CN104993193B - 一种混合型mems移相器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合型MEMS移相器，解决了现有技术中移相器芯片面积大、相移精度差、工艺容差性低等问题。混合型MEMS移相器包括基底，设置于基底底部的微带传输线接地线，相位延迟网络和相位参考网络，用于连接相位延迟网络和相位参考网络的功率分配器；功率分配器通过单刀单掷开关或者单刀双掷开关与相位延迟网络和相位参考网络连接；所述相位参考网络和相位延迟网络由一个或者多个MEMS可变电容和两个分别与MEMS可变电容两侧连接并用于连接所述并联型MEMS开关的连接传输线构成；所述单刀单掷开关或者单刀双掷开关为并联型MEMS开关。本发明将开关线型移相器和分布式相位延迟网络结构结合，具有参考网络和延迟网络隔离度高、相移量小范围内模拟可调的优势。

Description

一种混合型MEMS移相器

技术领域

本发明属于微波通信、雷达领域及微机电系统(MEMS)技术领域中的元器件技术领域，具体的说，是涉及一种混合型MEMS毫米波太赫兹移相器。

背景技术

相控阵雷达与机械扫描雷达相比，其天线无需转动，波扫描更灵活，能跟踪更多的目标，抗干扰性能好，是一种重要的电扫方式。移相器作为相控阵雷达中相控阵天线的关键组件，其成本、性能直接影响着相控阵雷达系统的造价和性能。

近年来，RF MEMS移相器由于具有尺寸小、低功耗、低损耗、高线性度以及批量制作成本低等特点，得到广泛的关注。开关线型移相器是RF MEMS移相器的一种主要类型；通过高阻抗分布式元件、集总元件或者叉指式共面波导传输线形成的相位延迟传输网络，能减小移相器大相移单元位传输线的芯片面积。例如：申请号：CN200710191173.6的专利“一种小型化MEMS开关线移相器”和申请号：CN200510112228.0的专利“开关线型移相器”，但是，上述专利所采用的技术手段仅仅减小了传输网络的面积，而并未有效地减小芯片面积。现有技术存在的主要缺陷如下：

(1)多位开关线型移相器，每一位都需要四个单刀单掷开关或者两个单刀双掷开关、相位延迟网络和相位参考网络，构成的芯片面积较大，且所使用的MEMS开关过多，不利于器件成品率；

(2)基于单刀多掷开关的开关线型移相器工艺难度大，设计优化工作量大，也不利于大批量加工和应用；

(3)毫米波太赫兹移相器由于器件尺寸小，存在工艺敏感性强、相移精度差的问题；

(4)MEMS开关线型移相器由于是一种TTD移相器，在恒定相移的应用领域带宽受限，尤其在毫米波太赫兹波段，相移随着频率变化剧烈。

因此，研发一种小型化、高工艺容差度、宽频带、高相移精度、低功耗、低工艺难度的移相器，就成为了本领域技术人员的重要课题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种结构简单、具有小型化、高工艺容差度、宽频带、高相移精度、低功耗、低工艺难度的优点，可应用于毫米波太赫兹频段通信雷达设备中的混合型MEMS移相器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种混合型MEMS移相器，包括基底，设置于基底底部的微带传输线接地线，相位延迟网络和相位参考网络，用于连接相位延迟网络和相位参考网络的两个功率分配器；所述功率分配器通过两个单刀单掷开关或者一个单刀双掷开关与相位延迟网络和相位参考网络连接，其中，所述功率分配器的两个端口分别与所述相位延迟网络和所述相位参考网络连接；所述单刀单掷开关或者单刀双掷开关为并联型MEMS开关；

所述相位参考网络由一个或者两个MEMS可变电容和两个分别与MEMS可变电容两侧连接并用于连接所述并联型MEMS开关的连接传输线构成；或者，所述相位参考网络由一个或者两个工作于模拟状态的并联型MEMS开关和两个分别与工作于模拟状态的并联型MEMS开关两侧连接并用于连接所述单刀单掷开关或者单刀双掷开关的连接传输线构成；

所述相位延迟网络由两个或者两个以上MEMS可变电容和两个位于两侧用于连接所述并联型MEMS开关的连接传输线构成；或者，所述相位延迟网络由两个或者两个以上工作于模拟状态的并联型MEMS和两个位于两侧用于连接所述单刀单掷开关或者单刀双掷开关的连接传输线构成。

优选的，所述功率分配器为输入输出微带T型结功分器。

具体的说，所述并联型MEMS开关包括第一射频信号线，第一MEMS可动直型梁，第一MEMS拴式支撑梁，第一锚区，第一接地金属块，第一接地通孔，两个第一分立直流电极,两个第一直流驱动偏置线以及第一偏置焊盘；

其中：

所述第一射频信号线用于连接所述的连接传输线，其设置于所述基底上并位于第一MEMS可动直型梁的下方；

所述第一MEMS可动直型梁悬浮设置于两个第一分立直流电极之间；

所述第一MEMS拴式支撑梁为四个且分别位于第一MEMS可动直型梁的四角并与之相连；所述第一MEMS拴式支撑梁一端通过所述第一锚区与所述第一接地金属块连接，所述第一接地通孔设置于所述第一接地金属块上并用于连接所述微带传输线接地线；

所述第一偏置焊盘通过一个所述第一直流驱动偏置线与其中一个所述第一分立直流电极连接，另一个所述第一直流驱动偏置线用于连接两个所述第一分立直流电极。

所述第一MEMS可动直型梁正下方的所述第一射频信号线上涂覆有一层绝缘介质层。

均与相位延迟网络连接的所述并联型MEMS开关位于同一支路，位于同一支路的所述并联型MEMS开关通过同一个直流PAD馈电，且两个并联型MEMS开关与所述第一偏置焊盘的第一直流驱动偏置线相连；

均与相位参考网络连接的所述并联型MEMS开关位于同一支路，位于同一支路的所述并联型MEMS开关通过同一个直流PAD馈电，且两个并联型MEMS开关与所述第一偏置焊盘的第一直流驱动偏置线相连。

具体的说，所述MEMS可变电容包括第二射频信号线，第二MEMS可动直型梁，第二MEMS轮状支撑梁，第二锚区，第二接地金属块，第二接地通孔，两个第二分立直流电极,两个第二直流驱动偏置线以及第二偏置焊盘；

其中：

所述第二射频信号线用于连接所述的连接传输线，其设置于所述基底上并位于第二MEMS可动直型梁的下方；

所述第二MEMS可动直型梁设置于两个第二分立直流电极之间；

所述第二MEMS轮状支撑梁呈向逆时针方向弯折的弯折结构，其数量为四个且分别位于第二MEMS可动直型梁的四角并与之相连；所述第二MEMS轮状支撑梁一端通过所述第二锚区与所述第二接地金属块连接，所述第二接地通孔设置于所述第二接地金属块上并用于连接所述微带传输线接地线；

所述第二偏置焊盘通过一个所述第二直流驱动偏置线与其中一个所述第二分立直流电极连接，另一个所述第二直流驱动偏置线用于连接两个所述第二分立直流电极。

优选的，所述第二MEMS可动直型梁正下方的所述第二射频信号线上涂覆有一层绝缘介质层。

优选的，所述基底为减薄基底，其材料为石英、玻璃或者与CMOS兼容的硅衬底。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明中将开关线型移相器和分布式可变电容相位延迟网络、可变电容相位参考网络结构结合起来，具有参考网络和延迟网络隔离度高、相移量小范围内模拟可调的优势。

(2)本发明调谐自由度高(参考网络和延迟网络的选通，参考网络和延迟网络相位均可以调节)，能够进行移相器不同相移状态下的自适应相移补偿，提高移相器相移精度，具有高工艺容差型，降低了工艺难度，有利于毫米波太赫兹频段的应用。同时，能够在不同的工作频率下补偿相移量随频率的变化，拓宽移相器恒定相移量的工作带宽。

(3)本发明中通过参考网络和延迟网络的选通实现大相移量(180°和90°)，通过参考网络和延迟网络本身的模拟可调性能得到小相移量(5.625°，11.25°，22.5°和45°)，采用这种复合位的设计，显著节约多位移相器的面积，减小所采用的MEMS开关数目，提高成品率。

附图说明

图1为本发明-实施例1的结构示意图。

图2为本发明中并联型MEMS开关的结构示意图。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为图2的B-B剖视图。

图5为本发明中MEMS可变电容的结构示意图。

图6为本发明-实施例2的结构示意图。

图7为本发明-实施例3的结构示意图。

上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：

1-基底，2-功率分配器，3-相位参考网络，4-相位延迟网络，5-并联型MEMS开关，6-MEMS可变电容，7-微带传输线接地线，8-连接传输线；

51-第一射频信号线，52-第一MEMS可动直型梁，53-第一MEMS拴式支撑梁，54-第一锚区，55-第一接地金属块，56-第一接地通孔，57-第一分立直流电极，58-第一直流驱动偏置线，59-第一偏置焊盘；

61-第二射频信号线，63-第二MEMS轮状支撑梁，64-第二锚区，65-第二接地金属块，66-第二接地通孔，67-第二分立直流电极，68-第二直流驱动偏置线，69-第二偏置焊盘。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例1

如图1至4所示，本实施例提供了一种混合型MEMS移相器，包括基底，设置于基底底部的微带传输线接地线，相位延迟网络和相位参考网络，用于连接相位延迟网络和相位参考网络的功率分配器；功率分配器通过单刀单掷开关或者单刀双掷开关与相位延迟网络和相位参考网络连接，具体的说，所述功率分配器的两个端口分别与所述相位延迟网络、所述相位参考网络连接，相位延迟网络和相位参考网络主要由连接传输线和MEMS可变电容构成；连接传输线为两根并分别对应MEMS可变电容输入和输出，单刀单掷开关或者单刀双掷开关为并联型MEMS开关，具体数量为四个单刀单掷开关或两个单刀双掷开关；通过上述设置将开关线型移相器和分布式可变电容相位延迟网络结构、可变电容相位参考网络结合起来，具有参考网络和延迟网络隔离度高、相移量小范围内模拟可调的优势。

基底，具有绝缘功能，材料为石英、玻璃、氧化硅或者与CMOS兼容的硅衬底。微带传输线接地线设置于基底的底部(背面)，材料为Al或者Cr/Au/Cr的金属层。

如图2所示，并联型MEMS开关的具体结构如下：

并联型MEMS开关包括第一射频信号线，第一MEMS可动直型梁，第一MEMS拴式支撑梁，第一锚区，第一接地金属块，第一接地通孔，两个第一分立直流电极,两个第一直流驱动偏置线以及第一偏置焊盘；

第一射频信号线用于连接传输线，其设置于基底上并位于第一MEMS可动直型梁的下方；第一MEMS拴式支撑梁置于第一射频信号线的上方，高度为0.8um-2um。

两个第一分立直流电极平列设置，第一MEMS可动直型梁悬浮设置于两个第一分立直流电极之间；

第一MEMS拴式支撑梁为四个且分别位于第一MEMS可动直型梁的四角并与之相连；具体的说，位于同端的两侧的第一MEMS拴式支撑梁组合构成“八”字型，四个第一MEMS拴式支撑梁为两个相对的“八”字型结构；

第一MEMS拴式支撑梁一端通过第一锚区与第一接地金属块连接，第一接地通孔设置于第一接地金属块上并用于连接微带传输线接地线；第一接地通孔穿过第一接地金属块和基底后与微带传输线接地线连接；

第一偏置焊盘通过一个第一直流驱动偏置线与其中一个第一分立直流电极连接，另一个第一直流驱动偏置线用于连接两个第一分立直流电极。通过上述设置，使得第一偏置焊盘的数量减少一个，从而进一步减小芯片的面积；

第一MEMS可动直型梁采用Al或者Cr/Au材料，与位于第一MEMS可动直型梁四个角的第一MEMS梁拴式支撑梁连接共同构成MEMS可动梁结构。进一步的，在第一MEMS可动直型梁正下方的第一射频信号线上涂覆有一层绝缘介质层。

相位参考网络由一个MEMS可变电容和两个分别与MEMS可变电容两侧连接并用于连接并联型MEMS开关的连接传输线构成；相位延迟网络由两个以上MEMS可变电容和两个位于两侧用于连接并联型MEMS开关的连接传输线构成，本实施例中，相位延迟网络优选两个MEMS可变电容。

本实施例中优选材料及规格如下：功率分配器为输入、输出微带T型结功分器，其与相位参考网络、相位延迟网络中的连接传输线、MEMS开关中射频信号线、分立直流电极、第一偏置焊盘材料为Al或者Cr/Au/Cr的金属层。第一直流驱动偏置线材料为Si-Cr电阻层。输入、输出微带T型结功分器和连接传输线均包括数段折叠微带线，通过尺寸的设计能得到所需相移、良好匹配以及紧凑结构。需要说明的是，功率分配器，连接传输线的线宽和长度根据设计的不同需求而定。

MEMS可变电容的结构如下：

包括第二射频信号线，第二MEMS可动直型梁，第二MEMS轮状支撑梁，第二锚区，第二接地金属块，第二接地通孔，两个第二分立直流电极,两个第二直流驱动偏置线以及第二偏置焊盘；

具体的，第二射频信号线用于连接的连接传输线，其设置于基底上并位于第二MEMS可动直型梁的下方；第二MEMS可动直型梁设置于两个第二分立直流电极之间；如图3所示，第二MEMS轮状支撑梁呈向逆时针方向弯折的弯折结构，其数量为四个且分别位于第二MEMS可动直型梁的四角并与之相连构成MEMS可动梁结构；第二MEMS轮状支撑梁一端通过第二锚区与第二接地金属块连接，第二接地通孔设置于第二接地金属块上并用于连接微带传输线接地线；第二偏置焊盘通过一个第二直流驱动偏置线与其中一个第二分立直流电极连接，另一个第二直流驱动偏置线用于连接两个第二分立直流电极。

优选的，第二MEMS可动直型梁正下方的第二射频信号线上涂覆有一层绝缘介质层。均与相位延迟网络连接的并联型MEMS开关位于同一支路，位于同一支路的并联型MEMS开关通过同一个直流PAD馈电，且两个并联型MEMS开关中用于连接第一偏置焊盘的第一直流驱动偏置线相连；均与相位参考网络连接的并联型MEMS开关位于同一支路，位于同一支路的并联型MEMS开关通过同一个直流PAD馈电，且两个并联型MEMS开关与第一偏置焊盘的第一直流驱动偏置线相连。

由上可知，MEMS可变电容与并联型MEMS开关的结构相似，但二者又有各自的不同点，上述部件前缀“第一”、“第二”的目的是为了描述方便。

以中心频率为140GHz的1-bit移相器为例：本发明的制作基于表面牺牲层工艺，采用370um的硅衬底，衬底上溅射0.55um的金属层作为微带线的微带传输线接地线；然后，沉积10um的氧化硅作为微带线的基底。微带线厚度为3um，MEMS桥高度为0.8um，MEMS桥厚度为0.9um。

本实施例中，根据频率的不同，确定微带T型结功分器，相位参考网络和相位延迟网络中的连接传输线的线宽和长度。微带T型结功分器分支长度和输入阶梯型传输线尺寸确定(线宽和长度)能保证与相位延迟网络连接的并联型MEMS开关处于“通”的状态，与相位参考网络连接的并联型MEMS开关处于“断”的状态时，电路得到良好匹配；同时，保证在与相位延迟网络连接的并联型MEMS开关处于“断”的状态时，与相位参考网络连接的并联型MEMS处于“通”的状态时电路得到良好匹配。相位参考网络的连接传输线为了减小器件面积在工艺允许的情况下采用最小长度(10um)。相位延迟网络的连接传输线的长度根据相移差和MEMS可变电容的插入相移决定。当相位参考网络中MEMS可变电容模拟下拉之后产生的相移为θ1，相位延迟网络中两个MEMS可变电容模拟下拉之后产生的相移为θ2，相位参考网络中的连接传输线和相位延迟网络中的连接传输线产生的相移分别为θ1′和θ2′，所产生的相移为θ2+θ2′-(θ1+θ1′)，其中，θ1和θ2根据所施加偏置电压的大小改变。

本实施例中的1-bit移相器在120GHz,140GHz,160GHz三个频率点上，四种情况下相移分别为：139°,156°,164°,180°；162°,179°,198°,215°；181°,207°,235°,258°。四种情况分别为：

(1)与相位参考网络连接的并联型MEMS处于“通”，与相位延迟网络连接的并联型MEMS处于“断”时，相位延迟网络中的MEMS可变电容处于非下拉状态；

(2)与相位延迟网络连接的并联型MEMS开关处于“通”，与相位参考网络连接的并联型MEMS开关处于“断”时，相位延迟网络中的MEMS可变电容处于下拉状态；

(3)与相位延迟网络连接的并联型MEMS开关处于“断”，与相位参考网络连接的并联型MEMS开关处于“通”时，相位参考网络中的MEMS可变电容处于非下拉状态；

(4)与相位延迟网络连接的并联型MEMS开关处于“断”，与相位参考网络连接的并联型MEMS开关处于“通”时，相位参考网络中的MEMS可变电容处于下拉状态。

本实施例中的1-bit移相器在120GHz-160GHz的频段上能得到180°的恒定相移，能够在不同的工作频率下补偿相移量随频率的变化，而且参考网络和延迟网络隔离度高，相移量小范围内模拟可调，能够补偿移相器由于工艺等原因带来的相移偏差。

实施例2

MEMS可变电容主要应用于对可变电容值要求较大的设计需求，如图5所示，在对可变电容值要求不大的设计情况下，可以采用并联型MEMS开关替换相位参考网络和相位延迟网络中的MEMS可变电容。

实施例3

如图6所示，以并联型MEMS开关替换相位参考网络和相位延迟网络中的MEMS可变电容为基础，本实施了提供一种五位混合型MEMS移相器，该五位混合型MEMS移相器由两个一位混合型MEMS移相器(参见实施例2)级联，采用复合位结构构成，其具体实现如下：

位于左边一位，其中相位参考网络中的并联型MEMS开关处于非下拉状态的时候产生的相移位参考相移，当相位参考网络中的并联型MEMS开关处于模拟下拉状态的时候实现11.25°，22.5°和33.75°的相移；其中，相位延迟网络中的并联型MEMS开关处于非下拉状态的时候产生相移位180°-11.25°，当两个相位延迟网络中的并联型MEMS开关分别处于下拉状态的时候，实现180°，180°+33.75°和180°+45°的相移。

位于右边的一位，其中相位参考网络中的并联型MEMS开关5处于非下拉状态的时候产生的相移位参考相移，当相位参考网络中的并联型MEMS开关处于不同下拉状态的时候实现11.25°，22.5°和33.75°的相移；其中，相位延迟网络中的并联型MEMS开关处于非下拉状态的时候产生相移位90-11.25°，当相位延迟网络中的并联型MEMS开关处于下拉状态的时候实现90°，90+33.75°，的相移。当工作频率下降的时候，相同并联型MEMS开关设计的情况下，并联型MEMS开关插入相移量减小，通过增加相位延迟网络和相位参考网络中开关个数，以及连接传输线的尺寸调整来实现响应的相移量。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种混合型MEMS移相器，其特征在于，包括基底(1)，设置于基底(1)底部的微带传输线接地线(7)，相位延迟网络(4)和相位参考网络(3)，用于连接相位延迟网络(4)和相位参考网络(3)的功率分配器(2)；所述功率分配器(2)通过两个单刀单掷开关或者一个单刀双掷开关与相位延迟网络(4)和相位参考网络(3)连接，其中，所述功率分配器的两个输出端口分别与所述相位延迟网络和所述相位参考网络连接；所述单刀单掷开关或者单刀双掷开关为并联型MEMS开关；

所述相位参考网络(3)由一个或者两个MEMS可变电容和两个分别与MEMS可变电容两侧连接并用于连接所述并联型MEMS开关的连接传输线构成；或者，所述相位参考网络(3)由一个或者两个工作于模拟状态的并联型MEMS开关和两个分别与工作于模拟状态的并联型MEMS开关两侧连接并用于连接所述单刀单掷开关或者单刀双掷开关的连接传输线构成；

所述相位延迟网络(4)由两个或者两个以上MEMS可变电容和两个位于两侧用于连接所述并联型MEMS开关的连接传输线构成；或者，所述相位延迟网络(4)由两个或者两个以上工作于模拟状态的并联型MEMS和两个位于两侧用于连接所述单刀单掷开关或者单刀双掷开关的连接传输线构成；

所述功率分配器(2)为输入输出微带T型结功分器；

所述并联型MEMS开关包括第一射频信号线(51)，第一MEMS可动直型梁(52)，第一MEMS拴式支撑梁(53)，第一锚区(54)，第一接地金属块(55)，第一接地通孔(56)，两个第一分立直流电极(57),两个第一直流驱动偏置线(58)以及第一偏置焊盘(59)；

其中：

所述第一射频信号线(51)用于连接所述的连接传输线，其设置于所述基底(1)上并位于第一MEMS可动直型梁(52)的下方；

所述第一MEMS可动直型梁(52)悬浮设置于两个第一分立直流电极(57)之间；

所述第一MEMS拴式支撑梁(53)为四个且分别位于第一MEMS可动直型梁的四角并与之相连；所述第一MEMS拴式支撑梁(53)一端通过所述第一锚区(54)与所述第一接地金属块(55)连接，所述第一接地通孔(56)设置于所述第一接地金属块(55)上并用于连接所述微带传输线接地线(7)；

所述第一偏置焊盘(59)通过一个所述第一直流驱动偏置线(58)与其中一个所述第一分立直流电极(57)连接，另一个所述第一直流驱动偏置线(58)用于连接两个所述第一分立直流电极(57)。

2.根据权利要求1所述的一种混合型MEMS移相器，其特征在于，所述第一MEMS可动直型梁(52)正下方的所述第一射频信号线(51)上涂覆有一层绝缘介质层。

3.根据权利要求2所述的一种混合型MEMS移相器，其特征在于，均与相位延迟网络(4)连接的所述并联型MEMS开关位于同一支路，位于同一支路的所述并联型MEMS开关通过同一个直流PAD馈电，且两个并联型MEMS开关与所述第一偏置焊盘(59)的第一直流驱动偏置线(58)相连；

均与相位参考网络(3)连接的所述并联型MEMS开关位于同一支路，位于同一支路的所述并联型MEMS开关通过同一个直流PAD馈电，且两个并联型MEMS开关与所述第一偏置焊盘(59)的第一直流驱动偏置线(58)相连。

4.根据权利要求1所述的一种混合型MEMS移相器，其特征在于，所述MEMS可变电容包括第二射频信号线(61)，第二MEMS可动直型梁，第二MEMS轮状支撑梁(63)，第二锚区(64)，第二接地金属块(66)，第二接地通孔(66)，两个第二分立直流电极(67),两个第二直流驱动偏置线(68)以及第二偏置焊盘(69)；

其中：

所述第二射频信号线(61)用于连接所述的连接传输线，其设置于所述基底(1)上并位于第二MEMS可动直型梁的下方；

所述第二MEMS可动直型梁设置于两个第二分立直流电极(67)之间；

所述第二MEMS轮状支撑梁(63)呈向逆时针方向弯折的弯折结构，其数量为四个且分别位于第二MEMS可动直型梁的四角并与之相连；所述第二MEMS轮状支撑梁(63)一端通过所述第二锚区(64)与所述第二接地金属块(66)连接，所述第二接地通孔(66)设置于所述第二接地金属块(66)上并用于连接所述微带传输线接地线(7)；

所述第二偏置焊盘(69)通过一个所述第二直流驱动偏置线(68)与其中一个所述第二分立直流电极(67)连接，另一个所述第二直流驱动偏置线(68)用于连接两个所述第二分立直流电极(67)。

5.根据权利要求4所述的一种混合型MEMS移相器，其特征在于，所述第二MEMS可动直型梁正下方的所述第二射频信号线(61)上涂覆有一层绝缘介质层。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种混合型MEMS移相器，其特征在于，所述基底(1)为减薄基底，其材料为石英、玻璃或者与CMOS工艺兼容的硅衬底。