CN202737078U - 一种mems可重构微波定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种小型MEMS可重构微波定向耦合器，包括基片、接地平面、输入端口、输出端口、隔离端口、耦合端口、平行耦合微带线、附加不对称耦合线、四个MEMS开关、四个MEMS开关下电极、四个MEMS开关偏置电压输入端口、金属浮片、加载介质层和四个阻抗调配段。工作时，改变MEMS开关的“开”、“关”状态，可实现端口的可重构。本实用新型具有耦合较强和可重构等优点。

Description

一种MEMS可重构微波定向耦合器

技术领域

本实用新型涉及微波定向耦合的技术领域，尤其涉及一种基于MEMS可重构微波定向耦合器。 

背景技术

微波定向耦合器是微波设备或系统中用于功率提取、测量的元件。在微波高功率设备的测量和指示电路中，微波定向耦合器更是不可或缺。随着现代微波技术的飞速发展，微波定向耦合器的应用越来越广泛。使一个微波定向耦合器能在不同频段工作，减少耦合器的使用数量，从而减少整个系统的重量和成本；使一个微波定向耦合器具有多个耦合系数，从而实现微波输出功率的控制。特别在诸如RF MEMS等系统中，要求微波定向耦合器的尺寸在毫米和微米级，已有的那种体积较大的厘米级微波定向耦合器已不再适用。以上需求促进了微型可重构微波定向耦合器的研发，如何采用更小尺寸的元件实现微波功率的控制就成为问题的关键。术语“可重构”指耦合系数和耦合端口可重构。改变微波定向耦合器的结构，可改变耦合系数和耦合端口，从而实现耦合系数和耦合端口的可重构。此项技术在航空、航天技术领域中具有广阔的应用前景。

基于MEMS开关的可重构微波定向耦合技术是一项近几年发展起来的集微电子技术、微波技术和可重构技术于一体的高新技术。微波定向耦合器结合MEMS开关可使定向耦合器的结构和特性发生巨大的变化。平行耦合微带线是微波定向耦合器中最常见的结构。基于MEMS开关的介质加载平行线耦合微波定向耦合器与其它形式的定向耦合器相比，具有结构简单、体积小、低损耗、易与滤波器、天线等集成，而且耦合强，特别是耦合系数可重构等优点。目前可重构定向耦合器主要采用变容二极管的形式。一般采用二只变容二极管，每一只变容二极管一端接在一根平行耦合微带线的中部，另一端接地。通过改变二只变容二极管的电压来改变它们的电容，根据奇、偶模特性阻抗与电容以及耦合系数与特性阻抗的关系，可以实现平行耦合微带线耦合系数的可调。但这种形式存在体积较大(为了直流偏置需采用四分之一波长阻抗变换器来抑制射频信号)、耦合度较低(最大只能达到-6dB)等的缺点。

实用新型内容

本实用新型克服了现有技术中耦合器体积大、耦合度低的缺陷，提出了一种MEMS可重构微波定向耦合器。本实用新型采用MEMS开关可以改变定向耦合器的耦合系数，同时使用介质加载技术，使平行耦合微带线定向耦合器的耦合度增大，覆盖3dB甚至更强的耦合区，并且，介质加载技术也使定向耦合器工作在四种状态，同时实现耦合端口的可重构。

本实用新型提出了一种MEMS可重构微波定向耦合器，其特征在于，包括基片、接地平面、输入端口、输出端口、隔离端口、耦合端口、平行耦合微带线、附加不对称耦合线、四个MEMS开关、四个MEMS开关下电极、四个MEMS开关偏置电压输入端口、金属浮片、加载介质层和四个阻抗调配段；

所述第一平行耦合微带线、第一附加不对称耦合线、第二附加不对称耦合线与第二平行耦合微带线依次等距离平行设置在所述基片上；所述第一平行耦合微带线、第一附加不对称耦合线、第二附加不对称耦合线与第二平行耦合微带线的上方覆盖有所述加载介质层，所述加载介质层的上方设置有金属浮片；

所述输入端口通过所述第一阻抗调配段与所述第一平行耦合微带线的左端连接；

所述输出端口通过所述第二阻抗调配段与所述第一平行耦合微带线的右端连接；

所述隔离端口通过所述第三阻抗调配段与所述第二平行耦合微带线的左端连接；

所述耦合端口通过所述第四阻抗调配段与所述第二平行耦合微带线的右端连接；

所述第一MEMS开关连接所述第一平行耦合微带线的左端与所述第一附加不对称耦合线的左端；

所述第二MEMS开关连接所述第一平行耦合微带线的右端与所述第一附加不对称耦合线的右端；

所述第三MEMS开关连接所述第二平行耦合微带线的左端与所述第二附加不对称耦合线的左端；

所述第一MEMS开关连接所述第二平行耦合微带线的右端与所述第二附加不对称耦合线的右端；

所述四个MEMS开关分别通过所述MEMS开关下电极与所述MEMS开关偏置电压输入端口连接；

所述接地平面设置在所述基片的下表面。

其中，所述输入端口、输出端口、隔离端口、耦合端口的长度为4.0mm至5.00mm，宽度为2.9mm至3.10mm。

其中，所述平行耦合微带线与附加不对称耦合线的长度为8mm至10mm；所述平行耦合微带线的宽度为0.7mm至0.8mm；所述第一附加不对称耦合线的宽度为0.4mm至0.5mm；所述第二附加不对称耦合线的宽度为0.1mm至0.15mm。

其中，所述第一平行耦合微带线、第一附加不对称耦合线、第二附加不对称耦合线与第二平行耦合微带线之间的距离均为0.1mm。

其中，所述加载介质板的厚度为130μm 至500μm，介电常数为3.4至10.2，长度为6mm至8mm，宽度为2mm至3.2mm。

其中，所述基片的介电常数为3.4至10.2；所述基片的厚度为1.4mm至1.6mm。

其中，所述加载介质板与基片为蓝宝石、高阻硅、多孔硅、红宝石或高频陶瓷。

其中，其特征在于，所述MEMS开关采用悬臂梁式结构。

其中，输入端口、输出端口、隔离端口、耦合端口、平行耦合微带线、附加不对称耦合线、四个MEMS开关、四个MEMS开关下电极、四个MEMS开关偏置电压输入端口、金属浮片以及四个阻抗调配段的材料为高导电率金属材料；所述高导电率金属材料为金或铜。

本实用新型由平行线耦合微带线定向耦合器与MEMS开关和介质层结合而成，通过MEMS开关的启闭，改变平行线耦合微带线定向耦合器的耦合系数，再通过在平行线耦合微带线定向耦合器的表面上加载介质层，进一步增大平行线耦合微带线定向耦合器的耦合度，确保所述的耦合器具有工作频率和耦合系数的可重构性。 

本实用新型优点是体积微小、耦合较强、具有良好的隔离度和端口的阻抗匹配、能很好地通过MEMS开关改变耦合系数和端口特性。MEMS开关实现微波定向耦合器的小型化和可重构；不对称平行耦合线改变定向耦合器的间距和宽度，从而改变微波定向耦合器的耦合系数和端口特性；介质加载层大幅度提高耦合线之间的耦合度。

附图说明

图1是本实用新型MEMS可重构微波定向耦合器的俯视图。

图2是本实用新型MEMS可重构微波定向耦合器沿第二平行耦合微带线的横剖截面图。

图3是本实用新型MEMS可重构微波定向耦合器在中心位置的纵剖截面图。

图4是本实用新型MEMS可重构微波定向耦合器在第二MEMS开关处的纵剖截面图。

图5是本实用新型MEMS可重构微波定向耦合器的工作状态示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的具体实施方式做进一步详细的说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

如图1-5所示，1-基片，10-输入端口，11-输出端口，12-隔离端口，13-耦合端口，14-第一同轴接头，15-第二同轴接头，16-第三同轴接头，17-第四同轴接头，2-接地平面，20-第一平行耦合微带线，21-第二平行耦合微带线，30-第一附加不对称耦合线，31-第二附加不对称耦合线，41-第一MEMS开关，42-第二MEMS开关，43-第三MEMS开关，44-第四MEMS开关，51-第一MEMS开关下电极，52-第二MEMS开关下电极，53-第三MEMS开关下电极，54-第四MEMS开关下电极，61--第一MEMS开关偏置电压输入端口，62-第二MEMS开关偏置电压输入端口，63-第三MEMS开关偏置电压输入端口，64-第四MEMS开关偏置电压输入端口，7-金属浮片，70-同轴线，71-微波信号源，72-匹配负载，8-加载介质层，91-第一阻抗调配段，92-第二阻抗调配段，93-第三阻抗调配段，94-第四阻抗调配段，101-第一直流偏置电压，102-第二直流偏置电压，103-第三直流偏置电压，104-第四直流偏置电压。

本实用新型的一种MEMS可重构微波定向耦合器，包括基片1、接地平面2、输入端口10、输出端口11、隔离端口12、耦合端口13、平行耦合微带线20，21、附加不对称耦合线30，31、四个MEMS开关41，42，43，44、四个MEMS开关下电极51，52，53，54、四个MEMS开关偏置电压输入端口61，62，63，64、金属浮片7、加载介质层8和四个阻抗调配段91，92，93，94。

如图1-3所示，第一平行耦合微带线20、第一附加不对称耦合线30、第二附加不对称耦合线31与第二平行耦合微带线21依次等距离平行设置在基片1上；第一平行耦合微带线20、第一附加不对称耦合线30、第二附加不对称耦合线31与第二平行耦合微带线21的上方覆盖有加载介质层8，加载介质层8的上方设置有金属浮片7；

输入端口10通过第一阻抗调配段91与第一平行耦合微带线20的左端连接；

输出端口11通过第二阻抗调配段92与第一平行耦合微带线20的右端连接；

隔离端口12通过第三阻抗调配段93与第二平行耦合微带线21的左端连接；

耦合端口13通过第四阻抗调配段94与第二平行耦合微带线21的右端连接；

第一MEMS开关41连接第一平行耦合微带线20的左端与第一附加不对称耦合线30的左端；

第二MEMS开关42连接第一平行耦合微带线20的右端与第一附加不对称耦合线30的右端；

第三MEMS开关43连接第二平行耦合微带线21的左端与第二附加不对称耦合线31的左端；

第一MEMS开关44连接第二平行耦合微带线21的右端与第二附加不对称耦合线31的右端；

四个MEMS开关41，42，43，44分别通过MEMS开关下电极51，52，53，54与MEMS开关偏置电压输入端口61，62，63，64连接；

接地平面2设置在基片1的下表面。

其中，输入端口10、输出端口11、隔离端口12、耦合端口13的长度为4.0mm至5.00mm，宽度为2.9mm至3.10mm。

其中，平行耦合微带线20，21与附加不对称耦合线30，31的长度为8mm至10mm；平行耦合微带线20，21的宽度为0.7mm至0.8mm；第一附加不对称耦合线30的宽度为0.4mm至0.5mm；第二附加不对称耦合线31的宽度为0.1mm至0.15mm。

其中，第一平行耦合微带线20、第一附加不对称耦合线30、第二附加不对称耦合线31与第二平行耦合微带线21之间的距离均为0.1mm。

其中，加载介质板8的厚度为130μm 至500μm，介电常数为3.4至10.2，长度为6mm至8mm，宽度为2mm至3.2mm。

其中，基片1的介电常数3.4至10.2；基片1的厚度为1.4mm至1.6mm。

其中，加载介质板8与基片1为蓝宝石、高阻硅、多孔硅、红宝石或高频陶瓷。

其中，MEMS开关41，42，43，44采用悬臂梁式结构。

其中，输入端口10、输出端口11、隔离端口12、耦合端口13、平行耦合微带线20，21、附加不对称耦合线30，31、四个MEMS开关41，42，43，44、四个MEMS开关下电极51，52，53，54、四个MEMS开关偏置电压输入端口61，62，63，64、金属浮片7以及四个阻抗调配段91，92，93，94的材料为高导电率金属材料；高导电率金属材料为金或铜。

实施例1 

本实施例提供一种MEMS可重构微波定向耦合器。

本实施例中输入端口10、输出端口11、隔离端口12和耦合端口13的长度和宽度分别为4.0mm和3.08mm；

本实施例中第一平行耦合微带线20、第二平行耦合微带线21的宽度均为0.7mm；

   本实施例中第一附加不对称耦合线30和第二附加不对称耦合线31的宽度分别为0.4mm和0.1mm；

本实施例中第一平行耦合微带线20、第一附加不对称耦合线30、第二附加不对称耦合线31与第二平行耦合微带线21之间的距离均为0.1mm。

本实施例中加载介质层8的长度为15.2mm，宽度为2.4mm，厚度为150μm。本实施例中基片1的厚度为1.5mm。本实施例中基片1与加载介质层8采用介电常数4.4的高阻硅。基片1与加载介质层8还可采用蓝宝石、多孔硅、红宝石或高频陶瓷。

本实施例中采用的高导电率金属材料为金。

MEMS开关41，42，43，44均采用悬臂梁式结构开关。如图4所示，第一MEMS开关41包括桥墩与悬梁臂。桥墩设置在第一平行耦合微带线20上，悬梁臂的一端与桥墩连接，悬梁臂位于第一MEMS开关下电极51的正上方。当第一MEMS开关下电极51与第一MEMS开关41的悬梁臂之间存在一定的电压时，悬梁臂由于经典吸引力的作用向下弯曲，使得悬梁臂的另一端与第一不对称耦合线30接触，从而使得信号导通，此时第一MEMS开关41处于“关”态（即第一MEMS开关41处于工作状态）；当第一MEMS开关下电极51与第一MEMS开关41的悬梁臂之间的电压消失时，悬梁臂恢复原状，脱离第一不对称耦合线30从而使得信号断开，此时第一MEMS开关41处于“开”态（即第一MEMS开关41不工作）。同样地，第二MEMS开关42设置在第一平行耦合微带线20上，第三MEMS开关43与第四MEMS开关44分别设置在第二平行耦合微带线21上。

本实用新型中当MEMS开关41，42，43，44全部断开时，定向耦合器的反射系数S11为-17.7dB，隔离度为-17.8dB，耦合度为-3.5dB。

本实用新型中当MEMS开关41，42，43，44全部闭合时，定向耦合器的反射系数S11为-15.8dB，隔离度为-16.9dB，耦合度为-2.63dB，而直通度为-4.81dB。此时定向耦合器的耦合端口变成直通端口，原来的直通端口变成耦合端口，而且定向耦合器具有正交特性。

如图5所示，输入端口10、输出端口11、隔离端口12和耦合端口13分别侧接50欧姆同轴接头14，15，16，17，微波信号源71通过同轴线70从输入端口1输入微波信号，终端负载连接在接在输出端口11的同轴接头15上和耦合端口13的同轴接头17上，隔离端口12的同轴接头16通过同轴线70连接匹配负载72。本实用新型外接有四个直流偏置电压101，102，103，104。四个直流偏置电压的设备均相同。第一直流偏置电压101的一端连接在第一同轴接头14的内导体上，作为第一MEMS开关41的上电极；同样地第二直流偏置电压102、第三直流偏置电压103、第四直流偏置电压104分别连接在第二同轴接头15、第三同轴接头16、第四同轴接头17的内导体上。直流偏置电压101，102，103，104的另一端分别连接在MEMS开关偏置电压输入端口61，62，63，64上。

当MEMS开关偏置电压输入端口61，62，63，64的偏置电压为0伏时，MEMS开关41，42，43，44的悬梁臂保持原状，MEMS开关41，42，43，44处于“开”态。此时MEMS可重构微波定向耦合器的耦合度为－3.5dB，隔离度为-17.7dB，反射系数为-17.8dB，耦合端口13和隔离端口12之间的相位差为90度。

当第一MEMS开关偏置电压输入端口61与第二MEMS开关偏置电压输入端口62的偏置电压为0伏，而第三MEMS开关偏置电压输入端口63与第四MEMS开关偏置电压输入端口64的偏置电压为20伏时，第一MEMS开关41至与第二MEMS开关42处于“开”态，第三MEMS开关43与第四MEMS开关44处于“关”态。此时MEMS可重构微波定向耦合器的耦合度为－3.18dB，隔离度为-17.6dB，反射系数为-17.6dB，耦合端口13和隔离端口12之间的相位差为90度。

当第一MEMS开关偏置电压输入端口61与第二MEMS开关偏置电压输入端口62的偏置电压为20伏，而第三MEMS开关偏置电压输入端口63与第四MEMS开关偏置电压输入端口64的偏置电压为0伏时，第一MEMS开关41至与第二MEMS开关42处于“关”态，第三MEMS开关43与第四MEMS开关44处于“开”态。此时MEMS重构微波定向耦合器的耦合度为-3.01dB，隔离度为-17.8dB，反射系数为-16.4dB，耦合端口13和隔离端口12之间的相位差为90度。

当MEMS开关偏置电压输入端口61，62，63，64的偏置电压为20伏时，MEMS开关41，42，43，44均为“关”态，MEMS可重构微波定向耦合器的耦合度为－2.63dB，隔离度为-16.9dB，反射系数为-15.8dB，而输出端口11输出为-4.81dB，此时定向耦合器的耦合端口13变成输出端口11，原来的输出端口11变成耦合端口13。

由此可见，只要改变MEMS开关的“开”、“关”状态，就可改变定向耦合器的间距和宽度，从而改变微波定向耦合器的耦合系数和耦合端口，实现耦合端口的可重构，同时反射系数和隔离度也满足匹配和隔离的要求。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围。任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种变动与润饰，本实用新型保护范围应以权利要求书所界定的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种MEMS可重构微波定向耦合器，其特征在于，包括基片（1）、接地平面（2）、输入端口（10）、输出端口（11）、隔离端口（12）、耦合端口（13）、平行耦合微带线（20，21）、附加不对称耦合线（30，31）、四个MEMS开关（41，42，43，44）、四个MEMS开关下电极（51，52，53，54）、四个MEMS开关偏置电压输入端口（61，62，63，64）、金属浮片（7）、加载介质层（8）和四个阻抗调配段（91，92，93，94）；

所述第一平行耦合微带线（20）、第一附加不对称耦合线（30）、第二附加不对称耦合线（31）与第二平行耦合微带线（21）依次等距离平行设置在所述基片（1）上；所述第一平行耦合微带线（20）、第一附加不对称耦合线（30）、第二附加不对称耦合线（31）与第二平行耦合微带线（21）的上方覆盖有所述加载介质层（8），所述加载介质层（8）的上方设置有金属浮片（7）；

所述输入端口（10）通过所述第一阻抗调配段（91）与所述第一平行耦合微带线（20）的左端连接；

所述输出端口（11）通过所述第二阻抗调配段（92）与所述第一平行耦合微带线（20）的右端连接；

所述隔离端口（12）通过所述第三阻抗调配段（93）与所述第二平行耦合微带线（21）的左端连接；

所述耦合端口（13）通过所述第四阻抗调配段（94）与所述第二平行耦合微带线（21）的右端连接；

所述第一MEMS开关（41）连接所述第一平行耦合微带线（20）的左端与所述第一附加不对称耦合线（30）的左端；

所述第二MEMS开关（42）连接所述第一平行耦合微带线（20）的右端与所述第一附加不对称耦合线（30）的右端；

所述第三MEMS开关（43）连接所述第二平行耦合微带线（21）的左端与所述第二附加不对称耦合线（31）的左端；

所述第一MEMS开关（44）连接所述第二平行耦合微带线（21）的右端与所述第二附加不对称耦合线（31）的右端；

所述四个MEMS开关（41，42，43，44）分别通过所述MEMS开关下电极（51，52，53，54）与所述MEMS开关偏置电压输入端口（61，62，63，64）连接；

所述接地平面（2）设置在所述基片（1）的下表面。

2.根据权利要求1所述的MEMS可重构微波定向耦合器，其特征在于，所述输入端口（10）、输出端口（11）、隔离端口（12）、耦合端口（13）的长度为4.0mm至5.00mm，宽度为2.9mm至3.10mm。

3.根据权利要求1所述的MEMS可重构微波定向耦合器，其特征在于，所述平行耦合微带线（20，21）与附加不对称耦合线（30，31）的长度为8mm至10mm；所述平行耦合微带线（20，21）的宽度为0.7mm至0.8mm；所述第一附加不对称耦合线（30）的宽度为0.4mm至0.5mm；所述第二附加不对称耦合线（31）的宽度为0.1mm至0.15mm。

4.根据权利要求1所述的MEMS可重构微波定向耦合器，其特征在于，所述第一平行耦合微带线（20）、第一附加不对称耦合线（30）、第二附加不对称耦合线（31）与第二平行耦合微带线（21）之间的距离均为0.1mm。

5.根据权利要求1所述的MEMS可重构微波定向耦合器，其特征在于，所述加载介质板（8）的厚度为130μm 至500μm，介电常数为3.4至10.2，长度为6mm至8mm，宽度为2mm至3.2mm。

6.根据权利要求1所述的MEMS可重构微波定向耦合器，其特征在于，所述基片（1）的介电常数为3.4至10.2；所述基片（1）的厚度为1.4mm至1.6mm。

7.根据权利要求1所述的MEMS可重构微波定向耦合器，其特征在于，所述加载介质板（8）与基片（1）为蓝宝石、高阻硅、多孔硅、红宝石或高频陶瓷。

8.根据权利要求1所述的MEMS可重构微波定向耦合器，其特征在于，所述MEMS开关（41，42，43，44）采用悬臂梁式结构。

9.根据权利要求1所述的MEMS可重构微波定向耦合器，其特征在于，输入端口（10）、输出端口（11）、隔离端口（12）、耦合端口（13）、平行耦合微带线（20，21）、附加不对称耦合线（30，31）、四个MEMS开关（41，42，43，44）、四个MEMS开关下电极（51，52，53，54）、四个MEMS开关偏置电压输入端口（61，62，63，64）、金属浮片（7）以及四个阻抗调配段（91，92，93，94）的材料为高导电率金属材料；所述高导电率金属材料为金或铜。

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