CN1883079A - 基于mems的低损耗rf移相器 - Google Patents

Abstract

一种RF MEMS开关模块和无源延迟移相器电路的混合电路移相器组件采用了低损耗、较佳地还采用了倒装片互连技术。该混合电路组件的设计方法将MEMS开关模块的制造和无源相位延迟电路的制造相分离，从而避免了工艺的不兼容性和低的产量并显著节省了生产成本。在本发明的另一方面，在多个辐射元件的每一个之后的基于MEMS得混合电路移相器组件在一共同基底上的集成提供了一种紧凑型低成本的电子扫描天线阵列。

Description

基于MEMS的低损耗RF移相器

发明背景

技术领域

本发明一般涉及诸如在电子扫描相阵列天线中所使用的移相器，尤其涉及结合低损耗、RF微机电(MEMS)开关的移相器电路。

相关技术的描述

多元件或阵列天线的波束可以通过在阵列的各个元件的辐射信号中插入适当的相移而以预定的角度传播。

图1是一采用电子波束操控的一行常规相阵列天线10的示意图，一个完整的平面相阵列天线具有若干这样的行。天线10包括多个辐射元件12，各个辐射元件都具有它自己的移相器14。用于传输信号的输入线16与各个移相器14相耦合，当信号通过移相器时，移相器会对所传输的信号产生相应的预定相移。随后，将相移后的传输信号耦合至各个用于波束传播的辐射元件12。已经研发了种种类型的移相器14，包括开关线移相器、反射线移相器和负载线移相器。

开关线移相器的一个例子是实时延迟(TTD)移相器电路，在该电路中，借助于高速电子开关、通过选择地插入和去除传输线的离散长度来获得用于电子扫描波束的迅速相位变化。例如，采用级联的开关结构，就可以不同的组合方式来串联相对较少数量的预先选择的传输线长度，以提供一定数量的离散延迟。一个级联4比特的开关移相器可以将16级不同的相位移动插入到传播的信号之中。

由于RF MEMS开关具有十分优良的绝缘和低插入损耗的性能，因此采用RF MEMS开关有利于实现高性能电子扫描天线。然而，常规的基于MEMS的TTD移相器采用单片结构，其存在着工艺兼容性、成本和封装问题。例如，尽管大多数单芯片区域都只简单地包括便于制造的无源金属延迟线，但是单片结构仍需要通过一系列复杂的、多级MEMS开关制造步骤的整个移相器电路的工艺。从而不仅导致低产量和高产品成本，而且还导致延迟线和MEMS开关制造工艺之间的不能兼容，也限制了能够使用的材料。

发明概要

本发明主要提供了一种RF MEMS开关模块和无源相位延迟器电路的混合电路组件，它采用了低损耗、较佳地还采用了倒装片的互连技术。该混合电路组件的方法是将MEMS开关模块的制造与无源相位延迟电路的制造相分离，从而避免了工艺上的不兼容性和低产量并能显著地节省生产成本。

众所周知，和依赖于将引线或者梁式引线连接到芯片四周外边的图形的组装技术不同，倒装片技术采用了在芯片面上和在基底上的端焊接点之间的直接电连接。这样可以缩短互连导体的长度，从而减小损耗、优化电路性能，并使得基底区域得到更有效的使用。

倒装片互连技术较佳地包括在所有芯片接合焊接点位置上的焊接块，它们可以采用经控制的回流焊接操作同时端接。或者不用焊接块，互连可以包括铟块、电镀孔、金属与金属间的热压缩接合、导电聚合体，等等。

在本发明的另一个方面，在多个辐射元件每一个后面将上述基于MEMS的移相器电路集成在共同基底上，提供了一种紧凑型低成本的电子扫描天线阵列。本发明的优势包括低插入和返回损耗、低功率损耗、宽带宽，以及便于集成到较高的组件中。

附图简述

对于本领域的技术人士来说，本发明的其它特征和优点将从以下结合附图的详细叙述中变得显而易见。

图1是常规相阵列电子扫描天线的示意图；

图2是可用于本发明的无源移相器电路的一具体实例的示意图；

图3是根据本发明的混合电路组件的一具体实施例的示意图；

图4是沿着图3中的线4-4所看到的图3的混合电路组件部分截面的侧视图；

图5是根据本发明另一方面的集成相阵列电子扫描天线的示意图；以及，

图6是图5的集成电子扫描天线的更详细的示意图。

发明详述

本发明的较佳实施例包括具有一级或多级的相阵列天线移相器，每一级包括两个或多个无源相位延迟电路并在各级上采用延迟电路的开关选择。本发明的移相器使用低损耗的RF MEMS开关，用于在各级中选择所需要的延迟电路。虽然在这里详述较佳实施例中结合了TTD开关线移相器结构，但是对本领域的熟练技术人员显而易见的是，本发明也可以应用于结合其它类型无源元件(例如，电容器或者电感器)的其它移相器结构。

图2和图3所示的较佳实施例包括混合移相器组件20，它包括携带着一对倒装片MEMS开关模块24和26的2比特数字延迟线模块22。在图2中可以更加清楚地看到，数字延迟线模块22包括基底28，它是由绝缘材料制成，例如，氧化铝、石英，或微波陶瓷，或诸如高阻硅或GaAs之类的半绝缘材料。在基底28的表面30上的图形是一对串联连接的延迟线级32和34，用于在与第一延迟线级32耦合的输入线36上传输信号(通常是天线的基载波频率)中插入可累积的时间延迟。可以使用更多的级数，以便于提供更高的波束操控精度。

第一时间延迟级32包括两个在基底28上图形化的平面条状延迟线40和42。延迟线40具有一对端焊接点44和46；相类似，延迟线42也具有一对端焊接点48和50。两个延迟线40和42具有不同的长度，从而对传输信号产生不同的时间延迟，延迟线42可以插入基准时间延迟，例如，基准时间延迟可以基本为零。该时间延迟等效于传输信号通过两个延迟线40和42中的一个所花的时间，并且延迟线越长，则时间延迟就越大。传输信号的相位正比于时间延迟而移动。

与第一时间延迟级32相同，第二时间延迟级34包括两个在基底28上图形化的延迟线52和54。延迟线52包括一对端焊接点56和58；类似地，延迟线54也具有一对端焊接点60和62。在所示的实施例中，第二级34的延迟线52比第一级32的延迟线40长，而第二延迟线54可以与延迟线42具有相同的长度，从而提供相同的基准时间延迟。

参阅图3，在第一时间延迟级32中的两个延迟线40和42中的一个延迟线是通过将四个MEMS输入和输出开关70至73中的两个闭合以将所选择的延迟线连接到总的移相器而获得驱动的。输入开关70用于将输入线端焊接点76与延迟线40的端焊接点44电气连接；输入开关71将输入线端焊接点78与延迟线42的焊接点48电气连接；相类似，输出开关72和73用于将端焊接点46和50与级输出端焊接点80和82电气连接。级输出端焊接点80和82与互连延迟线级32和34的线84相耦合。

在第二时间延迟级34中，可采用与第一时间延迟级32的同样方式，通过闭合在第二级MEMS开关模块26中相应的输入和输出开关将附加相移给予传输信号。在信号通过第二时间延迟级34之后，相移后的信号出现在输出线86上，并从那里可以通过附加时间延迟级(未显示)，在那里，为了获得更高的精度，可以采用与先前两个时间延迟级中同样的方式，通过闭合所选择的MEMS开关来插入附加的相移。

RF MEMS模块24和26包含开关，该开关较佳的是金属与金属接触的开关，例如，在本发明的受让人所拥有的美国专利No.5,578,976中所披露的那种类型；该976专利援引在此供参考，该专利揭示了此类开关的结构以及制造该开关的方法。很显然，也可以使用其它MEMS开关类型。

图4详细描述了示出开关70的MEMS模块24的一部分的简化截面。应该理解的是，模块24仅仅只是一类可以应用于本发明的MEMS模块的例子。MEMS模块24所携带的开关一般可以使用诸如主体微机械加工或者表面微机械加工之类所熟知的微制造技术形成在基底90上，虽然图4所图示的例子中MEMS模块包含四个分离的开关，但对于本领域的熟练技术人士而言，应该理解的是，也可以使用包含一个或者多个开关的MEMS模块结构。

在MEMS基底90的上表面所形成的是一对相互间隔、固定的金属触点92和94，它们分别垂直对准于基底上所形成的端焊接点44和76。MEMS模块24和基底28包括倒装片组件。更具体的说，由延伸通过MEMS基底90的通孔96和98以及由在基底下侧的电气倒装片互连100和102将触点92和94与基底上的端焊接点44和76电气连接。虽然互连100和102较佳地包括焊接块，但是也可以使用其它低损耗的倒装片互连技术，包括但并不限于，铟块、电镀孔、金属与金属热压缩接合、导电聚合体接合，以及其它等等。定位在固定触点92和94上并跨越两者之间间隙的是可垂直移动的臂104，它在其下表面上具有金属桥型触点106。臂104可以包括一种在MEMS开关中众所周知的且一般都由诸如二氧化硅或者氮化硅之类绝缘材料制成的悬臂结构。当开关被驱动时，可移动的触点106提供了在固定触点92和94(以及这里的端焊接点44和76)之间的电气连接。尽管图示说明的MEMS开关70是一种在闭合状态时提供电气导电路径的欧姆触点类型的开关，但是本发明也可以使用在闭合时将信号通过薄的绝缘层耦合信号的电容型开关来实施。为了简化，图4所示的可移动触点106直接桥接在固定触点92和94之间的间隙上。在实际结构中，可以使用表面导体以允许触点92相对于通孔96的任意位置。另外，尽管图4图示的是面向上的结构，在该结构中，MEMS开关是在MEMS基底90的上表面并且是使用通过基底的通孔互连的，但是本发明也包含面向下的开关模块24和基底28的混合集成。面向下的混合集成结构消除了诸如通孔96和98之类的通过基底的导电路径的需要。

MEMS开关70在提供适当的激励时被驱动。例如，对于静电驱动的MEMS开关，将驱动电压施加在可移动的和固定的触点之间。驱动电压形成可吸引移动触点106与固定触点92和94相啮合的静电力，从而桥接在固定触点之间的间隙并提供在触点之间的导电路径，从而提供基底上的端焊接点44和76的导电路径。也可以使用其它开关驱动技术，包括并不限于，热、压电、电磁、气泡、洛伦兹力、表面张力、或者它们的组合。本发明可以使用本领域熟练技术人士所熟知的任何上述方法或者其它已知驱动方法操作MEMS开关。

图5和图6示出了根据本发明结合多个移相器所实施的集成电子扫描阵列天线110。图5和图6示出了结合四个混合移相器组件114至117的单个封装112，其中各个混合移相器组件用于将时间延迟的信号馈送至所对应的天线元件或者辐射器118至121。该封装可以使用单盖或者封口122进行密封，单盖或者封口122的密封痕迹不会截取在基底上所图形化的任何元件。尽管图5和图6示出了在单个封装中的四个混合组件移相器，但是，很显然，在封装中也可以采用任意数量的移相器。

图5和图6所示的封装包括绝缘材料的共同基底124，例如，氧化铝、石英，或微波陶瓷，或诸如高阻硅或GaAs之类半绝缘材料。正如本领域所知的，基底124可以是具有嵌入导体的多层微波材料。天线元件或者辐射器118至121印刷在基底124的表面126上或者使用在多层基底中的内层金属层沿着上述讨论的这类TTD相移电路元件形成。辐射器元件和移相器的单片集成可允许使用紧凑的电路几何形状和允许在移相器和辐射器之间的高物理容差。在所说明的实例中，四个移相器114至117各自都包括3比特的移相器，各个移相器又都包括上述讨论的RF MEMS开关模块，该RF MEMS开关模块可借助于较佳地使用倒装片技术的低损耗互连耦合到基底上的移相器电路元件。

虽然这里讨论了本发明的几例说明性的实施例，但对本领域的熟练技术人士而言，还可以有种种修改和变更的实施例。这类修改和变更的实施例是可预期的并且并不脱离所附权利要求书所阐述的本发明的精神和范围。

Claims (17)

1.一种混合组件移相器，它包括：

相位延迟模块，它包括携带有多个无源、导电的相位延迟元件的基底；

MEMS模块，它包含多个用于在输入和输出之间耦合所选择的相位延迟元件的MEMS开关；和，

低损耗互连，它用于将所述相位延迟模块的相位延迟元件与所述MEMS模块的MEMS开关电气耦合。

2.如权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述低损耗互连包括倒装片互连。

3.如权利要求2所述的移相器，其特征在于，所述倒装片互连包括选自包含焊接块、铟柱、电镀孔、金属与金属热压缩接合以及导电聚合体接合的组中的互连。

4.如权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述基底包括绝缘材料。

5.如权利要求4所述的移相器，其特征在于，所述基底包括选自包含氧化铝、石英和微波陶瓷的组中的材料。

6.如权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述基底包括半绝缘材料。

7.如权利要求6所述的移相器，其特征在于，所述基底材料包括选自包含高阻硅和GaAs的组中的材料。

8.如权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述多个无源相移元件的每一个包括在所述基底表面上图形化的导电的平面传输线。

9.一种相阵列天线，它包括：

基底；

多个形成在所述基底上的辐射器；

多个形成在所述基底上的无源移相器电路，所述多个移相器电路各自与多个辐射器中之一相耦合并包括串联连接在传输信号输入和传输信号输出之间用于相移所述信号的多个相位延迟级，所述各个相位延迟级各自用于对传输信号产生所选择的相位延迟，使得传输到辐射器的信号具有各个相位延迟级所产生的相位延迟之和所确定的累加相位延迟；以及，

多个MEMS开关模块，所述MEMS开关模块之一与各个相位延迟级相耦合并用于电气连接所选择的延迟级，以提供所述累加相位延迟，所述MEMS开关模块通过低损耗互连与所述相位延迟级相耦合。

10.如权利要求9所述的组件，其特征在于，所述低损耗互连包括倒装片互连。

11.如权利要求10所述的组件，其特征在于，所述倒装片互连包括选自包含焊接块、铟柱、金属化孔、金属与金属热压缩接合以及导电聚合体接合的组中的互连。

12.如权利要求9所述的组件，其特征在于，所述相位延迟级各自包括多个相位延迟元件，且所述相位延迟元件包含不同长度的实时延迟线。

13.如权利要求12所述的组件，其特征在于，所述实时延迟线包括在所述基底表面上图形化的导电的平面传输线。

14.如权利要求9所述的组件，其特征在于，所述基底包括绝缘材料。

15.如权利要求14所述的组件，其特征在于，所述基底包括选自包含氧化铝、石英和微波陶瓷的组中的材料。

16.如权利要求9所述的组件，其特征在于，所述基底包括半绝缘材料。

17.如权利要求16所述的组件，其特征在于，所述基底包括选自包含高阻硅和GaAs的组中的材料。

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