CN110768643A - 一种基于射频微机电结构的电控阻抗调配芯片及微波系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于射频微机电(RF‑MEMS)结构的电控阻抗调配芯片，包括芯片衬底、MEMS阻抗调配器，所述MEMS阻抗调配器设计制作在芯片衬底上；所述MEMS阻抗调配器包括马达型阻抗调配器或开关型阻抗调配器；所述马达型阻抗调配器包括微型机电装置、中心导体，所述微型机电装置包括具有射频微机电结构的微型马达、微波探针，所述微型马达驱动微波探针沿中心导体的轴向移动或沿中心导体的垂直方向移动。并提出了一种基于射频微机电结构的电控阻抗调配微波系统，典型应用案例包括功率放大器、收发模块。这样的设计，实现了具有阻抗调配器结构的微波系统的集成化和小型化，提高了使用MEMS阻抗调配器系统的工作带宽和多通道适应性，增强了工作温区的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及电子元器件领域，特别是涉及一种基于射频微机电结构的电控阻抗调配芯片及微波系统。
背景技术
阻抗调配器是大功率微波应用系统中的重要器件。现有技术实现的阻抗调配器有两种方案：一种是基于机械结构的电控阻抗调配器，另一种是基于可调配电感电容电阻等分立元件的阻抗调配器。
基于机械结构的电控阻抗调配器采用机械马达驱动探针进行阻抗调配，基于可调配电感电容电阻等分立元件的阻抗调配器通过调节构成阻抗匹配网络的电感、电容、电阻的量值，实现阻抗调配。无论是哪一种阻抗调配方式，还是其在微波系统中的应用，存在如下问题：
1.体积大，重量高，可靠性欠佳。根据电磁波原理，频率越低，波长越长，因此覆盖频率越低的阻抗调配器，达到180°相位调配所需要的调配距离也越大。举例而言，常用的覆盖(0.8～18)GHz的阻抗调配器，调配距离超过30cm，重量超过10kg。由于采用机械马达，需要定期保养，可靠性差，不能满足无人值守工作条件，以及高可靠性应用场合要求。
2.谐波阻抗调配实现困难，体积、重量进一步增加。现有技术实现的基于机械结构的电控阻抗调配器采用多个机械马达驱动多个阻抗调配探头进行协同阻抗调配，实现基波、二次谐波、三次及以上谐波的阻抗调配。多个马达和阻抗调配探头使体积、重量、控制及测量软件复杂度进一步提升，可靠性进一步下降。距离而言，3次谐波阻抗调配器需要3个机械马达协同调配，重量增加了30％以上，可靠性大大下降。
3.阻抗调配精度不高。可调配电感、电容、电阻等分立元件通常工作在非线性区，元件电性能随控制电压变化非线性，且变化灵敏，温度相关，难以实现高精度稳定调配。
4.阻抗调配范围有限，难以实现相移尤其是需要真实延时的应用难以满足。现有技术的可调配电感、电容、电阻等分立元件的调配范围都是非常有限的，因此在此基础上构成的阻抗调配网络的调配范围也是非常有限的，在大阻抗调配应用需求中，通常需要多级阻抗调配网络实现。可调配电感、电容、电阻等分立元件可以在一定范围内产生相移，但毕竟不是真实相移器件，难以满足某些需要真实延时测应用需求。
5.效率优化能力不足，难以稳定工作。由于现有技术的可调配电感、电容、电阻等分立元件的调配范围都是非常有限的，构成的阻抗调配网络的调配范围也是非常有限的。在高效率功放设计中应用时，往往存在阻抗调配范围不够的问题，需要多级阻抗调配网络实现，又会导致回损、插损等其他损耗增加，制约效率提升。可调配电感、电容、电阻等分立元件通常工作在非线性区，元件电性能随控制电压变化非线性，且变化灵敏，温度相关，难以实现高精度稳定调配。因此基于现有分立元件技术实现的阻抗调配精度不高，难以稳定工作。而高效率功放通常会应用于4G/5G手机基站、航空航天等需要宽温度、长时间稳定工作的场合，现有技术构成的多赫蒂等高效率功放往往在稳定性、可靠性上难以达标。
6.毫米波性能不佳，工作带宽窄，局限于低频应用。基于现有分立元件技术实现的阻抗调配网络难以实现宽带工作。对多赫蒂等高效率功放而言，需要90°相位变换，以及阻抗变换。现有技术实现的多赫蒂等高效率功放通常采用1/4波长传输线实现，这种技术只针对一个频点有效，难以实现宽带工作。现有分立元件技术，由于可调配电感、电容、电阻等分立元件的频段限制，电控可调配阻抗匹配通常工作在2GHz以内，难以满足2GHz以上高频应用需求
7.难以集成在微波功放及通信系统中。例如，多赫蒂功放需要调配负载阻抗来获得高效率，但是由于机械阻抗调配器体积太大，是难以集成在产品及功放模块中的，只能在调试和测试过程中使用。再例如，收发(T/R)器件与相控阵系统中，需要对每一路的反射系数、阻抗以及相位差进行调配，但是由于机械阻抗调配器体积太大，是难以集成在模块及系统级产品中的，只能在调试和测试过程中使用。
发明内容
本发明的目的在于；针对现有技术的缺点和不足，提出一种基于射频微机电结构的电控阻抗调配芯片及微波系统，通过采用基于射频微机电结构的马达型阻抗调配器或开关型阻抗调配器实现电控阻抗的调配，实现了具有阻抗调配器结构的微波系统的集成化和小型化，提高了使用MEMS阻抗调配器系统的工作带宽和多通道适应性，增强了MEMS阻抗调配器工作温区的宽温度、高可靠性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于射频微机电结构的电控阻抗调配芯片，包括芯片衬底、MEMS阻抗调配器，所述MEMS阻抗调配器设计制作在芯片衬底上；所述MEMS阻抗调配器包括马达型阻抗调配器或开关型阻抗调配器；所述马达型阻抗调配器包括微型机电装置、中心导体，所述微型机电装置包括具有射频微机电结构的微型马达、微波探针，所述微型马达驱动微波探针沿中心导体的轴向移动或沿中心导体的垂直方向移动。
上述电控阻抗调配芯片是在裸芯片的衬底上设计加工实现基于射频微机电(RF-MEMS)结构的MEMS阻抗调配器，MEMS阻抗调配器有多种结构，比较典型的是马达型阻抗调配器、开关型阻抗调配器。
上述结构，不但可以在GaAs的芯片衬底上实现，也可以在GaN、InP、体硅CMOS-RF、SOI-RF等其他半导体材料的芯片衬底上实现。其实现方式不是采用传统体金属机械加工方式，而是采用射频微机电结构在芯片衬底上加工形成，通常采用光刻、腐蚀、薄膜、激光加工(LIGA)、硅/非硅微加工、精密机械加工等技术制作加工而成，这样便在芯片尺度上实现具备运动功能的微型化机械系统，实现了阻抗和相位可调配电路的集成化、宽频带、多通道和高可靠性能。
由于MEMS阻抗调配器的工作带宽仅受限于中心导体，而芯片实现的中心导体工作频率可以超过100GHz，因此这种结构的MEMS阻抗调配器工作频率也可以达到100GHz以上。在本方案提出的MEMS阻抗调配器集成的功放、收发TR模块、相控阵系统等均可以工作在高频段，典型地，例如5G移动通信的低于6GHz(sub6GHz)和高于20GHz(毫米波mmW)两个频段。
进一步地，所述中心导体为微带传输线、共面波导传输线或/和微波腔体。
进一步地，所述微带传输线为在芯片衬底上单独设置的用于传输信号的金属层导线；所述共面波导传输线为在两侧设有地线的中心信号传输线；所述微波腔体为在芯片衬底上通过MEMS工艺加工出的可传输微波信号的直线深凹槽。
上述中心导体将根据电路及芯片的不同应用和功能需求，分别选用上述三种结构形成或组合形成地使用。其中，共面波导传输线抗干扰能力优于普通微带传输线，而微波腔体可以容纳更高的功率以及在更高的频率段工作。
进一步地，所述微波探针设置为接地或悬空；所述微波探针沿中心导体的轴向移动时可调配相位，微波探针沿中心导体的垂直方向移动时可调配阻抗绝对值或反射系数。
在微型机电装置中，微型马达具有换能装置，可以将电能转换为微型马达的动能，驱动微波探针做各种运动。本方案中，当微型马达驱动微波探针沿中心导体的轴向移动时，电路端口呈现的相位可调配；当微波探针沿中心导体的垂直方向移动时，电路端口呈现的阻抗绝对值或反射系数可调配，优选的垂直移动方向为沿中心导体的上下垂直方向。
进一步地，在所述芯片衬底上设置若干个可协同阻抗调配的微型机电装置，实现基波、二次谐波、三次及以上谐波的阻抗或相位调配。
由于微型机电装置是基于射频微机电结构，而微机电结构的装置是指那些外形轮廓尺寸在毫米量级以下，构成元件是微米量级的可控制、可运动的微型机电装置，因此微型马达和微波探头均可达到毫米级甚至更小的微米级大小，从而可以在芯片上采用增加多个微型马达及微波探头，实现多级阻抗调配网络结构，从而实现对基波、二次谐波、三次及以上谐波的阻抗或相位进行有效的调配。
进一步地，所述开关型阻抗调配器包括MEMS开关、信号传输线、阻抗调配单元，在信号输入、输出端各设置一个MEMS开关，在所述两个MEMS开关之间并联若干组信号传输线和阻抗调配单元串联形成的组件；所述阻抗调配单元为所述马达型阻抗调配器，或/和可调配的电阻电感电容阵列，或/和可调配的有源晶体管阵列。
当MEMS阻抗调配器采用开关型阻抗调配器结构时，在两个MEMS开关之间可以并联若干组信号传输线和阻抗调配单元串联形成的组件，每一组信号传输线和阻抗调配单元串联形成的组件形成一路电路信号，而不同电路上的信号传输线可以设计成为具有不同的延时结构，通过输入端的MEMS开关选择不同通路，实现不同延时。同时，同一电路上的阻抗调配单元进行阻抗和相位的调配。在完成相位及阻抗调配后，再由输出端的MEMS开关切换到输出通道。
上述阻抗调配单元可以采用马达型阻抗调配器、可调配的电阻电感电容阵列、可调配的有源晶体管阵列当中的任一种结构或者配合使用，获得更加灵活，范围更大的阻抗调配效果。所述马达型阻抗调配器即为前述设计的MEMS阻抗调配器，而可调配的电阻电感电容阵列、可调配的有源晶体管阵列是现有技术在电控阻抗调配芯片上的应用。采用可调配的电阻电感电容阵列可以获得不同的阻抗调配效果，采用可调配的有源晶体管阵列时，可以利用这些晶体管的输出在目标载波功放的输入或输出端馈入微波信号，形成有源负载牵引。
进一步地，所述MEMS阻抗调配器与外围驱动电路可封装级或芯片级集成，所述封装级集成包括同质芯片或异质芯片封装集成。
上述外围驱动电路包括控制电路、电源电路、功放、滤波器、天线调配器、可调配电感、电容等。这些外围电路可通过射频封装RF-SiP等技术，实现同质或异质芯片的封装级集成，甚至是芯片级集成。
一种基于射频微机电结构的电控阻抗调配微波系统，包括多赫蒂功放微波系统或TR收发模块及相控阵微波系统；所述多赫蒂功放微波系统包括功分器、合路器、载波功放、峰值功放、MEMS阻抗调配器；在所述功分器与合路器之间并联一个载波功放和若干个峰值功放，在所述载波功放与合路器之间串联一个所述MEMS阻抗调配器，在每一个峰值功放与功分器之间串联一个所述MEMS阻抗调配器。
上述多赫蒂功放微波系统通过将MEMS阻抗调配器取代现有技术中的1/4波长传输线，既可以片上集成，也可以异质芯片封装集成，提高了高效率功放的集成度，性能得到有效提高。所述MEMS阻抗调配器既采用马达型阻抗调配器，也可采用MEMS开关切换不同的可调配电阻电感电容阵列或/和可调配有源晶体管阵列进行实现，这样在目标载波功放的输入或输出端形成不同的阻抗环境，形成不同的有源负载牵引效果，在此基础上实现多赫蒂或F类等功放的高效率工作。此外，微波系统从输入、输出信号中通过耦合器等结构取出一部分信号进行分析，根据需要动态设置阻抗环境，使得功放等微波模块及系统可以动态阻抗调配，优化系统性能。
进一步地，所述TR收发模块及相控阵微波系统包括若干个MEMS阻抗调配器；所述MEMS阻抗调配器单通道连接至TR收发模块及相控阵电路中，或者多通道串联或/和并联连接至TR收发模块及相控阵电路中，形成具有射频微机电结构的电控阻抗调配阵列。
上述应用当中，通过在单通道连接使用MEMS阻抗调配器或者在多通道连接使用MEMS阻抗调配器，形成射频微机电结构电控阻抗调配阵列。而这样的MEMS阻抗调配器可采用马达型阻抗调配器或开关型阻抗调配器，在芯片或电路板上进行实现，能够方便地做成多路工作结构，且体积仍然满足小型化应用需求。典型地，采用微型马达实现的Si硅基阻抗调配及移相器，可以实现单芯片8路以上TR收发单元和相关相控阵系统的需求。
特别地，在通过MEMS开关切换不同的传输线阵列时，可获得不同的移相和延时效果。这种方式特别适合于不仅仅需要移相，且需要真实延时的应用场合，例如，TR收发模块及相控阵微波系统。具体地，微机电MEMS开关切换不同的传输线阵列在不同的相控阵通道中实现可调的时延差，并根据天线的不同工作状态调配功放的输出阻抗，实现智能天线所需的动态滤波和动态阻抗调配。上述实现可以进一步简化的“移相匹配电路”设计。“移相匹配电路”在多赫蒂等功放、TR收发模块、相控阵系统设计中是决定性能的关键部分。利用上述MEMS阻抗调配器可以实现通道间功率分配因子和相位差可调，进而可以部分或全部代替“移相匹配电路”。而且可以根据输入信号特性动态调配功分器/合路器的通道间功率分配因子和相位差，进一步提升性能。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1.采用将基于射频微机电结构的MEMS阻抗调配器应用于芯片上，便于与系统中其他外围电路进行集成，实现了具有阻抗调配器结构的微波系统的集成化和小型化；
2.由于采用微型马达驱动微波探针沿着中心导体或垂直于中心导体移动实现阻抗及相位的调配，系统实现带宽仅受限于中心导体的设计，而中心导体的工作频率可以超过100GHz，因此本结构的MEMS阻抗调配器的工作频率也能达到100GHz以上，大大提高了具有MEMS阻抗调配器应用系统的工作带宽；
3.由于将MEMS阻抗调配器与电路进行单通道或多通道连接，形成电控阻抗调配阵列，实现了阻抗和相位调配的多路工作，提高了系统多通道的适应性；
4.由于MEMS阻抗调配器采用微型马达驱动微波探针移动进行阻抗和相位调配，在实现上没有非线性问题，提高了MEMS阻抗调配器工作温区的宽温度、高可靠性能。
附图说明
图1为基于射频微机电结构的马达型阻抗调配器的结构示意图；
图2为基于射频微机电结构的开关型阻抗调配器的结构示意图；
图3为基于射频微机电结构的多赫蒂功放微波系统的结构示意图；
图4为基于射频微机电结构的TR收发模块及相控阵微波系统的结构示意图。
图中标记：1-芯片衬底，2-微型机电装置，3-中心导体。
具体实施方式
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说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1和2所示，一种基于射频微机电结构的电控阻抗调配芯片，包括芯片衬底1、MEMS阻抗调配器，所述MEMS阻抗调配器设计制作在芯片衬底1上；所述MEMS阻抗调配器包括马达型阻抗调配器或开关型阻抗调配器；所述马达型阻抗调配器包括微型机电装置2、中心导体3，所述微型机电装置2包括具有射频微机电结构的微型马达、微波探针，所述微型马达驱动微波探针沿中心导体3的轴向移动或沿中心导体3的垂直方向移动。
上述电控阻抗调配芯片是在裸芯片的衬底上设计加工实现基于射频微机电(RF-MEMS)结构的MEMS阻抗调配器，MEMS阻抗调配器有多种结构，比较典型的是马达型阻抗调配器、开关型阻抗调配器。
上述结构，不但可以在GaAs的芯片衬底上实现，也可以在GaN、InP、体硅CMOS-RF、SOI-RF等其他半导体材料的芯片衬底上实现。其实现方式不是采用传统体金属机械加工方式，而是采用射频微机电结构在芯片衬底上加工形成，通常采用光刻、腐蚀、薄膜、激光加工(LIGA)、硅/非硅微加工、精密机械加工等技术制作加工而成，这样便在芯片尺度上实现具备运动功能的微型化机械系统，实现了阻抗和相位可调配电路的集成化、宽频带、多通道和高可靠性能。
由于MEMS阻抗调配器的工作带宽仅受限于中心导体，而芯片实现的中心导体工作频率可以超过100GHz，因此这种结构的MEMS阻抗调配器工作频率也可以达到100GHz以上。在本方案提出的MEMS阻抗调配器集成的功放、收发TR模块、相控阵系统等均可以工作在高频段，典型地，例如5G移动通信的低于6GHz(sub6GHz)和高于20GHz(毫米波mmW)两个频段。
进一步地，所述中心导体3为微带传输线、共面波导传输线或/和微波腔体。
进一步地，所述微带传输线为在芯片衬底1上单独设置的用于传输信号的金属层导线；所述共面波导传输线为在两侧设有地线的中心信号传输线；所述微波腔体为在芯片衬底1上通过MEMS工艺加工出的可传输微波信号的直线深凹槽。
上述中心导体将根据电路及芯片的不同应用和功能需求，分别选用上述三种结构形成或组合形成地使用。其中，共面波导传输线抗干扰能力优于普通微带传输线，而微波腔体可以容纳更高的功率以及在更高的频率段工作。
进一步地，所述微波探针设置为接地或悬空；所述微波探针沿中心导体3的轴向移动时可调配相位，微波探针沿中心导体3的垂直方向移动时可调配阻抗绝对值或反射系数。
在微型机电装置中，微型马达具有换能装置，可以将电能转换为微型马达的动能，驱动微波探针做各种运动。本方案中，当微型马达驱动微波探针沿中心导体的轴向移动时，电路端口呈现的相位可调配；当微波探针沿中心导体的垂直方向移动时，电路端口呈现的阻抗绝对值或反射系数可调配，优选的垂直移动方向为沿中心导体的上下垂直方向。
进一步地，在所述芯片衬底1上设置若干个可协同阻抗调配的微型机电装置2，实现基波、二次谐波、三次及以上谐波的阻抗或相位调配。
由于微型机电装置是基于射频微机电结构，而微机电结构的装置是指那些外形轮廓尺寸在毫米量级以下，构成元件是微米量级的可控制、可运动的微型机电装置，因此微型马达和微波探头均可达到毫米级甚至更小的微米级大小，从而可以在芯片上采用增加多个微型马达及微波探头，实现多级阻抗调配网络结构，从而实现对基波、二次谐波、三次及以上谐波的阻抗或相位进行有效的调配。
实施例2
如图2所示，在实施例1的基础上提出了实现MEMS阻抗调配器的另一个结构类型---开关型阻抗调配器。所述开关型阻抗调配器包括MEMS开关、信号传输线、阻抗调配单元，在信号输入、输出端各设置一个MEMS开关，在所述两个MEMS开关之间并联若干组信号传输线和阻抗调配单元串联形成的组件；所述阻抗调配单元为所述马达型阻抗调配器，或/和可调配的电阻电感电容阵列，或/和可调配的有源晶体管阵列。
当MEMS阻抗调配器采用开关型阻抗调配器结构时，在两个MEMS开关之间可以并联若干组信号传输线和阻抗调配单元串联形成的组件，每一组信号传输线和阻抗调配单元串联形成的组件形成一路电路信号，而不同电路上的信号传输线可以设计成为具有不同的延时结构，通过输入端的MEMS开关选择不同通路，实现不同延时。同时，同一电路上的阻抗调配单元进行阻抗和相位的调配。在完成相位及阻抗调配后，再由输出端的MEMS开关切换到输出通道。
上述阻抗调配单元可以采用马达型阻抗调配器、可调配的电阻电感电容阵列、可调配的有源晶体管阵列当中的任一种结构或者配合使用，获得更加灵活，范围更大的阻抗调配效果。所述马达型阻抗调配器即为前述设计的MEMS阻抗调配器，而可调配的电阻电感电容阵列、可调配的有源晶体管阵列是现有技术在电控阻抗调配芯片上的应用。采用可调配的电阻电感电容阵列可以获得不同的阻抗调配效果，采用可调配的有源晶体管阵列时，可以利用这些晶体管的输出在目标载波功放的输入或输出端馈入微波信号，形成有源负载牵引。
进一步地，所述MEMS阻抗调配器与外围驱动电路可封装级或芯片级集成，所述封装级集成包括同质芯片或异质芯片封装集成。
上述外围驱动电路包括控制电路、电源电路、功放、滤波器、天线调配器、可调配电感、电容等。这些外围电路可通过射频封装RF-SiP等技术，实现同质或异质芯片的封装级集成，甚至是芯片级集成。
实施例3
如图3所示，在实施例1和2的基础上，实现了一种基于射频微机电结构的电控阻抗调配微波系统，包括多赫蒂功放微波系统或TR收发模块及相控阵微波系统；所述多赫蒂功放微波系统包括功分器、合路器、载波功放、峰值功放、MEMS阻抗调配器；在所述功分器与合路器之间并联一个载波功放和若干个峰值功放，在所述载波功放与合路器之间串联一个所述MEMS阻抗调配器，在每一个峰值功放与功分器之间串联一个所述MEMS阻抗调配器。
上述多赫蒂功放微波系统通过将MEMS阻抗调配器取代现有技术中的1/4波长传输线，既可以片上集成，也可以异质芯片封装集成，提高了高效率功放的集成度，性能得到有效提高。所述MEMS阻抗调配器既采用马达型阻抗调配器，也可采用MEMS开关切换不同的可调配电阻电感电容阵列或/和可调配有源晶体管阵列进行实现，这样在目标载波功放的输入或输出端形成不同的阻抗环境，形成不同的有源负载牵引效果，在此基础上实现多赫蒂或F类等功放的高效率工作。此外，微波系统从输入、输出信号中通过耦合器等结构取出一部分信号进行分析，根据需要动态设置阻抗环境，使得功放等微波模块及系统可以动态阻抗调配，优化系统性能。
实施例4
如图4所示，在实施例1、2和3的基础上，进一步地，所述TR收发模块及相控阵微波系统包括若干个MEMS阻抗调配器；所述MEMS阻抗调配器单通道连接至TR收发模块及相控阵电路中，或者多通道串联或/和并联连接至TR收发模块及相控阵电路中，形成具有射频微机电结构的电控阻抗调配阵列。
上述应用当中，通过在单通道连接使用MEMS阻抗调配器或者在多通道连接使用MEMS阻抗调配器，形成射频微机电结构电控阻抗调配阵列。而这样的MEMS阻抗调配器可采用马达型阻抗调配器或开关型阻抗调配器，在芯片或电路板上进行实现，能够方便地做成多路工作结构，且体积仍然满足小型化应用需求。典型地，采用微型马达实现的Si硅基阻抗调配及移相器，可以实现单芯片8路以上TR收发单元和相关相控阵系统的需求。
特别地，在通过MEMS开关切换不同的传输线阵列时，可获得不同的移相和延时效果。这种方式特别适合于不仅仅需要移相，且需要真实延时的应用场合，例如，TR收发模块及相控阵微波系统。具体地，微机电MEMS开关切换不同的传输线阵列在不同的相控阵通道中实现可调的时延差，并根据天线的不同工作状态调配功放的输出阻抗，实现智能天线所需的动态滤波和动态阻抗调配。上述实现可以进一步简化的“移相匹配电路”设计。“移相匹配电路”在多赫蒂等功放、TR收发模块、相控阵系统设计中是决定性能的关键部分。利用上述MEMS阻抗调配器可以实现通道间功率分配因子和相位差可调，进而可以部分或全部代替“移相匹配电路”。而且可以根据输入信号特性动态调配功分器/合路器的通道间功率分配因子和相位差，进一步提升性能。
具体实现时，将多赫蒂功放与天线及限幅电路、MEMS开关、MEMS滤波器阵列、低噪放、频段复用器等电路连接实现TR收发模块及相控阵微波系统。在如图4中的频段复用器与一个TR收发单元之间设置串联的两级MEMS阻抗调配结构，第一级为MEMS开关连接若干个MEMS滤波器阵列(即为一种可调配的有源晶体管阵列)，第二级为MEMS开关连接若干个MEMS阻抗调配器及MEMS滤波器阵列。上述结构在频段复用器、MEMS开关的选择下实现不同线路的电路进行延时、阻抗和相位的调配，满足不同应用的需求。在此基础上，再并联若干组TR收发单元与MEMS阻抗调配结构，实现具有电控阻抗调配功能的微波系统能够方便地多路工作，并且实现体积小型化的应用需求。例如，采用微型马达实现的Si硅基阻抗调配及移相器，可以实现单芯片8路以上TR收发单元及相控阵系统的需求。此外，本实施例中滤波器阵列采用了本发明提出的MEMS阻抗调配器实现，有效取代了使用现有技术的声表面波SAW或体声波BAW实现阻抗调配的功能。这样，根据开关需求设置不同阻抗环境，并在不同收发TR通道间形成不同的延时。
上述基于射频微机电(RF-MEMS)结构的电控阻抗调配芯片及其微波系统，具有小型化、低成本、高可靠、可芯片级或封装级集成，并且相位及阻抗可大范围调配等优点，在功放、5G移动通信、相控阵T/R器件及系统、负载牵引测试系统等领域有广泛应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，皆应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于射频微机电结构的电控阻抗调配芯片，其特征在于：包括芯片衬底(1)、MEMS阻抗调配器，所述MEMS阻抗调配器设计制作在芯片衬底(1)上；所述MEMS阻抗调配器包括马达型阻抗调配器或开关型阻抗调配器；所述马达型阻抗调配器包括微型机电装置(2)、中心导体(3)，所述微型机电装置(2)包括具有射频微机电结构的微型马达、微波探针，所述微型马达驱动微波探针沿中心导体(3)的轴向移动或沿中心导体(3)的垂直方向移动。
2.如权利要求1所述的一种基于射频微机电结构的电控阻抗调配芯片，其特征在于：所述中心导体(3)为微带传输线、共面波导传输线或/和微波腔体。
3.如权利要求2所述的一种基于射频微机电结构的电控阻抗调配芯片，其特征在于：所述微带传输线为在芯片衬底(1)上单独设置的用于传输信号的金属层导线；所述共面波导传输线为在两侧设有地线的中心信号传输线；所述微波腔体为在芯片衬底(1)上通过MEMS工艺加工出的可传输微波信号的直线深凹槽。
4.如权利要求3所述的一种基于射频微机电结构的电控阻抗调配芯片，其特征在于：所述微波探针设置为接地或悬空；所述微波探针沿中心导体(3)的轴向移动时可调配相位，微波探针沿中心导体(3)的垂直方向移动时可调配阻抗绝对值或反射系数。
5.如权利要求4所述的一种基于射频微机电结构的电控阻抗调配芯片，其特征在于：在所述芯片衬底(1)上设置若干个可协同阻抗调配的微型机电装置(2)，实现基波、二次谐波、三次及以上谐波的阻抗或相位调配。
6.如权利要求5所述的一种基于射频微机电结构的电控阻抗调配芯片，其特征在于：所述开关型阻抗调配器包括MEMS开关、信号传输线、阻抗调配单元，在信号输入、输出端各设置一个MEMS开关，在所述两个MEMS开关之间并联若干组信号传输线和阻抗调配单元串联形成的组件；所述阻抗调配单元为所述马达型阻抗调配器，或/和可调配的电阻电感电容阵列，或/和可调配的有源晶体管阵列。
7.如权利要求6所述的一种基于射频微机电结构的电控阻抗调配芯片，其特征在于：所述MEMS阻抗调配器与外围驱动电路可封装级或芯片级集成，所述封装级集成包括同质芯片或异质芯片封装集成。
8.一种基于射频微机电结构的电控阻抗调配微波系统，其特征在于：包括多赫蒂功放微波系统或TR收发模块及相控阵微波系统；所述多赫蒂功放微波系统包括功分器、合路器、载波功放、峰值功放、如权利要求1至7任一项所述的MEMS阻抗调配器；在所述功分器与合路器之间并联一个载波功放和若干个峰值功放，在所述载波功放与合路器之间串联一个所述MEMS阻抗调配器，在每一个峰值功放与功分器之间串联一个所述MEMS阻抗调配器。
9.如权利要求8所述的一种基于射频微机电结构的电控阻抗调配微波系统，其特征在于：所述TR收发模块及相控阵微波系统包括若干个如权利要求1至7任一项所述的MEMS阻抗调配器；所述MEMS阻抗调配器单通道连接至TR收发模块及相控阵电路中，或者多通道串联或/和并联连接至TR收发模块及相控阵电路中，形成具有射频微机电结构的电控阻抗调配阵列。
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