CN107437483A - 一种直板型单刀单掷开关单片集成衰减器 - Google Patents

Abstract

一种直板型单刀单掷开关单片集成衰减器，该结构主要由衬底、第一衰减开关、第二衰减开关、第一短路开关、第二短路开关、微波传输线CPW、衰减模块、引线和空气桥组成，衬底的上表面设有开关、微波传输线CPW、衰减片和引线，微波传输线CPW的T型结和转角上方设有空气桥，第一衰减开关、第二衰减开关、衰减模块以及微波传输线CPW构成的衰减通道，第一短路开关、第二短路开关和微波传输线CPW构成的短路通道，本发明采用了一种可实用化的射频MEMS开关，开关采用直板型带通孔的上电极和悬臂梁单触点式下电极，简化了结构，提高了的可靠性，在加工工艺中易于实现,使得衰减器具有较长的寿命且易于批量化生产，很适合实际应用。

Description

一种直板型单刀单掷开关单片集成衰减器

技术领域

本发明涉及微波通讯领域中的衰减器，具体涉及一种直板型单刀单掷开关单片集成衰减器。

背景技术

功率衰减器是一种能量损耗性的微波元件，其主要功能有调节信号电平、改善阻抗匹配、减小振荡器与负载之间的耦合效应等，被广泛应用于信号发生源、网络分析仪、频谱仪、测量接收机等现代微波设备中，具有广阔的应用前景。

目前，微波设备中比较成熟的衰减器主要有继电式的传统衰减器、晶体管衰减器以及正在研发的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。开关是衰减器最重要的组成部分之一，微波测试设备中衰减器常采用电磁继电器和晶体管来实现开关的功能。电磁继电器作为一种机械式开关，本身具有体积大、结构复杂的缺点，在高频端寄生效应严重，无法满足现代微波设备高集成化、高使用频率的发展需求。而晶体管型开关，由于其自身缺陷，能承受的功率低，线性度较差，很难在大动态范围、宽频段的微波系统中广泛使用

基于MEMS开关的射频衰减器，将开关和衰减模块结合起来，通过调节波导的尺寸与电阻阻值的大小可以使衰减电路获得更好的衰减效果，有小体积、低功耗、低成本和高性能等特点，符合微波测试系统低成本、高集成度、宽动态范围的发展需求，已经成为微波测试技术的重要研究方向之一。

现有技术中基于MEMS开关的射频衰减器的虽然具有较为良好的微波性能，但是采用的开关的驱动电压过高且结构复杂难以加工，寿命和可靠性较低，无法实际应用。

发明内容

发明目的：

本发明针对背景技术的不足，设计一种基于MEMS开关射频衰减器，该衰减器微波性能良好，采用了一种驱动电压较低，结构相对简单的开关，易于工艺加工，很适合实际应用。

技术方案：

本发明的具体技术方案如下：

本发明的主要结构由第一衰减开关、第二衰减开关、第一短路开关、第二短路开关、衬底、微波传输线、衰减模块、引线、空气桥构成；在衬底1上分别设有第一信号线2、第二信号线3、第三信号线4、第四信号线5、第一引线6、第二引线7、第三引线8、第八引线9、第四地线10、第五地线11、第六地线12、第七地线13、第一地线14、第二地线15、第三地线16、第一驱动电极39、第二驱动电极45、第三驱动电极51、第四驱动电极57以及第一T型结22、第二T型结23；在第一信号线2和第一T型结22、第二T型结23之间分别设有第一衰减开关24、第二衰减开关25，在第二信号线3和第一T型结22、第二T型结23之间分别设有第一短路开关26、第二短路开关27。

所述第一、二衰减开关24、25与所述第一、二短路开关26、27为结构相同的开关组件，以第一衰减开关为例进行说明。所述第一衰减开关24包括第一驱动电极39、第一锚点35、第二锚点36、第一上电极34、第一触点38、第一弹性梁37；所述第一上电极34通过第一锚点35固定在第一信号线2上，所述第一弹性梁37通过第二锚点36固定在第一T型结22上，所述第一弹性梁37接近第一上电极34的一端固定有第一触点38。所述第一驱动电极39位于第一信号线线2和第一T型结22之间的空隙，下表面与衬底接触，上表面与所述第一上电极34相对。

所述第一引线6与所述第一驱动电极39相连，穿过第三地线16与第四地线10之间的缝隙，与外界相连。

所诉上电极、弹性梁和锚点为长方体结构。

所述微波传输线CPW包括第一信号线2、第二信号线3、第三信号线4、第四信号线5和第一地线14、第二地线15、第三地线16、第四地线10、第五地线11、第六地线12、第七地线13。所述第二地线15的形状类似矩形，信号线和其他地线分别构成一个未闭合的矩形环，套在第二地线15上，第二地线15以及信号线和其他地线构成的矩形环的四个转角处分别裁剪掉一个等腰直角三角形，之后形成的第一转角17、第二转角18、第三转角19、第四转角20为一个45°等腰直角结构。

所述第一地线14和第二地线15之间设有第一空气桥28、第四空气桥31，第二地线15和第三地线16之间设有第二空气桥29、第三空气桥30；第一地线14和第五地线11之间、第三地线16和第四地线10之间以及第四地线10第五地线11和第二地线15之间都设有空气桥，这三个空气桥共同构成第五空气桥32；第一地线14和第六地线12之间、第三地线16和第七地线13之间以及第六地线12第七地线11和第二地线15之间都设有空气桥，这三个空气桥共同构成第六空气桥33；所述第一空气桥28、第二空气桥29、第三空气桥30、第四空气桥31分别位于第一转角17、第二转角18、第三转角19、第四转角20上方，所述第三空气桥32、第四空气桥33分别位于所述第一T型结22、第二T型结23的上方。

所述衰减模块21为氮化坦方块薄膜电阻构成的π型衰减模块或者T型衰减模块。

所述衰减模块的材料包括但不仅限于氮化坦。

有益效果：

本发明与背景技术相比有了明显的进步性，首先，本发明在CPW直角转角的拐角处裁掉一个等腰直角三角形，优化了结构，减小了插入损耗，提高衰减器的微波性能。另外，本发明采用了一种可实用化的射频MEMS开关，开关采用直板型带通孔的上电极和悬臂梁单触点式下电极，该上电极相比传统上电极具有结构简单实用、方便阻抗匹配的优点，弹性梁结构在上电极下拉撞击触点时可以起到缓冲作用，保护了上电极和触点，同时固定在弹性梁上的单触点结构有效地改善了双触点虚接引起的可靠性问题，克服了现有的基于MEMS开关的射频衰减器结构复杂可靠性差、不易于工艺加工的缺点，提高了衰减器的寿命且易于批量化生产。

附图说明

图1为本发明的所述衰减器结构示意图；

图2为所述衰减器俯视图；

图3为所述衰减器侧视图；

图4为衬底上表面设置的结构示意图；

图5为所述开关和信号线构成的矩形环状结构示意图；

图6为地线和空气桥的结构示意图；

图7为所述第一衰减开关结构示意图；

图8为所述第一衰减开关的俯视图；

图9为所述第一衰减开关的侧视图；

图10为双弹性梁双触点开关示意图；

图11为三弹性梁三触点开关示意图；

图12为衰减模块示意图。

图中所示，附图标记清单如下：1-衬底、2-第一信号线、3-第二信号线、4-第三信号线、5-第四信号线、6-第一引线、7-第二引线、8-第三引线、9-第四引线、10-第四地线、11-第五地线、12-第六地线、13-第七地线、14-第一地线、15-第二地线、16-第三地线、17-第一转角、18-第二转角、19-第三转角、20-第四转角、21-衰减模块、22-第一T型结、23-第二T型结、24-第一衰减开关、25-第二衰减开关、26-第一短路开关、27-第二短路开关、28-第一空气桥、29-第二空气桥、30-第三空气桥、31-第四空气桥、32-第五空气桥、33-第六空气桥、34-第一上电极、35-第一锚点、36-第二锚点、37-第一弹性梁、38-第一触点、39-第一驱动电极、40-第二上电极、41-第三锚点、42-第四锚点、43-第二弹性梁、44-第二触点、45-第二驱动电极、46-第三上电极、47-第五锚点、48-第六锚点、49-第三弹性梁、50-第三触点、51-第三驱动电极、52-第四上电极、53-第七锚点、54-第八锚点、55-第四弹性梁、56-第四触点、57-第四驱动电极、58-左固定锚点、59-左弹性梁、60-右弹性梁、61-左触点、62-右触点

具体实施方式：

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组合或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，本发明实施例的描述过程中，所有图中的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等器件位置关系，均以图1为标准。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。

如图1、2、3、4所示，本发明主要由第一衰减开关、第二衰减开关、第一短路开关、第二短路开关、衬底、微波传输线、衰减模块、空气桥构成；在衬底1上分别设有第一信号线2、第二信号线3、第三信号线4、第四信号线5、第一引线6、第二引线7、第三引线8、第八引线9、第四地线10、第五地线11、第六地线12、第七地线13、第一地线14、第二地线15、第三地线16、第一驱动电极39、第二驱动电极45、第三驱动电极51、第四驱动电极57以及第一T型结22、第二T型结23；在第一信号线2和第一T型结22、第二T型结23之间分别设有第一衰减开关24、第二衰减开关25，在第二信号线3和第一T型结22、第二T型结23之间分别设有第一短路开关26、第二短路开关27。

所述第一衰减开关24、第二衰减开关25、衰减模块21以及信号线构成的衰减通道，第一短路开关26、第二短路开关27和信号线构成的短路通道。

在所述第一衰减开关24、第二衰减开关25同时导通时，信号依次通过第一衰减开关24、衰减模块21、第二衰减开关25后，将经过衰减处理的信号输出；在所述第一短路开关26与所述第二短路27开关同时导通时，输入信号依次经过第一短路开关26、及第二短路开关27，将没有经过衰减处理的信号输出。通过在驱动电极施加电压来控制开关的导通与断开，进而控制衰减器是否对通过的信号进行衰减处理。

如图7、8、9所示，所述第一衰减开关24包括第一驱动电极39、第一锚点35、第二锚点36、第一上电极34、第一触点38、第一弹性梁37；所述第一衰减开关24包括第一驱动电极39、第一锚点35、第二锚点36、第一上电极34、第一触点38、第一弹性梁37；所述第一上电极34通过第一锚点35固定在第一信号线2上，所述第一弹性梁37通过第二锚点36固定在第一T型结22上，所述第一弹性梁37接近第一上电极34的一端固定有第一触点38。所述第一驱动电极39位于第一信号线线2和第一T型结22之间的空隙，下表面与衬底接触，上表面与所述第一上电极34相对。

所述第一引线6与所述第一驱动电极39相连，穿过第三地线16与第四地线10之间的缝隙，与外界相连。

当所述第一驱动电极39上有驱动电压时，所述第一上电极34受静电力的作用向下运动与第一触点38接触。在接触过程中，弹性梁会向下弯曲，起到缓冲作用，减小第一上电极快速下拉时对触点产生的撞击力，从而保护上电极和触点，延长开关寿命。

所述第一上电极39上设置有通孔阵列，通孔阵列可提高的牺牲层的释放效率，使得所述射频MEMS开关的制备工艺更加简单，并大幅度提高其使用寿命。

如图10图11所示，第一衰减开关采用悬臂梁和触点构成的下电极，悬臂梁的个数包含一个但不仅限于一个，还可以两个、三个等，触点的个数和悬臂梁个数一致。

所述微波传输线CPW包括第一信号线2、第二信号线3、第三信号线4、第四信号线5和第一地线14、第二地线15、第三地线16、第四地线10、第五地线11、第六地线12、第七地线13。所述第二地线15的形状类似矩形，信号线和其他地线分别构成一个未闭合的矩形环，套在第二地线15上，第二地线15以及信号线和其他地线构成的矩形环的四个转角处分别裁剪掉一个等腰直角三角形，之后形成的第一转角17、第二转角18、第三转角19、第四转角20为一个45°等腰直角结构。

在所述微波传输线CPW的直角转角裁掉一个等腰直角三角形时，所述信号线宽度变小，信号线与地线得间距变大，导体损耗常数变小，因此插入损耗减小，提升所述衰减器的微波性能。

如图12所示，衰减模块21是由氮化坦方块薄膜电阻构成的π形衰减模块或T型衰减模块,结构简单，性能良好，可以通过改变方块电阻的阻值来改变衰减量。

本发明可作为多比特位衰减器中的一个衰减单元，若将若干个结构相似衰减量不同的衰减单元串联起来，每个衰减单元都可以选择对信号处理或不处理，那么若干个衰减单元共同作用，多比特位衰减器就可以实现不同幅度的信号衰减。

Claims (9)

1.一种直板型单刀单掷开关单片集成衰减器，其特征在于，所述射频衰减器包括：

衬底，所述衬底为所述射频衰减器的基座承载体；

两个T型结，两个所述T型结根据衬底通过中心点的轴线上对称设置，所述T型结具有两个处在同一直线上的平行端及一个垂直端，其中两个所述T型结位置相对的两个平行端之间构成一个衰减通道，另外两个所述T型结位置相对的两个平行端之间构成一个短路通道；

在衰减通道上依次布置有第一衰减开关、衰减模块及第二衰减开关；

在短路通道上依次布置有第一短路开关、及第二短路开关；

所述第一衰减开关、第二衰减开关、第一短路开关及第二短路开关均采用直板型上电极及带悬臂梁单触点结构的下电极。

2.根据权利要求1所述的一种直板型单刀单掷开关单片集成衰减器，其特征在于，所述第一衰减开关、第二衰减开关、第一短路开关及第二短路开关均包括：

上电极，所述上电极为直板型结构，所述上电极一端通过锚点固定在所述信号线上，所述上电极中部及另一端延伸于所述衬底水平面上方；

所述上电极为一个长方体；

下电极，所述下电极包括悬臂梁和触点，所述悬臂梁一端通过锚点固定在信号线上，另一端延伸于所述衬底水平面上方，置于所述上电极另一端竖直下方，并于面向所述上电极的一端设置有触点；

驱动电极，所述驱动电极置于所述固定上电极的信号线及固定悬臂梁悬的信号线之间，并所述上电极与所述驱动电极对应的位置上设置有释放孔阵列。

引线，所述引线设置在衬底上，与驱动电极相连。

3.根据权利要求2所述的一种直板型单刀单掷开关单片集成衰减器，其特征在于，在衰减通道上，所述衰减模块两端均通过所述信号线与所述下电极连接；

在所述短路通道上，两个下电极通过另一信号线连接。

4.根据权利要求3所述的一种直板型单刀单掷开关单片集成衰减器，其特征在于，所述第一衰减开关、衰减模块、第二衰减开关、第一短路开关及第二短路开关通过信号线整体构成未闭合的框架；

在所述框架内侧及外侧均设置有地线。

5.根据权利要求4所述的一种直板型单刀单掷开关单片集成衰减器，其特征在于，所述框架的信号线以及内外侧的地线四个转角处均具有一等腰三角形的缺口。

6.根据权利要求4所述的一种直板型单刀单掷开关单片集成衰减器，其特征在于，在所述框架内侧及外侧的地线上架设有空气桥。

7.根据权利要求2所述的一种直板型单刀单掷开关单片集成衰减器，其特征在于，所述释放孔阵列包括多个呈阵列状布置的释放孔；

所述释放孔阵列包括3-4排；任意一排的释放孔数量为6-10个；

所述释放孔直径大小为6-10μm，纵向或横向任意相近两个释放孔之间间距为10-20μm。

8.根据权利要求4所述的一种直板型单刀单掷开关单片集成衰减器，其特征在于将开关和衰减模块单片集成。

9.根据权利要求4所述的一种直板型单刀单掷开关单片集成衰减器，其特征在于所述衰减模块材料包含但不仅限于氮化坦。