CN106785250B - 基于射频微机电开关的螺旋五位分布式微机电移相器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于射频微机电开关的螺旋五位分布式微机电移相器，主要解决工作频率低、面积大、可靠性低和信号易失真的现有问题。其包括：基板(45)、基板绝缘层(47)、共面波导左右地线(41，44)、共面波导信号线(42)、射频微机电开关组(43)和直流偏置点列(46)。共面波导左地线、共面波导信号线和共面波导右地线，按照圆形螺旋状布线方式分布在基板上；射频微机电开关组由5个单元共31个电容式射频微机电开关组成，每单元中开关并联连接，且同时加载偏置电压，以实现五位不同的相位变化。本发明工作频率可达40GHz以上，具有面积小、可靠性高、高频信号不易失真的优点，可用于雷达天线的接收/发射组件中。
Description
技术领域
本发明属于电子器件技术领域，特别涉及一种螺旋五位分布式微机电移相器，可用于工作频率范围为40GHz及其以上的雷达天线的接收/发射组件。
技术背景
传统的移相器一般基于铁氧体材料、PIN二极管、场效应晶体管FET开关等来实现。其中，铁氧体材料移相器体积小、重量轻，但存在制作工艺复杂、生产成本高的缺陷，且受高工作频率限制；PIN二极管和FET开关的移相器，前者体积小、质量轻，后者直流功率极低，但半导体开关的损耗大和功率处理能力低。传统移相器由于体积、成本、损耗和精度等综合性能的限制，已经不能满足相控阵雷达系统低成本、低损耗、高频率的需求。因此对基于射频微机电开关的微机电移相器的研究越来越受到学者的广泛关注。
2012年电子科技大学的鲍景富等人在CN102820499A中公开了“一种五位X波段移相器”，如图1所示，共面波导信号线12按照直角回旋形布线，微机电开关14两端跨接于共面波导地线11与共面波导地线13上，并位于共面波导信号线12之上，微机电开关14两端串联金属-空气-金属电容15，通过直流偏置点16对其进行控制。
虽然这种结构在X波段达到了五位相移，但是又存在如下问题：
1)采用金属-空气-金属电容与微机电开关串联，加工复杂，可靠性降低。
2)直角回旋结构的阻抗匹配较差，高频微波信号易失真。
3)难以满足工程实际中对工作频率达到40GHz及其以上的要求。
2014年印度理工学院的Dey S,Koul S K在Journal of Micromechanics&Microengin-eering上发表的“Design,Development and Characterization of an X-band 5bit DMTL Phase Shifter Using an Inline微机电Bridge and MAM Capacitors”一文中，提出一种5位分布式微机电移相器，如图2所示移相单元23跨接于地线22和地线24上，且位于信号线21上。如图3所示，每个移相单元中，2个金属-空气-金属电容33与微机电开关32串联，通过直流偏置点35对其进行控制。
虽然这种结构在X波段达到了五位相移，但是又存在如下问题：
1)采用62个微机电开关，占用面积大，可靠性降低。
2)长宽比过大，器件易脆，可靠性降低。
3)难以满足工程实际中对工作频率达到40GHz及其以上的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于射频微机电开关的螺旋五位分布式微机电移相器，以减小面积、提高可靠性和保证高频信号完整性，满足40GHz工作频率的要求。
为实现上述目的，本发明包括：基板45、基板绝缘层47、共面波导左地线41、共面波导信号线42、共面波导右地线44、射频微机电开关组43和直流偏置点列46；基板45上沉积一层基板绝缘层47，共面波导左地线41、共面波导信号线42和共面波导右地线44分布于基板绝缘层47上方，射频微机电开关组43中每一个开关两端跨接于共面波导左地线41与共面波导右地线44上，且开关膜桥位于共面波导信号线42上方，其特征在于：
所述共面波导左地线41、共面波导信号线42和共面波导右地线44，按照圆形螺旋状布线方式分布在基板45上；
所述的射频微机电开关组43由31个电容式射频微机电开关组成，且分别按照1个、2个、4个、8个、16个射频微机电开关分为5个单元；每个单元中的射频微机电开关并联连接，同时加载偏置电压，实现五位31种不同的相位变化。
本发明具有如下优点：
1)本发明由于采用圆形螺旋状布线结构，有效减少了基板面积，降低了制造成本，并提高了器件可靠性；
2)本发明由于采用圆形螺旋状共面波导信号线，其阻抗匹配性良好，传输功率大，在高频中保证了微波信号的完整性，进而使移相器可在40GHz及其之上的频段范围内正常工作，以探测到更小的目标，实现更精确的定位，提高分辨率；
3)本发明由于在共面波导信号线内圈与外圈连接线处设有拐角，保证了信号线的阻抗匹配良好性。
附图说明
图1为现有五位X波段分布式微机电移相器结构图；
图2为现有五位分布式微机电移相器结构图；
图3为图2中的移相单元23结构图；
图4为本发明螺旋五位分布式微机电移相器结构图。
图5为图4的横截面结构图。
具体实施方式
参照图4和图5，本发明的微机电移相器主要由共面波导左地线41、共面波导信号线42、共面波导右地线44、射频微机电开关组43、直流偏置点列46、基板45和基板绝缘层47组成。
所述基板绝缘层47沉积在基板45的上方。
所述共面波导左地线41、共面波导信号线42和共面波导右地线44采用圆形螺旋状布线结构分布于基板绝缘层47之上，其中共面波导左地线41的一端呈圆形从微机电移相器中心绕至最外圈，共面波导信号线42的内圈分布于共面波导左地线41的圆形端之外，共面波导信号线42的外圈分布于共面波导左地线41的外圈之内，共面波导信号线42内圈与外圈连接线处设有拐角，共面波导右地线44分布于共面波导信号线42的内圈与外圈之间，形成由微机电移相器中心至外依次为共面波导左地线41的圆形端、共面波导信号线42的内圈、共面波导右地线44、共面波导信号线42的外圈和共面波导左地线41的外圈所排列的螺旋状布线结构。
所述射频微机电开关组43，其由31个射频微机电开关，这31个射频微机电开关分为5个单元，其中第一单元设有1个射频微机电开关，第二单元设有2个射频微机电开关，第三单元设有4个射频微机电开关，第四单元设有8个射频微机电开关，第五单元设有16个射频微机电开关，每个单元中的射频微机电开关并联连接，可同时加载偏置电压，每个开关的两端跨接于共面波导左地线41与共面波导右地线44上，且位于共面波导信号线42上方。
所述直流偏置点列46中设有5个直流偏置点，集中分布在基板45上，这5个直流偏置点与射频微机电开关组43中的5个开关单元分别相连，使得每个直流偏置点所对应的开关单元中的开关可同时加载偏置电压。
所述共面波导左地线41、共面波导信号线42和共面波导右地线44均采用铜材料，射频微机电开关组43膜桥采用金材料，基板45采用氧化铝陶瓷材料，绝缘层47采用氮化硅材料。
本发明的工作原理及过程如下：
当射频微机电开关组43中的每个开关单元通过直流偏置点列46中所对应的直流偏置点接入偏置电压时，射频微机电开关膜桥高度变化，即改变了共面波导信号线42上的分布电容，进而改变共面波导信号线42的传输特性，通过对共面波导信号线42中高频信号的相位速度的模拟控制，实现相位的延迟。
当射频微机电开关组43中的5个开关单元都未接入偏置电压时，共面波导信号线42上通过的高频信号无相位变化；
当射频微机电开关组43中第一单元的射频微机电开关通过该单元所对应的偏置电压点接入偏置电压时，该单元的射频微机电开关膜桥高度发生变化，使共面波导信号线42上通过的高频信号相位改变11.25°；
当射频微机电开关组43中第二单元的射频微机电开关通过该单元所对应的偏置电压点接入偏置电压时，该单元的射频微机电开关膜桥高度发生变化，使共面波导信号线42上通过的高频信号相位改变22.5°；
当射频微机电开关组43中第三单元的射频微机电开关通过该单元所对应的偏置电压点接入偏置电压时，该单元的射频微机电开关膜桥高度发生变化，使共面波导信号线42上通过的高频信号相位改变45°；
当射频微机电开关组43中第四单元的射频微机电开关通过该单元所对应的偏置电压点接入偏置电压时，该单元的射频微机电开关膜桥高度发生变化，使共面波导信号线42上通过的高频信号相位改变90°；
当射频微机电开关组43中第五单元的射频微机电开关通过该单元所对应的偏置电压点接入偏置电压时，该单元的射频微机电开关膜桥高度发生变化，使共面波导信号线42上通过的高频信号相位改变180°。
射频微机电开关组43中5个开关单元分别接入偏置电压，可得到11.25°、22.5°、45°、90°和180°五位相位变化，通过对这五位相位变化的两两组合或多个组合，共可以得到31种相位变化，因此高频信号通过本发明移相器时，其相位可获得步长为11.25°的31种变化。
本发明由于采用螺旋状布线结构，易于相移位数的增加。即移相器位数若增加到六位或七位时，可成单元增加射频微机电开关数量，将射频微机电开关两端跨接于共面波导左地线41与共面波导右地线44的末端面，并位于共面波导信号线42上方，提高共面波导左右地线的利用率，在同等数量开关的情况下，减小移相器面积。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于射频微机电开关的螺旋五位分布式微机电移相器，包括：基板(45)、基板绝缘层(47)、共面波导左地线(41)、共面波导信号线(42)、共面波导右地线(44)、射频微机电开关组(43)和直流偏置点列(46)；基板(45)上沉积一层基板绝缘层(47)，共面波导左地线(41)、共面波导信号线(42)和共面波导右地线(44)分布于基板绝缘层(47)上方，射频微机电开关组(43)中每一个开关两端跨接于共面波导左地线(41)与共面波导右地线(44)上，且开关膜桥位于共面波导信号线(42)上方，其特征在于：
所述的共面波导左地线(41)、共面波导信号线(42)和共面波导右地线(44)，按照圆形螺旋状布线方式分布在基板(45)上；
所述的射频微机电开关组(43)由31个电容式射频微机电开关组成，且分别按照1个、2个、4个、8个、16个射频微机电开关分为5个单元；每个单元中的射频微机电开关并联连接，同时加载偏置电压，实现五位31种不同的相位变化。
2.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述的圆形螺旋状布线方式是将共面波导左地线(41)的一端呈圆形从微机电移相器中心绕至最外圈，共面波导信号线(42)的内圈分布于共面波导左地线(41)的圆形端之外，共面波导信号线(42)的外圈分布于共面波导左地线(41)的外圈之内，共面波导右地线(44)分布于共面波导信号线(42)的内圈与外圈之间，形成由微机电移相器中心至外依次为共面波导左地线(41)的圆形端、共面波导信号线(42)的内圈、共面波导右地线(44)、共面波导信号线(42)的外圈和共面波导左地线(41)的外圈所排列的圆形螺旋状布线方式。
3.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述的五位不同的相位变化，依次为11.25°、22.5°、45°、90°和180°的相位变化，通过两两组合或多个组合得到步长为11.25°的31种相位变化。
4.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述的直流偏置点列(46)包括5个直流偏置点，分别对应射频微机电开关组(43)的5个开关单元，并集中布置在基板(45)上。
5.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述的共面波导信号线(42)的内圈与外圈连接线处设有拐角。
6.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述的共面波导左地线(41)、共面波导信号线(42)和共面波导右地线(44)均采用铜材料。
7.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述的射频微机电开关组(43)的开关膜桥采用金材料。
8.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述的基板(45)采用氧化铝陶瓷材料。
9.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述的基板绝缘层(47)采用氮化硅材料。
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