发明的一种具体实施方式；
图3为本发明的上MEMS开关的侧视图；
图4为本发明的上MEMS开关的俯视图；
图5为本发明的下MEMS开关的俯视图；
图6为本发明的一种具体实施方式中的三种电阻衰减网络的示意图；
图7为本发明的一个可变衰减单元和部分传输线的示意图；
图8为本发明的一个可变衰减单元处于直通状态的示意图；
图9为本发明的一个可变衰减单元处于衰减状态的示意图；
图10为本发明的衰减量随着频率变化的曲线；
图11为本发明的驻波比随着频率变化的曲线。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的阐述。
本发明提供了一种基于MEMS开关的步进式数字衰减器，电路拓扑结构如图1所示。本发明的衰减器包括传输线和n个级联的可变衰减单元，n≥1；可变衰减单元Ai包括电阻衰减网络Ni、上MEMS开关K1i和下MEMS开关K2i，且上MEMS开关K1i和下MEMS开关K2i关于电阻衰减网络Ni上下对称，1≤i≤n；当上MEMS开关K1i闭合、下MEMS开关K2i断开时，可变衰减单元Ai处于直通状态；当上MEMS开关K1i断开、下MEMS开关K2i闭合时，可变衰减单元Ai处于衰减状态。本发明的一种具体实施方式是在高阻硅衬底上，采用表面牺牲层工艺，实现传输线、MEMS开关和电阻衰减网络等部件，最终构成一种基于MEMS开关的步进式数字衰减器。此外，本发明的衬底材料还可以为砷化镓或者玻璃中的任意一种。本发明的一种具体实施方式中采用共面波导作为传输线，此外传输线可以采用微带线。本发明的一种具体实施方式中的MEMS开关采用直接接触式悬臂梁结构，此外MEMS开关还可以采用电容式MEMS开关。本发明的一种具体实施方式中采用的电阻衰减网络Ni为T型网络，此外电阻衰减网络Ni还可以采用π型网络和桥T型网络。
图2是本发明的一种具体实施方式(实施例)。本实施例中，衰减器包括共面波导和3个级联的可变衰减单元。可变衰减单元Ai包括电阻衰减网络Ni、上MEMS开关K1i和下MEMS开关K2i。其中，电阻衰减网络Ni为T型网络，且电阻衰减网络Ni包括输入电阻、输出电阻和接地电阻；输入电阻的一端为输入端，另一端连接输出电阻的一端；输出电阻的另一端为输出端，接地电阻的一端连接输入电阻的另一端，接地电阻的另一端为接地端。所述“上MEMS开关K1i和下MEMS开关K2i关于电阻衰减网络Ni上下对称”是指将电阻衰减网络Ni向上平移至与上MEMS开关K1i和下MEMS开关K2i共面后，电阻衰减网络Ni输入端和输出端所在直线到上MEMS开关K1i的垂直距离与电阻衰减网络Ni接地端到下MEMS开关K2i的垂直距离相等，且电阻衰减网络Ni接地端位于上MEMS开关K1i和下MEMS开关K2i的对称轴所在直线上。共面波导包括中心导带T1、接地金属面T2和接地金属面T3，特征阻抗为50欧姆，且中心导带T1分成四段，即中心导带T1的第一段、中心导带T1的第二段、中心导带T1的第三段和中心导带T1的第四段。可变衰减单元A1包括上MEMS开关K11、下MEMS开关K21和电阻衰减网络N1。电阻衰减网络N1是由吸收电阻R1、吸收电阻R2和吸收电阻R3组成的T型同阻式电阻衰减网络，且输入、输出阻抗匹配到50欧姆，如图6所示。可变衰减单元A2包括上MEMS开关K12、下MEMS开关K22和电阻衰减网络N2。电阻衰减网络N2是由吸收电阻R4、吸收电阻R5和吸收电阻R6组成的T型同阻式电阻衰减网络，且输入、输出阻抗匹配到50欧姆，如图6所示。可变衰减单元A3包括上MEMS开关K13、下MEMS开关K23和电阻衰减网络N3。电阻衰减网络N3是由吸收电阻R7、吸收电阻R8和吸收电阻R9组成的T型同阻式电阻衰减网络，且输入、输出阻抗匹配到50欧姆，如图6所示。可见，通过上MEMS开关K11、下MEMS开关K21、上MEMS开关K12、下MEMS开关K22、上MEMS开关K13和下MEMS开关K23可以控制三个电阻衰减网络的接入，从而改变衰减器的工作状态。此外，每个MEMS开关都有一个驱动焊盘，即驱动焊盘D1、驱动焊盘D2、驱动焊盘D3、驱动焊盘D4、驱动焊盘D5和驱动焊盘D6。
下面以可变衰减单元A1为例，介绍其在一种具体实施方式中的结构，如图2和图7所示。可变衰减单元A1包括上MEMS开关K11、下MEMS开关K21和电阻衰减网络N1，且上MEMS开关K11和下MEMS开关K21关于电阻衰减网络N1上下对称。其中，在上MEMS开关K11的开关梁11上并且位于电阻衰减网络N1输入端正上方的位置处设有一个触点111，如图3所示，这样使得共面波导的中心导带T1的第一段与电阻衰减网络N1输入端以及上MEMS开关K11左端能够通过触点111进行连接；在上MEMS开关K11的开关梁11上并且位于电阻衰减网络N1输出端正上方的位置处也设有一个触点112，如图4所示，这样使得共面波导的中心导带T1的第二段与电阻衰减网络N1输出端以及上MEMS开关K11右端能够通过触点112进行连接。上MEMS开关K11的左端和右端关于上MEMS开关K11对称轴对称。在下MEMS开关K21的开关梁21上并且位于电阻衰减网络N1接地端正上方的位置处设有一个触点212，如图5所示，这样使得电阻衰减网络N1接地端与下MEMS开关K21中间端能够通过触点212进行连接；在下MEMS开关K21的开关梁21上、接地金属面T3正上方且关于电阻衰减网络N1接地端正上方对称的两个位置上各设有一个触点，即触点211和触点213，如图5所示，这样使得下MEMS开关K21左端与接地金属面T3之间能够通过触点211进行连接，下MEMS开关K21右端与接地金属面T3之间能够通过触点213进行连接。下MEMS开关K2i的左端和右端关于下MEMS开关K2i的对称轴对称，下MEMS开关K2i的中间端位于下MEMS开关K2i的对称轴所在直线上。为了改善衰减器的衰减量在较宽频带内的平坦度，在电阻衰减网络N1的两侧各设有一个空气桥，用来连接共面波导中心导带T1两边的接地金属面T2和接地金属面T3。其中，左边的空气桥B1连接了电阻衰减网络N1左边的两个接地金属面，右边的空气桥B2连接了电阻衰减网络N1右边的两个接地金属面。
当上MEMS开关K11闭合、下MEMS开关K21断开时，电阻衰减网络N1被上MEMS开关K11短路，同时也与接地金属面T3断开，此时可变衰减单元A1处于直通状态，衰减量接近0dB，如图8所示；当上MEMS开关K11断开、下MEMS开关K21闭合时，电阻衰减网络N1被接入，此时可变衰减单元A1处于衰减状态，衰减量为5dB，如图9所示。当上MEMS开关K12闭合、下MEMS开关K22断开时，电阻衰减网络N2被上MEMS开关K12短路，同时也与接地金属面T3断开，此时可变衰减单元A2处于直通状态，衰减量接近0dB；当上MEMS开关K12断开、下MEMS开关K22闭合时，电阻衰减网络N2被接入，此时可变衰减单元A2处于衰减状态，衰减量为20dB。当上MEMS开关K13闭合、下MEMS开关K23断开时，电阻衰减网络N3被上MEMS开关K13短路，同时也与接地金属面T3断开，此时可变衰减单元A3处于直通状态，衰减量接近0dB；当上MEMS开关K13断开、下MEMS开关K23闭合时，电阻衰减网络N3被接入，此时可变衰减单元A3处于衰减状态，衰减量为10dB。
总之，本发明通过触点和开关梁直接传输信号，控制衰减量的选择。衰减器的工作频率范围为0～20GHz，通过6个MEMS开关控制，实现以5dB为步进值的8种衰减量，分别为0dB(直通)、5dB、10dB、15dB、20dB、25dB、30dB和35dB。图10是本发明的一种具体实施方式的衰减器在不同衰减量时的衰减量与频率的关系，可见衰减器在0～20GHz带宽内衰减量随频率变化比较平坦，偏差在±5％以内。图11是本发明的一种具体实施方式的衰减器在不同衰减量时的驻波比随频率的变化曲线，可见衰减器在0～20GHz带宽内，不同衰减态下端口驻波比绝大部分在1.4以下，仅10dB衰减时端口驻波比在1.65以下。
综上所述，本发明通过MEMS开关实现多种衰减量的选择，与传统的衰减器相比，具有结构简单、适用性强、插入损耗低、工作频带宽、电压驻波比小、功耗低等优点，很好的满足了射频系统对器件的要求，具有广阔的应用前景。

Claims (7)

1.一种MEMS步进式数字衰减器，其特征在于：包括传输线和n个级联的可变衰减单元，n≥1；可变衰减单元Ai包括电阻衰减网络Ni、上MEMS开关K1i和下MEMS开关K2i，且上MEMS开关K1i和下MEMS开关K2i关于电阻衰减网络Ni上下对称，1≤i≤n；当上MEMS开关K1i闭合、下MEMS开关K2i断开时，可变衰减单元Ai处于直通状态；当上MEMS开关K1i断开、下MEMS开关K2i闭合时，可变衰减单元Ai处于衰减状态。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS步进式数字衰减器，其特征在于：所述传输线为共面波导，包括中心导带T1、接地金属面T2和接地金属面T3。
3.根据权利要求2所述的一种MEMS步进式数字衰减器，其特征在于：所述中心导带T1包括不少于一段分离的部分；所述上MEMS开关K1i设有触点，以实现所述中心导带T1的一段与所述电阻衰减网络Ni输入端以及所述上MEMS开关K1i左端的连接，以及所述中心导带T1的另一段与所述电阻衰减网络Ni输出端以及所述上MEMS开关K1i右端的连接；所述上MEMS开关K1i的左端和右端关于所述上MEMS开关K1i的对称轴对称；所述下MEMS开关K2i设有触点，以实现所述电阻衰减网络Ni接地端与所述下MEMS开关K2i中间端的连接、所述下MEMS开关K2i左端与所述接地金属面T3的连接，以及所述下MEMS开关K2i右端与所述接地金属面T3的连接；所述下MEMS开关K2i的左端和右端关于所述下MEMS开关K2i的对称轴对称，所述下MEMS开关K2i的中间端位于所述下MEMS开关K2i的对称轴所在直线上。
4.根据权利要求3所述的一种MEMS步进式数字衰减器，其特征在于：所述共面波导的两个接地金属面之间通过空气桥进行互连。
5.根据权利要求1所述的一种MEMS步进式数字衰减器，其特征在于：所述传输线为微带线。
6.根据权利要求1所述的一种MEMS步进式数字衰减器，其特征在于：所述上MEMS开关K1i和下MEMS开关K2i为直接接触式MEMS开关或者电容式MEMS开关中的任意一种，所述上MEMS开关K1i和下MEMS开关K2i的驱动方式为静电驱动、热驱动或者压电驱动中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的一种MEMS步进式数字衰减器，其特征在于：所述衰减器的衬底材料为硅、砷化镓或者玻璃中的任意一种。
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