CN110780252B - 一种基于单刀双掷开关级联的电子校准件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子校准件技术领域，具体涉及一种基于单刀双掷开关级联的电子校准件，包括衬底，所述衬底表面上设置有微波传输组件，所述衬底表面上设置有50Ω/75Ω负载，所述微波传输组件与50Ω/75Ω负载连接；所述微波传输组件包括对称设置的信号线单元、设置在信号线单元周侧的地线单元、设置在信号线单元所连接开关结构下方的驱动电极。本发明具有结构简单，体积小，直通插入损耗小，各个校准状态性能优越等特点。从微波传输角度来讲，射频MEMS单刀双掷开关网络更为高效，改善了单个支路的信号干扰，提高了开关各支路之间的传输性能。本发明用于矢量网络分析仪的精准校准。
Description
技术领域
本发明属于电子校准件技术领域，具体涉及一种基于单刀双掷开关级联的电子校准件。
背景技术
电子校准件作为矢量网络分析仪校准的重要器件，它的性能影响着微波电路的测试的性能。与传统校准件相比，具有频率高、损耗低、体积小、寿命高、易于集成等卓越的优点。对高速率无线通信系统有着重要意义。
校准件按其校准方法可分为机械校准件和电子校准件。机械校准件通过依次连接矢量网络分析仪进行手动校准，在校准过程中对操作人员的技术要求高且容易引入了重复性误差。电子校准件采用自动化，操作速度快，受操作者影响小，因此电子校准件的应用越来越广泛。目前，对电子校准件开展研究的机构主要为国外安捷伦公司和国内中电科仪器仪表有限公司。例如中电科仪器仪表有限公司公开了一种基于多阻抗状态的矢量网络分析仪电子校准件（CN 109239636 A），采用MMIC（单片集成电路）技术将GaAs FET（场效应管）开关与电子标准状态芯片集成，提供开关的通断来实现不同标准状态的校准。但GaAs FET开关存在功耗大、体积大、线性度差等问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种切换快速、校准精确、实用性强的基于单刀双掷开关级联的电子校准件。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于单刀双掷开关级联的电子校准件，包括衬底，所述衬底表面上设置有微波传输组件，所述衬底表面上设置有50Ω/75Ω负载，所述微波传输组件与50Ω/75Ω负载连接；
所述微波传输组件包括对称设置的信号线单元、设置在信号线单元周侧的地线单元、设置在信号线单元所连接开关结构下方的驱动电极。
所述信号线单元采用T型信号线，所述T型信号线的外周侧延伸出三个条形端口，所述端口分别为输入端口、第一输出端口和第二输出端口；
所述T型信号线包括第一T型信号线、第二T型信号线、第三T型信号线、第四T型信号线、第五T型信号线，所述第一T型信号线的输入端口通过开关结构连接有第二T型信号线的第一输出端口，所述第二T型信号线的输入端口通过开关结构连接有第三T型信号线的第一输出端口，所述第三T型信号线的第二输出端口通过开关结构连接有第四T型信号线的输入端口，所述第四T型信号线的第二输出端口通过开关结构连接有第五T型信号线的输入端口。
所述地线单元包括第一地线和第二地线，所述第一地线分别设置在所述50Ω/75Ω负载端口的两侧，所述第二地线分别设置在输入端口和输出端口的夹角处。
所述第一T型信号线、第二T型信号线的第二输出端口与第四T型信号线、第五T型信号线的第一输出端口均通过开关结构连接在第二地线上，所述第五T型信号线的第二输出端口与第一T型信号线的第一输出端口分别通过开关结构连接有第一校准件端口和第二校准件端口。
所述开关结构包括悬臂梁、锚点和触点，所述锚点固定在第一输出端口和第二输出端口上，所述悬臂梁的一端固定在锚点上，所述信号线的输入端口、第二地线和校准件端口上均固定有触点，所述悬臂梁的另一端设置在触点的正上方，所述悬臂梁上设置有释放孔阵列。
所述释放孔阵列为3-5排、6-10列，所述释放孔直径大小为8-10μm，两个相近释放孔之间距离为15-25μm。
所述悬臂梁的正下方位置处设置有驱动电极，所述驱动电极固定在衬底上，所述驱动电极连接有引线，所述驱动电极面向悬臂梁的一面设置一层介质层。
所述介质层采用氮化硅和氧化铪。
所述第三T型信号线的输入端口连接有50Ω/75Ω负载，所述50Ω/75Ω负载与第三T型信号线的输入端口之间通过单片集成或混合集成方式连接。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
本发明由射频MEMS单刀双掷开关网络与50Ω/75Ω负载组合构成，具有结构简单，体积小，直通插入损耗小，各个校准状态性能优越等特点。从微波传输角度来讲，射频MEMS单刀双掷开关网络更为高效，改善了单个支路的信号干扰，提高了开关各支路之间的传输性能。本发明在0-20GHz工作频率范围内可进行开路、短路、直通和50Ω/75Ω四个端口的快速切换，有着较强的实用性，可实现矢量网络分析仪的精准校准。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明单刀双掷开关的结构示意图；
图3为本发明开关的结构示意图；
图4为本发明悬臂梁的结构示意图；
图5为本发明直通插损仿真图；
图6为本发明短路回波损耗仿真图；
图7为本发明开路回波损耗仿真图；
其中：1为衬底，2为50Ω/75Ω负载，3为信号线单元，4为地线单元，5为驱动电极，6为输入端口，7为第一输出端口，8为第二输出端口，9为开关结构，10为第一校准件端口，11为第二校准件端口，12为引线，13为介质层，3-1为第一T型信号线，3-2为第二T型信号线，3-3为第三T型信号线，3-4为第四T型信号线，3-5为第五T型信号线，4-1为第一地线，4-2为第二地线，9-1为悬臂梁，9-2为锚点，9-3为触点，9-4为释放孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于单刀双掷开关级联的电子校准件，如图1所示，包括衬底1，衬底表面上设置有微波传输组件，衬底表面上设置有50Ω/75Ω负载2，微波传输组件与50Ω/75Ω负载2连接；微波传输组件包括对称设置的信号线单元3、设置在信号线单元3周侧的地线单元4、设置在信号线单元3所连接开关结构9下方的驱动电极5。通过信号线单元3进行开路、短路、直通和50Ω/75Ω四个端口的快速切换，从而实现矢量网络分析仪的精准校准。
进一步，如图2所示，信号线单元3采用T型信号线，T型信号线的外周侧延伸出三个条形端口，端口分别为输入端口6、第一输出端口7和第二输出端口8；T型信号线包括第一T型信号线3-1、第二T型信号线3-2、第三T型信号线3-3、第四T型信号线3-4、第五T型信号线3-5，第一T型信号线3-1的输入端口6通过开关结构9连接有第二T型信号线3-2的第一输出端口7，第二T型信号线3-2的输入端口6通过开关结构9连接有第三T型信号线3-3的第一输出端口7，第三T型信号线3-3的第二输出端口8通过开关结构9连接有第四T型信号线3-4的输入端口6，第四T型信号线3-4的第二输出端口8通过开关结构9连接有第五T型信号线3-5的输入端口6。一个T型信号线和输出端口处的两个开关结构构成一个单刀双掷开关。
进一步，地线单元4包括第一地线4-1和第二地线4-2，第一地线4-1分别设置在50Ω/75Ω负载2端口的两侧，第二地线4-2分别设置在输入端口和输出端口的夹角处。
进一步，第一T型信号线3-1、第二T型信号线3-2的第二输出端口与第四T型信号线3-4、第五T型信号线3-5的第一输出端口7均通过开关结构9连接在第二地线4-2上，第五T型信号线3-5的第二输出端口8与第一T型信号线3-1的第一输出端口7分别通过开关结构9连接有第一校准件端口10和第二校准件端口11。当第一T型信号线3-1、第二T型信号线3-2第一输出端口7所连接的开关闭合且第二输出端口8所连接的开关打开，第三T型信号线3-3所连接的两个开关都打开时，校准件端口一10处于开路状态，可进行开路校准。第四T型信号线3-4、第五T型信号线3-5第一输出端口7所连接的开关闭合且第二输出端口8所连接的开关打开，第三T型信号线3-3所连接的两个开关都打开时，校准件端口二11处于开路状态，可进行开路校准。当第一T型信号线3-1、第二T型信号线3-2第一输出端口7和第二输出端口8所连接的开关闭合，第三T型信号线3-3所连接的两个开关都闭合时，校准件端口一10处于短路状态，可进行短路校准。第四T型信号线3-4、第五T型信号线3-5第一输出端口7和第二输出端口8所连接的开关闭合，第三T型信号线3-3所连接的两个开关都打开时，校准件端口二11处于处于短路状态，可进行短路校准。当第一T型信号线3-1、第二T型信号线3-2第一输出端口7所连接的开关闭合，第三T型信号线3-3所连接的两个开关都闭合且第四T型信号线3-4、第五T型信号线3-5第二输出端口8所连接的开关均闭合时，校准件处于直通状态，可进行直通校准。
进一步，如图3所示，开关结构包括悬臂梁9-1、锚点9-2和触点9-3，锚点9-2固定在第一输出端口7和第二输出端口8上，悬臂梁9-1的一端固定在锚点9-2上，信号线的输入端口6、第二地线4-2和校准件端口上均固定有触点9-3，悬臂梁9-1的另一端设置在触点9-3的正上方，如图4所示，悬臂梁9-1上设置有释放孔9-4阵列。
进一步，优选的，释放孔9-4阵列为3-5排、6-10列，释放孔9-4直径大小为8-10μm，两个相近释放孔9-4之间距离为15-25μm。
进一步，悬臂梁9-1的正下方位置处设置有驱动电极5，驱动电极5固定在衬底1上，驱动电极5连接有引线12，驱动电极5面向悬臂梁9-1的一面设置一层介质层13，驱动电极5通过引线12施加驱动电压，当驱动电极5上未施加驱动电压，驱动电极5不作用，悬臂梁9-1与触点9-3分离，开关处于断开状态。当驱动电压作用在驱动电极5上时，驱动电极5作用产生静电力使得悬臂梁9-1发生形变，从而与电极接触点9-3相接触，则开关处于开通状态。
进一步，优选的，介质层13采用氮化硅和氧化铪，此类材料相对介电常数较高，保证悬臂梁9-1与驱动电极5的隔离度。
进一步，第三T型信号线3-3的输入端口6连接有50Ω/75Ω负载2， 50Ω/75Ω负载2与第三T型信号线3-3的输入端口6之间通过单片集成或混合集成方式连接。50Ω/75Ω负载2的材料为TaN等稳定性好的负载材料，第三T型信号线3-3通过输入端口连接一个单刀单掷开关进行负载选通，实现各端口对于负载端口的校准。
本发明的工作流程为：当第一T型信号线3-1、第二T型信号线3-2第一输出端口7所连接的开关闭合且第二输出端口8所连接的开关打开，第三T型信号线3-3所连接的两个开关都打开时，校准件端口一10处于开路状态，可进行开路校准。第四T型信号线3-4、第五T型信号线3-5第一输出端口7所连接的开关闭合且第二输出端口8所连接的开关打开，第三T型信号线3-3所连接的两个开关都打开时，校准件端口二11处于开路状态，可进行开路校准。当第一T型信号线3-1、第二T型信号线3-2第一输出端口7和第二输出端口8所连接的开关闭合，第三T型信号线3-3所连接的两个开关都闭合时，校准件端口一10处于短路状态，可进行短路校准。第四T型信号线3-4、第五T型信号线3-5第一输出端口7和第二输出端口8所连接的开关闭合，第三T型信号线3-3所连接的两个开关都打开时，校准件端口二11处于处于短路状态，可进行短路校准。当第一T型信号线3-1、第二T型信号线3-2第一输出端口7所连接的开关闭合，第三T型信号线3-3所连接的两个开关都闭合且第四T型信号线3-4、第五T型信号线3-5第二输出端口8所连接的开关均闭合时，校准件处于直通状态，可进行直通校准。第三T型信号线3-3通过输入端口连接一个单刀单掷开关进行负载选通，实现各端口对于负载端口的校准。
实施例
图5为本发明校准件端口一、校准件端口二直通插损，从图中可以看出电子校准件在0-20Ghz的频率范围内，直通插入损耗约为0.28dB。
图6为本发明校准件短路状态时的回拨损耗，从图中可以看出电子校准件在0-20Ghz的频率范围内，短路的回波损耗约为0.18dB。
图7为本发明校准件开路状态时的回拨损耗，从图中可以看出电子校准件在0-20Ghz的频率范围内，开路的回波损耗约为0.034dB。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于单刀双掷开关级联的电子校准件，其特征在于：包括衬底(1)，所述衬底表面上设置有微波传输组件，所述衬底表面上设置有50Ω/75Ω负载(2)，所述微波传输组件与50Ω/75Ω负载(2)连接；
所述微波传输组件包括对称设置的信号线单元(3)、设置在信号线单元(3)周侧的地线单元(4)、设置在信号线单元(3)所连接开关结构(9)下方的驱动电极(5)；所述信号线单元(3)采用T型信号线，所述T型信号线的外周侧延伸出三个条形端口，所述端口分别为输入端口(6)、第一输出端口(7)和第二输出端口(8)；
所述T型信号线包括第一T型信号线(3-1)、第二T型信号线(3-2)、第三T型信号线(3-3)、第四T型信号线(3-4)、第五T型信号线(3-5)，所述第一T型信号线(3-1)的输入端口(6)通过开关结构(9)连接有第二T型信号线(3-2)的第一输出端口(7)，所述第二T型信号线(3-2)的输入端口(6)通过开关结构(9)连接有第三T型信号线(3-3)的第一输出端口(7)，所述第三T型信号线(3-3)的第二输出端口(8)通过开关结构(9)连接有第四T型信号线(3-4)的输入端口(6)，所述第四T型信号线(3-4)的第二输出端口(8)通过开关结构(9)连接有第五T型信号线(3-5)的输入端口(6)；所述地线单元(4)包括第一地线(4-1)和第二地线(4-2)，所述第一T型信号线(3-1)、第二T型信号线(3-2)的第二输出端口与第四T型信号线(3-4)、第五T型信号线(3-5)的第一输出端口(7)均通过开关结构(9)连接在第二地线(4-2)上，所述第五T型信号线(3-5)的第二输出端口(8)与第一T型信号线(3-1)的第一输出端口(7)分别通过开关结构(9)连接有第一校准件端口(10)和第二校准件端口(11)；
所述开关结构包括悬臂梁(9-1)、锚点(9-2)和触点(9-3)，所述锚点(9-2)固定在第一输出端口(7)和第二输出端口(8)上，所述悬臂梁(9-1)的一端固定在锚点(9-2)上，所述信号线的输入端口(6)、第二地线(4-2)和校准件端口上均固定有触点(9-3)，所述悬臂梁(9-1)的另一端设置在触点(9-3)的正上方，所述悬臂梁(9-1)上设置有释放孔(9-4)阵列。
2.根据权利要求1所述的一种基于单刀双掷开关级联的电子校准件，其特征在于：所述第一地线(4-1)分别设置在所述50Ω/75Ω负载(2)端口的两侧，所述第二地线(4-2)分别设置在输入端口和输出端口的夹角处。
3.根据权利要求1所述的一种基于单刀双掷开关级联的电子校准件，其特征在于：所述释放孔(9-4)阵列为3-5排、6-10列，所述释放孔(9-4)直径大小为8-10μm，两个相近释放孔(9-4)之间距离为15-25μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于单刀双掷开关级联的电子校准件，其特征在于：所述悬臂梁(9-1)的正下方位置处设置有驱动电极(5)，所述驱动电极(5)固定在衬底(1)上，所述驱动电极(5)连接有引线(12)，所述驱动电极(5)面向悬臂梁(9-1)的一面设置一层介质层(13)。
5.根据权利要求4所述的一种基于单刀双掷开关级联的电子校准件，其特征在于：所述介质层(13)采用氮化硅和氧化铪。
6.根据权利要求1所述的一种基于单刀双掷开关级联的电子校准件，其特征在于：所述第三T型信号线(3-3)的输入端口(6)通过单刀单掷开关连接有50Ω/75Ω负载(2)，所述50Ω/75Ω负载(2)与第三T型信号线(3-3)的输入端口(6)之间通过单片集成或混合集成方式连接。
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