CN106159384A - 新型贯序旋转结构无阻塞rf‑mems开关矩阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的贯序旋转结构无阻塞RF‑MEMS开关矩阵，包括若干成矩阵排列的开关构件，每个开关构件包括四个结构相同且贯序旋转的子构件，所述子构件为三层矩形结构，底层为硅基底，中间层为二氧化硅绝缘层，上层为传输线与开关结构。本发明减少了传统crossbar型RF‑MEMS开关矩阵构件中的开关个数，同时将跨接结构与悬臂梁开关结构结合，减少不连续结构。本发明中的RF‑MEMS开关矩阵子构件通过贯序旋转的方式构成开关矩阵构件，进而组成大型RF‑MEMS开关矩阵。本发明使直通通路的通断能够由其相邻一个或两个单元的开关控制。大大减少了RF‑MEMS开关单元的个数，降低了由开关单元带来的累积性能损失。同时开关的减少也使得开关矩阵小型化，并且提高了开关矩阵整体的可靠性。

Description

新型贯序旋转结构无阻塞RF-MEMS开关矩阵

技术领域

本发明属于射频微机电系统(RF-MEMS)领域，特别是一种新型的贯序旋转结构无阻塞RF-MEMS开关矩阵。

背景技术

RF-MEMS开关以其射频性能好体积重量小等优势，格外受到航空航天领域的关注。尤其是星载领域，火箭的单位重量发射成本较高，所以其对载荷重量较为敏感，所以在射频开关矩阵中应用MEMS技术是其必然趋势。同时，单颗卫星的功能功能需求也越来越多，多功能卫星尤其是对于装配有多功能相控阵天线的卫星来说，大型RF-MEMS开关矩阵是其最为关键的技术之一。

大型相控阵天线通过孔径选择实现多功能需要大型开关矩阵，大型开关矩阵为其提供了更高的配置自由度，使得单个相控阵天线集多种功能于一体，同时能够实现部分射频组件的综合复用，有效减少了成本。而设计大型开关矩阵的一大障碍便是开关矩阵的性能会随着开关矩阵阶数的增加而急剧恶化。开关矩阵的拓扑结构目前有crossbar型、L型和阶梯型等多种类型，这些拓扑结构都是首先利用几个开关单元(一般是串联开关单元)设计矩阵构件，矩阵构件能够实现对应拓扑结构需要的不同状态如crossbar型的turn态和thru态；然后将构件平移拓展成开关矩阵。这种结构易于拓展，并且设计简单，同时有利于加工实现。但是已有的设计都有一个共同的缺点：不利于设计大型的开关矩阵。由于RF-MEMS开关本身的优良性质，其射频性能优秀，因此，当开关矩阵较小时，单个开关或者几个开关造成的射频性能损失不是非常明显。但是当开关构件拓展成大型开关矩阵的时候，开关单元会随着矩阵的拓展而形成累积效应，大型开关矩阵的性能会由此下降。

对于传统平面RF MEMS开关构件来说，两路thru通路必定各自包含一个RF MEMS开关，其中一路还有额外的跨接结构以提供两路信号同时通过交叉点的通路，如图1所示。其中存在三个RF-MEMS开关单元和一个跨接结构。并且平面结构中交叉点的跨接结构是必然存在的。这就导致了这样的开关构件组成开关矩阵之后开关单元数量较多，形成累积效应，性能损失较大，同时不连续结构也导致性能的进一步损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的贯序旋转结构无阻塞RF-MEMS开关矩阵，减少了传统crossbar型RF-MEMS开关矩阵构件中的开关个数，同时将跨接结构与悬臂梁开关结构结合，以减少不连续结构。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种新型贯序旋转结构无阻塞RF-MEMS开关矩阵，包括若干成矩阵排列的开关构件，每个开关构件包括四个结构相同且贯序旋转的子构件，所述子构件为三层矩形结构，底层为硅基底，中间层为二氧化硅绝缘层，上层为传输线与开关结构，其中传输线与开关结构包括第一端口、第二端口、第三端口、第四端口、第一共面波导传输线、第二共面波导传输线、第三共面波导传输线、第一RF-MEMS开关、第二RF-MEMS开关，所述第一端口、第二端口、第三端口、第四端口位于传输线与开关结构的四面，第一端口和第三端口之间通过第一共面波导传输线相连，第二端口与第二共面波导传输线相连，第四端口与第三共面波导传输线相连，第二共面波导传输线与第三共面波导传输线之间通过第一RF-MEMS开关相连，第一共面波导传输线与第三共面波导传输线之间通过第二RF-MEMS开关相连。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明减少了RF-MEMS开关矩阵所需要的开关单元个数；2)本发明合并了跨接结构及其之路上的RF-MEMS开关单元，减少了不连续性结构；3)本发明通过减少RF-MEMS开关矩阵中的开关个数降低了开关矩阵由通路上开关单元累积带来的性能损失，同时使得器件小型化并且提高了开关矩阵整体可靠性；4)本发明中的开关矩阵配置方案是无阻塞的，并且可以实现任意输入和输出端口之间的一对一同时互联。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1是传统RF-MEMS开关矩阵构件3D结构图。

图2是本发明中RF-MEMS开关矩阵子构件3D结构图，其中图2(a)是仿真图，图2(b)是线条图。

图3是本发明中RF-MEMS开关矩阵子构件顶视图，其中图3(a)是仿真图，图3(b)是线条图。

图4是子构件顺时针贯序旋转组成的RF-MEMS开关矩阵构件顶视图。

图5是图4中构件补充完整后的形态图。

图6是8×8RF-MEMS开关矩阵配置原理示意图。

图7是RF-MEMS矩阵子构件thru状态射频性能。

图8是RF-MEMS矩阵构件射频性能图。

图9是16×16RF-MEMS开关矩阵表面电流分布图。

图10是16×16RF MEMS开关矩阵射频性能图。

具体实施方式

本发明将跨接结构支路上的RF MEMS开关单元与跨接结构相组合，这样原本的跨接结构能够同时实现信号的跨接以及控制该路信号的通断。此时该路thru通路的少去了一个MEMS开关单元的不连续结构，同时两者结合还能够大幅减小开关构件的尺寸，使得整个器件更加小型化。

本发明的一种新型贯序旋转结构无阻塞RF-MEMS开关矩阵，包括若干成矩阵排列的开关构件，每个开关构件包括四个结构相同且贯序旋转的子构件，所述子构件为三层矩形结构，底层为硅基底，中间层为二氧化硅绝缘层，上层为传输线与开关结构，其中传输线与开关结构包括第一端口P1、第二端口P2、第三端口P3、第四端口P4、第一共面波导传输线T1、第二共面波导传输线T2、第三共面波导传输线T3、第一RF-MEMS开关S1、第二RF-MEMS开关S2，所述第一端口P1、第二端口P2、第三端口P3、第四端口P4位于传输线与开关结构的四面，第一端口P1和第三端口P3之间通过第一共面波导传输线T1相连，第二端口P2与第二共面波导传输线T2相连，第四端口P4与第三共面波导传输线T3相连，第二共面波导传输线T2与第三共面波导传输线T3之间通过第一RF-MEMS开关S1相连，第一共面波导传输线T1与第三共面波导传输线T3之间通过第二RF-MEMS开关S2相连。

所述第一共面波导传输线T1、第二共面波导传输线T2、第三共面波导传输线T3上设置若干空气桥。

所述第一端口P1、第二端口P2、第三端口P3、第四端口P4、第一共面波导传输线T1、第二共面波导传输线T2、第三共面波导传输线T3、第一RF-MEMS开关S1、第二RF-MEMS开关S2的材料均为金。

所述空气桥的材料为金。

本发明通过贯序旋转子构件的方式构成开关矩阵构件，进而组成大型RF-MEMS开关矩阵。同时利用贯序旋转结构的优势，提出了一种全新的RF-MEMS开关矩阵配置方案，使直通通路的通断能够由其相邻一个或两个单元的开关控制。大大减少了RF-MEMS开关单元的个数，降低了由开关单元带来的累积性能损失。同时开关的减少也使得开关矩阵小型化，并且提高了开关矩阵整体的可靠性。

本发明已合并了跨接结构和及其支路上的RF MEMS开关单元，减少了一个由开关单元导致的不连续结构。同时，本发明进一步减少了thru通路上的开关单元，以降低开关单元在大型开关矩阵中的性能恶化累积效应。可供考虑去除的，仅剩一个开关：即除含有跨接结构结构的另一通路上的RF-MEMS悬臂梁开关结构。去掉开关结构后的3D模型如图2所示，图种绿色部分为空气桥结构。在thru工作状态下，第二RF-MEMS开关S2ON同时第二RF-MEMS开关S2OFF，这样能够与传统的开关构件一样，实现P1-P3和P2-P4端口的互联，彼此之间互相隔离。但是去除开关之后，turn状态的工作情况会有所不同。当信号从端口P4输入后，第二RF-MEMS开关S2为OFF状态，阻止信号传到P2端口，信号经过T型结通过ON状态的第二RF-MEMS开关S2然后传到端口P1和端口P3。如端口P1为输出端，那么由于信号经过S2之后到端口P3之间没有开关单元存在，有一部分信号必然会流向端口P3，造成端口P1的性能损失。

解决以上问题，需要从总体开关矩阵的结构设计上入手，传统的开关矩阵拓扑结构不再适用于解决这种问题。本发明提出一种全新的方案，以解决此问题。传统开关矩阵是首先以开关单元为基础，设计满足拓扑结构工作状态要求的开关构件，然后将开关构件平移拓展以组成更大的开关矩阵，包含两个设计层级。本发明中的设计方案，包含有三个设计层级：首先以单个开关单元为基础设计开关矩阵子构件，然后开关子构件以贯序旋转(sequential rotation)的方式组成开关矩阵构件，然后开关矩阵构件再以贯序旋转或者平移的方式组成开关矩阵如图3-5所示。这里的贯序旋转有顺时针和逆时针两种方式，经过比较，本发明选择了尺寸更小，性能更优的顺时针旋转。

子构件通过贯序旋转的方式组成构件，这样不仅能使RF-MEMS矩阵中的部件在行列平均分布使得行列参数平均，也令各种配置方案性能大致相当。更重要的是turn状态下，如果是单个子构件，没有开关的一路大致3dB平分，但是由于贯序旋转90°，每个没有开关的直通通路都会连接到存在开关的通路上，这样就可以配置开关，并在3dB平分支路的相邻一级或两级通过开关切断此通路，减小性能损失。这个性质是本发明用来设计矩阵配置结构以减小turn路损耗的关键因素。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。

实施例1

下面将通过一个8×8的RF-MEMS开关矩阵示例介绍该贯序旋转结构RF MEMS开关矩阵的配置原理。

如图6中端口25-32为输入端，17-24为输出端，不同颜色的线条代表不同传输路径，对应颜色的方框代表需要从默认thru状态翻转状态。图中展示了端口30-20、29-18、28-19和27-21四种不同的互联路径。接下来逐个分析这四个具有代表性的输入输出端互联路径。

首先根据图3，每个子构件有ABCD四个不同的端口。子构件通过顺时针贯序旋转的方式组成构件，在构件内部，原子构件的端口连接方式有C-D和D-C两种，如图6中所示。以行列来表示开关矩阵中开关的位置，T_mn表示第m行n列的turn结构，C_mn表示其中第m行n列的S1开关，S_mn表示其中第m行n列的S2开关(m,n＝1,2,…,8)。T₅₆为C-D型连接方式的turn结构，T₆₄为D-C连接方式的turn结构。而在组成构件之后，构件通过平移的方式组成矩阵，这时，构件与构件之间的端口连接共有两种类型，即A-B型与B-A型。图6中T₃₅和T₄₇分别为A-B和B-A型连接。

在图6中，不同的折线代表不同的期望信号传输路径。假设默认状态为thru状态的话，此时S1为ON，S2为OFF。图中加框的S1或者S2表示与其对应默认状态不同的状态，即翻转其默认状态。每条通路都会有一个S2状态翻转，以提供信号的turn通路，同时每条通路有两个S1状态翻转(下文简称截断S1)，这里正是为了解决一路thru通路没有开关造成性能损失的问题。

对于每一通路来说，信号经过turn结构会改变原本的传输反向，而提供S2的子构件本身在其中一thru通路并没有开关，所以信号经过S2以T型结的方式传入该通路之后，该通路无法提供开关以阻断信号向不期望方向传输。而以上设计的结构使得每一没有开关单元的thru支路经过贯序旋转都能保证与含有开关单元的一路相连。这样通过控制在不期望方向上与不含开关单元支路相连的最近矩阵子构件中截断S1的状态，就能够有效阻止信号在不期望方向上的传输，减小矩阵通路损耗。

上面的段落已经分析指出开关矩阵turn结构的配置方式共有A-B，B-A，C-D和D-C四种。接下来我们将给出给定阶数开关矩阵中不同位置的turn结构的类型以及对应截断S1的位置。假设开关一共有m行n列。

根据奇偶的不同，共有以下四种情况：

1)m和n同时为奇数，即

此时，T_mn为A-B型连接方式，以thru状态为默认状态，为提供turn通路同时阻止不期望方向信号的传输，需要翻转状态的开关为S_mn,和截断S1：C_m-1,n及C_m,n+2；

2)m为偶数，n为奇数，即m＝2i，n＝2j-1

此时T_mn为B-A型连接方式，需要翻转状态的开关为S_mn,和截断S1：C_m-2,n及C_m,n+1；

3)m为奇数，n为偶数，即m＝2i-1，n＝2j

此时T_mn为C-D型连接方式，需要翻转状态的开关为S_mn,和截断S1：C_m,n及C_m,n+1；

4)m和n同时为偶数，即m＝2i，n＝2j

此时T_mn为D-C型连接方式，需要翻转状态的开关为S_mn,和截断S1：C_m,n及C_m-1,n；

同时，本结构基于的crossbar结构是一种无阻塞的开关矩阵结构，并且，经过将不同类型的turn结构之间相互位置关系枚举分析，发现其互不影响，即本发明提出的结构是无阻塞结构。

本发明的出发点是减少RF-MEMS开关矩阵中开关单元的累积效应以适用于大型的开关矩阵，由于仿真软件及仿真平台的性能限制，我们目前最大只能实现16×16的开关矩阵的性能仿真。处于仿真简便型的目的，我们在仿真中忽略了偏置网络结构的影响，同时由于所用仿真软件HFSS的限制，RF MEMS悬臂梁的接触电阻同样忽略不计。

图7为RF-MEMS矩阵子构件thru状态的射频性能，在40GHz以下，各通路的插入损耗均能保持优于-0.11dB，通路之间的隔离度保持在26dB以上。

图8为RF-MEMS矩阵子构件经过顺时针贯序旋转得到的构件的射频性能。各通路的插入损耗在40GHz以下均能保持优于-0.32dB，其各回波损耗也低于-16dB，同时保持高于47dB的隔离度。

在16×16的矩阵仿真中，考虑到仿真的简便性以及有效性，如图9所示，仿真中选择了四个具有代表性的通路36-62、34-61、41-56和35-63，分别代表A-B、B-A、C-D和D-C型的turn结构，且各通路之间距离分布各异。

图9为16×16RF-MEMS开关矩阵表面电流分布图，图9可以很明确地显示输入和输出端口之间的电流通路，同时该表面电流分布图也可以大致看出各通道之间良好的隔离。

图10为该矩阵的射频性能S参数的仿真，四条代表性通路的性能相近，其插入损耗均优于-2.7dB。各自隔离度也高于32dB。各自的插入损耗与通路长度有关，通路越长，其插入损耗越大，最短通路41-56因此有最优秀插入损耗性能。相邻的通路之间的隔离度最差，在本发明中，相邻通路有两种，一种如34-61和35-63的相邻通路，一种如36-62和35-63的相邻通路。靠的两通路越靠近，则相互之间的隔离度越差，即使最靠近的通路，在本仿真的高频40GHz处也有优于32dB的隔离度。41-54与其他通路最远，因此与其他通路的隔离度也越高。

在各个感兴趣频点处，该16×16RF-MEMS开关矩阵的仿真性能如表1所示：

表1：16×16RF-MEMS开关矩阵各频点S参数

同时从图9可以看出：

36-62通路经过了13个子构件4-2通路和12个3-1通路以及1个A-B型turn结构；

34-61通路经过了子构件4-2通路和3-1通路各13个以及1个B-A型turn结构；

41-56通路经过了子构件4-2通路和3-1通路各7个，以及1个C-D型turn结构；

35-63通路经过了13个子构件4-2通路和14个3-1通路以及1个D-C型turn结构。

根据前面的仿真分析，20GHz处所经过的各个部件的插损如下：

1个完整构件的thru通路插损均值为：-0.1384dB；

1个子构件3-1通路插损为-0.0486dB，4-2通路插损为-0.0659dB

所以在忽略别的因素的情况下，大致估计20GHz处四种类型的turn结构的插损如下：

IL_A-B＝-1.5813-(-0.0659×13)-(-0.0486×12)＝-0.1414dB

IL_B-A＝-1.7847-(-0.0659×13)-(-0.0486×13)＝-0.2962dB

IL_C-D＝-0.9128-(-0.0659×7)-(-0.0486×7)＝-0.1113dB

IL_D-C＝-1.7183-(-0.0659×13)-(-0.0486×14)＝-0.1812dB

和原子构件turn结构处的-3.549dB相比，性能得到大大提高。且经过简单观察分析，我们可以判断B-A类型的turn结构相比其他结构的损耗必定大一些，因为如图9所示，该处形成环，将引起较大的寄生电感，实际仿真结果IL_B-A也确实大于其他三者。这也从另一个角度证明了结构设计与仿真的正确性。同时，相比于传统RF-MEMS开关矩阵，本发明中的开关矩阵的性能大大提高，插损性能优于传统开关矩阵性能的2-3倍，且同时保持较高隔离度。并且开关矩阵越大，本发明中的此结构的RF-MEMS开关矩阵结构的优势就越明显。

Claims (4)

1.一种新型贯序旋转结构无阻塞RF-MEMS开关矩阵，其特征在于，包括若干成矩阵排列的开关构件，每个开关构件包括四个结构相同且贯序旋转的子构件，所述子构件为三层矩形结构，底层为硅基底，中间层为二氧化硅绝缘层，上层为传输线与开关结构，其中传输线与开关结构包括第一端口(P1)、第二端口(P2)、第三端口(P3)、第四端口(P4)、第一共面波导传输线(T1)、第二共面波导传输线(T2)、第三共面波导传输线(T3)、第一RF-MEMS开关(S1)、第二RF-MEMS开关(S2)，所述第一端口(P1)、第二端口(P2)、第三端口(P3)、第四端口(P4)位于传输线与开关结构的四面，第一端口(P1)和第三端口(P3)之间通过第一共面波导传输线(T1)相连，第二端口(P2)与第二共面波导传输线(T2)相连，第四端口(P4)与第三共面波导传输线(T3)相连，第二共面波导传输线(T2)与第三共面波导传输线(T3)之间通过第一RF-MEMS开关(S1)相连，第一共面波导传输线(T1)与第三共面波导传输线(T3)之间通过第二RF-MEMS开关(S2)相连。

2.根据权利要求1所述的新型贯序旋转结构无阻塞RF-MEMS开关矩阵，其特征在于，所述第一共面波导传输线(T1)、第二共面波导传输线(T2)、第三共面波导传输线(T3)上设置若干空气桥。

3.根据权利要求1所述的新型贯序旋转结构无阻塞RF-MEMS开关矩阵，其特征在于，所述第一端口(P1)、第二端口(P2)、第三端口(P3)、第四端口(P4)、第一共面波导传输线(T1)、第二共面波导传输线(T2)、第三共面波导传输线(T3)、第一RF-MEMS开关(S1)、第二RF-MEMS开关(S2)的材料均为金。

4.根据权利要求2所述的新型贯序旋转结构无阻塞RF-MEMS开关矩阵，其特征在于，所述空气桥的材料为金。