DE69732610T2

DE69732610T2 - Abstimmbares Mikrowellennetzwerk mit mikroelektromechanischen Schaltern

Info

Publication number: DE69732610T2
Application number: DE69732610T
Authority: DE
Inventors: Hector J. Inglewood De Los Santos
Original assignee: Hughes Electronics Corp
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1996-12-21
Filing date: 1997-12-22
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2017-12-23
Also published as: EP0849820A2; DE69732610D1; EP0849820A3; JP2004159322A; EP0849820B1; JPH10308603A; US5808527A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das Abstimmen von Mikrowellen-Netzwerken, und insbesondere das Abstimmen von Filtern und Verstärkern, indem mikroelektromechanische (MEM) Schalter auf monolithischen integrierten Mikrowellenschaltungen (MMICs), und Hybrid-Schaltungen verwendet werden.
Beschreibung des Standes der Technik
Ein Filter umfasst typischerweise ein Netzwerk von kapazitiven und induktiven Schaltungen, die in Reihe, parallel oder einer Kombination davon geschaltet sind. Wenn ein Filter auf einer monolithischen integrierten Mikrowellenschaltung (MMIC) implementiert wird, werden typischerweise Netzwerke von binär gewichteten Einheitskapazitäten als kapazitive Schaltungen verwendet. Binär gewichtete Kapazitäten sind in J. L. McCreary et al., "All-MOS Charge Redistribution Analog-to-Digital Conversion Techniques – Part I", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. SC-10, 1975, Seiten 371–379 beschrieben. Ein Filternetzwerk besitzt ein Frequenzverhalten, das durch dessen Konfiguration, die Kapazitätswerte der Kapazitäten und die Induktivitätswerte der Induktivitäten bestimmt wird. Da die Kapazitäten und Induktivitäten auf einem MMIC, einem IC oder einer Hybrid- Schaltung gewöhnlicherweise fest sind, und anders als bei einem Wellenleiter-Filter, das durch Verwendung einer Abstimmschraube zur Veränderung der Geometrie von zumindest einer seiner Kavitäten abgestimmt werden kann, ist ein Filter basierend auf einem MMC, einem MIC oder einer Hybrid-Schaltung im Allgemeinen nicht abstimmbar.
Zwei Haupttypen von Halbleiterschaltern, PIN-Dioden und Feldeffekttransistoren (FET), werden verwendet, um eine MMIC-Schaltungskonfiguration zu ändern. PIN-Diodenschalter für Mikrowellenanwendungen sind bei J. C. Hill et al., "PIN Diode Switches Handle High-Power Applications", MSN, Juni 1989, Seiten 36–40 beschrieben. Mikrowellen FET-Schalter sind bei M. Shifrin et al. "Monolithic Control Components Handle 27 W of RF Power", Microwave Journal, Dezember 1989, Seiten 119 bis 122 beschrieben.
Im Allgemeinen haben PIN-Dioden und FET-Schalter eine geringe Isolierung, wenn der Schalter aus ist und eine hohe Einfügungsdämpfung, falls der Schalter bei Frequenzen eingeschaltet ist, die über dem C-Band liegen. Während PIN-Dioden- und FET-Schalter für Mikrowellenoperationen bei relativ geringen Frequenzen geeignet sind, arbeiten viele moderne Satelliten bei höheren Mikrowellenfrequenzen im X-Band, Ku-Band und Ka-Band. Diese Schalter haben parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten, die ihre Leistung bei diesen hohen Frequenzen signifikant verschlechtern und werden deshalb nicht verwendet, um ein MMIC-Filter zum Zwecke der Abstimmung neu aufzubauen.
PIN-Dioden- und FET-Schalter sind Halbleitervorrichtungen mit P/N-Übergängen, die die Aktivierung von An/Aus-Schaltungen ermöglichen und nicht lineare Eigenschaften zeigen, die unerwünschte Intermodulationsstörungen erzeugen. Darüber hinaus erzeugen diese Nicht-Linearitäten ebenfalls unerwünschte Ausgangssignale mit harmonischen Frequenzen, und falls der Schalter in einem Filternetzwerk mit einer schlechten Impedanzanpassung verwendet wird, können wesentliche Variationen der harmonischen Signale erzeugt werden, wie in J. C. Hill et al., oben, beschrieben wurde.
Der Betrieb eines PIN-Dioden- oder FET-Schalters erfordert eine kontinuierliche Energieversorgung, um eine Vorspannungs-Spannung bereitzustellen, und verbraucht damit Leistung, selbst wenn der Schalter nicht in einem stationären Zustand ist, d.h. wenn der Schalter entweder an oder aus ist. Viele dieser Schalter werden üblicherweise für ein Mikrowellennetzwerk an Bord eines Satelliten benötigt, und der Energiefluss von den Batterien des Satelliten zur Aufrechterhaltung dieser Schalter kann zu einer kürzeren Betriebszeitspanne des Satelliten führen.
Das Abstimmen eines Mikrowellennetzwerks, um dessen Impedanz an eine gewünschte Einstellung für einen optimalen Betrieb anzupassen, wurde durch manuelles Abstimmen erreicht, d.h. durch manuelles Setzen der wirksamen elektrischen Länge der Übertragungsleitungen in dem Netzwerk. Ein Beispiel einer manuellen Abstimmung benutzt eine Shunt-Stichleitung, die ein abgeschlossenes Übertragungsleitungssegment ist, das parallel zu der Hauptübertragungsleitung verbunden ist. Die Shunt-Stichleitung hat entweder einen Kurzschluss- oder einen offenen Schaltungsabschluss und deren Länge ist einstellbar, wohingegen die Länge der Hauptübertragungsleitung im Allgemeinen fest ist. Eine Impedanzanpassung unter Verwendung kontinuierlich ein stellbarer Shunt-Stichleitungen ist gut bekannt und in R. E. Collin, Foundations for Microwave Engineering, McGraw-Hill, Inc. 1966, Seiten 207 bis 212 beschrieben.
Ein manuelles Abstimmen ist bei Impedanzanpassungsanwendungen nicht einfach, bei denen das Mikrowellennetzwerk, das abgestimmt werden soll, nicht zugänglich ist, wie beispielsweise bei einem Satellitenbetrieb. Das manuelle Abstimmen muss abgeschlossen sein und die Übertragungsleitungslängen fest sein, bevor der Satellit gestartet wird. Danach ist es nicht mehr praktikabel, die Leistung des Mikrowellennetzwerks zu optimieren, indem die Übertragungsleitungslängen an Bord des Satelliten weiter eingestellt werden.
Um die wirksame elektrische Länge einer Übertragungsleitung zu variieren, um eine geeignete Abstimmung zu erreichen, werden Halbleiter-PIN-Diodenschalter und/oder FET-Schalter längs der Segmente der Übertragungsleitung platziert und selektiv ein- und ausgeschaltet, um die gewünschte elektrische Leitungslänge zu erhalten. Harmonische Signale, die durch die nicht-linearen Verstärkereigenschaften von Leistungsverstärkern erzeugt werden, sind ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz und sind üblicherweise in den meisten Mikrowellenkommunikationsanwendungen unerwünscht und müssen deshalb reduziert werden. Die harmonischen Signale können durch Abstimmen der wirksamen elektrischen Längen der Übertragungsleitungen an den Eingangs- und Ausgangsenden des Verstärkers reduziert werden. Ein typischer Mikrowellenhalbleiter-Leistungsverstärker ist in S. Toyoda, "High Efficiency Signal and Push-Pull Power Amplifiers" IEEE MTT-S Digest, 1993, Seiten 277 bis 280 beschrieben.
MEM-Schalter sind kleine Schaltvorrichtungen, die durch eine Betätigungsspannung aktiviert werden, und werden üblicherweise auf einem Halbleitersubstrat gefertigt. Geeignete Substrate umfassen Silizium (Si) und Gallium Arsenid (GaAs), die die üblichsten Typen von Halbleitermaterialien sind, die in MMICs verwendet werden. MEM-Schalter können ebenfalls auf Substraten von dielektrischen Materialien hergestellt werden, wie beispielsweise Aluminium, das in Hybrid-Schaltungen verwendet wird. MEM-Schalter für GaAs MMICs sind in L. E. Larson et al., "Microactuators for GaAs-based Microwave Integrated Circuits", IEEE Transducers 1991 Conference on Solid State Sensors and Actuators, 1991, Seiten 743–746 beschrieben. Die Betätigungsspannung bestimmt, ob der Schalter in einem "An"- oder "Aus"-Zustand ist.
Ein Typ eines MEM-Schalters ist der MEM-Schalter mit deformierbarer freitragender Brücke, der einen deformierbaren freitragenden Brückenarm besitzt, der sich zum Öffnen und Schließen eines Schaltungspfads bewegt, und der in L. E. Larson, et al. oben beschrieben ist. Der Schalter ist hinsichtlich seiner Abmessungen klein mit typischen Abmessungen im Bereich von 17,5 μm × 125 μm und er kann auf Substraten unterschiedlicher Materialien gefertigt werden, wie beispielsweise Si und GaAs. Der Schalter wird ein- oder ausgeschaltet durch Anlegen eines Spannungssignals an eine statische elektrische Schaltungselektrode, die eine leitfähige Schicht ist, die auf einem Halbleitersubstrat abgeschieden ist und unterhalb des Brückenarms positioniert ist. Der Schalter öffnet oder schließt durch Bewegen des Brückenarms abhängig von dem Spannungssignal. Eine typische Betätigungsspannung zum Einschalten des Schalters, d.h. zum Schließen des Schaltungspfads mit dem beweglichen Brückenarm liegt im Bereich von etwa 70 bis 90 Volt.
MEM-Schalter, wie beispielsweise in EP 0 709 911 A2 offenbart, wurden in neukonfigurierbaren Mikrowellennetzwerken an Bord eines Weltraumfahrzeugs nicht benutzt, da der Kontakt mechanisch ist und als nicht stabil betrachtet wurde, wenn er hohen Beschleunigungen und/oder Vibrationen ausgesetzt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Angesichts der oben genannten Probleme stellt die vorliegende Erfindung Mikrowellen-Abstimmungs-Netzwerke bereit, die MEM-Schalter einsetzen, um die Netzwerktopologie eines MMIC, einer MIC oder einer Hybrid-Schaltung zu verändern, um ein gewünschtes Frequenzverhalten zu erreichen. In einem Netzwerk, das eine Vielzahl von induktiven Leitungen umfasst, sind MEM-Schalter zwischen den Leitungen angeschlossen, um eine neu konfigurierbare induktive Schaltung auszubilden. MEM-Schalter können auch in einem Netzwerk von binär gewichteten Einheitskapazitäten implementiert werden, um eine neu konfigurierbare Kapazitätsschaltung auszubilden. Ein Filter ist durch Kombinieren dieser neu konfigurierbaren kapazitiven und induktiven Schaltungen in einer gewünschten Netzwerkkonfiguration ausgebildet. Das Frequenzverhalten des Filters ist abstimmbar durch selektives Schalten von zumindest einigen der kapazitiven und/oder induktiven Schaltungen, um die Schaltungskonfigurationen zu verändern.
Viele andere Implementationen von MEM Schalter basierten Abstimmungsnetzwerken sind ebenfalls leicht möglich. In einem Mikrowellenverstärkernetzwerk sind die MEM-Schalter eingesetzt, um die wirksamen elektrischen Längen von Eingangs- und Ausgangsübertragungsleitungen einzustellen, um den Verstärker auf ein gewünschtes Frequenzverhalten abzustimmen. Das Verstärkernetzwerk kann für ein gewünschtes Frequenzverhalten abgestimmt werden, was die Harmonischen reduziert. Das Verbinden einer Anzahl von Shunt-Stichleitungen ausgewählter Längen an ausgewählten Orten mit den Eingangs- und Ausgangsübertragungsleitungen verändert die Eingangs- und Ausgangsimpedanz der Übertragungsleitungen und führt zu einer Veränderung des Frequenzverhaltens des Verstärkernetzwerks. Jede Shunt-Stichleitung ist mit einer Übertragungsleitung über einen MEM-Schalter verbunden. Durch selektives Schließen der MEM-Schalter mit einigen der Shunt-Stichleitungen, während andere geöffnet werden, kann ein gewünschtes Frequenzverhalten für das Verstärkernetzwerk erreicht werden.
Dies und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen, wobei:
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 eine vereinfachte Draufsicht eines neu konfigurierbaren induktiven Leitungsnetzwerks ist, das mit einer Vielzahl von Schaltern auf einem Substrat verbunden ist;
2a eine vereinfachte Draufsicht eines neu konfigurierbaren binär gewichteten Kapazitätsnetzwerks ist, das über eine Vielzahl von Schaltern auf einem Substrat verbunden ist;
2b eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie 2b-2b von 2a ist, und die Platten eines binär gewichteten Kondensators zeigt;
3a eine vereinfachte Draufsicht eines Mikrowellenfilters ist, der durch Verbinden einer Vielzahl von Kapazitäts- und Induktivitäts-Netzwerken von 1 und 2a über eine Vielzahl von Schaltern ausgebildet ist;
3b ein äquivalentes Schaltungsdiagramm des Filters in 3a ist;
4a eine vereinfachte Draufsicht eines Übertragungsleitungssegments mit Shunt-Stichleitungen ist, die über MEM-Schalter an unterschiedlichen Orten damit verbunden sind;
4b eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie 4b-4b von 4a ist und die Verbindung einer Shunt-Stichleitung mit offener Schaltung mit dem Übertragungsleitungssegment über MEM-Schalter zeigt; und
5 eine vereinfachte Draufsicht eines Mikrowellenverstärkerabstimmungsnetzwerks mit MEM-Schaltungsverbindungs-Shunt stichleitungen ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt Mikrowellenabstimmungsnetzwerke bereit, die MEM-Schalter verwenden, die selektiv unterschiedliche Mikrowellenkomponenten auf dem Substrat eines MMIC, eines MIC oder einer Hybrid-Schaltung verbinden, um die Netzwerktopologie für bestimmte Zwecke zu verändern, wie beispielsweise zum Erzeugen eines gewünschten Frequenzverhaltens. Die Impedanzanpassung einer Übertragungsleitung wird durch Platzieren einer Anzahl von Shunt-Stichleitungen an gewünschten Stellen und durch selektives Verbinden der Shunt-Stichleitungen mit der Übertragungsleitung über MEM-Schalter erreicht. In einem Mikrowellenverstärkernetzwerk sind die Übertragungsleitungen, die mit dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers verbunden sind, selektiv mit den Shunt-Stichleitungen über MEM-Schalter verbunden, um den Verstärker auf ein gewünschtes Frequenzverhalten abzustimmen. In einem abstimmbaren Mikrowellenfilternetzwerk wird die Schaltungstopologie durch selektives Schalten der kapazitiven und/oder induktiven Schaltungen des Filters mit MEM-Schalter geändert, um ein gewünschtes Frequenzverhalten bereitzustellen.
MEM-Schalter haben mehrere Vorteile gegenüber Halbleiter-PIN-Dioden und FET-Schaltern. Der "Ein"-Widerstand und die "Aus"-Kapazität eines typischen MEM-Schalters mit deformierbarer freitragender Brücke liegt im Bereich von 2 Ohm bzw. 1,6 Femtofarad. Als Ergebnis des geringen "Ein"-Widerstands und der geringen "Aus"-Kapazität ist die Einfügungsdämpfung im "Ein"-Zustand etwa 0,05 dB niedrig und die Isolierung liegt im "Aus"-Zustand im Bereich von 33 dB bei einer Frequenz von etwa 18 GHz. MEM-Schalter zeigen im Allgemeinen einen sehr viel geringeren "Ein"-Widerstand und eine geringere "Aus"-Kapazität als typische Mikrowellen-PIN-Dioden oder FET-Schalter. Wenn Schalter verwendet werden, um das Frequenzverhalten eines Netzwerks einzustellen, ist es sehr wünschenswert, dass die Schalter so perfekt wie möglich sind, d.h. eine Einfügungsdämpfung von nahezu null im "Ein"-Zustand und eine nahezu unendliche Isolie rung im "Aus"-Zustand besitzen. Deshalb sind MEM-Schalter für neu konfigurierbare Mikrowellennetzwerke besser als Halbleiterschalter geeignet.
MEM-Schalter zeigen exzellente Schalteigenschaften mit einer niederen Einfügungsdämpfung im "Ein"-Zustand und eine hohe Isolierung im "Aus"-Zustand, von Gleichspannung bis zu hohen Mikrowellenfrequenzen. Ein typischer MEM-Schalter besitzt eine Einfügungsdämpfung von weniger als 0,5 dB im "Ein"-Zustand und eine Isolierung größer als 25 dB im "Aus"-Zustand bei Frequenzen von bis zu etwa 45 GHz. Deshalb sind MEM-Schalter für den Betrieb in X-, Ku- und Ka-Bändern geeignet. Darüber hinaus öffnet und schließt ein MEM-Schalter einen Schaltungspfad durch mechanische Bewegung seines Brückenarms. Es gibt keinen P/N-Übergang in einem MEM-Schalter und deshalb werden keine Nicht-Linearitäten durch die elektrischen Eigenschaften der Halbleiter erzeugt. Die Intermodulationsstörung und die Harmonischen, die von einem MEM-Schalter erzeugt werden, sind so gering, dass sie für die meisten Anwendungen vernachlässigbar sind.
Ein MEM-Schalter verbraucht weniger Energie als ein Halbleiter-PIN-Dioden- oder FET-Schalter und benötigt keine kontinuierliche Energieversorgung, um eine Vorspannungs-Spannung aufrecht zu erhalten. Das Einschalten des Schalters erfordert eine Betätigungsspannung, aber diese Spannung liefert nur eine statische elektrische Ladung, die den Brückenarm bewegt, und die Energie, die zum Schalten erforderlich ist, ist sehr viel geringer als die kontinuierliche Energie, die ein PIN-Dioden- oder ein FET-Schalter benötigt. Deshalb sind MEM-Schalter für Weltraumfahrzeug-Anwendungen geeignet, bei denen der Energie verbrauch direkt die Lebensdauer des Weltraumfahrzeugs beeinflusst.
1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der ein abstimmbares, induktives Leitungsnetzwerk eine Vielzahl von induktiven Leitungen 6a, 6b, 8a, ... 8d aufweist, die über eine Vielzahl von Schaltern 10a, 10b, ... 10k, vorzugsweise MEM-Schalter, auf einer Mikrowellenschaltung 11 verbunden sind, die ein Substrat 13 eines Halbleitermaterials, wie beispielsweise Silizium oder GaAs, oder ein dielektrisches Material, wie beispielsweise Aluminium, aufweist, das in Hybrid-Schaltungen Verwendung findet. Selektives Schalten von zumindest einem der MEM-Schalter verändert den Induktivitätswert des gesamten Induktivitätsleitungsnetzwerks und ändert damit dessen Frequenzverhalten. Bei dieser Ausführungsform haben die induktiven Leitungen jeweils einen Induktivitätswert L₁, und die induktiven Leitungen 8a, ... 8d haben jeweils einen Induktivitätswert L₂. Falls die Schalter 10a, ... 10c geschlossen sind, während die Schalter 10d, ... 10k geöffnet sind, sind nur die induktiven Leitungen 6a, 6b verbunden, um zu einem Gesamtinduktivitätswert von 2L₁ zu gelangen. Falls die Schalter 10b, 10f, 10h und 10j geöffnet sind, während die Schalter 10a, 10c, 10d, 10e, 10g, 10i und 10k geschlossen sind, beträgt die Gesamtinduktivität des Netzwerks 2L₁ + 2L₂. Falls die Schalter 10b, 10f, 10h und 10i geöffnet sind, während die Schalter 10a, 10c, 10d, 10e, 10g, 10j und 10k geschlossen sind, beträgt die gesamte Induktivität des Netzwerks 2L₁ + 4L₂. Andere induktive Netzwerkkonfigurationen sind ebenfalls denkbar und die einzelnen induktiven Leitungen können die gleichen oder unterschiedliche Induktivitätswerte besitzen. Das induktive Leitungsnetzwerk als Ganzes kann als einzelne einstellbare Induktivität in einem Filter verwendet werden, wobei die Einstellung über ein selektives Schalten der MEM-Schalter hergestellt wird.
2a zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der ein abstimmbares Kapazitätsnetzwerk eine Vielzahl von binär gewichteten Kapazitäten aufweist, deren obere Platten 12a, 12b, ... 12g mit einer Vielzahl von Schaltern 14a, 14b, ... 14k, vorzugsweise MEM-Schalter, auf einer Mikrowellenschaltung 11 verbunden sind, die ein Substrat 13 aus einem Halbleitermaterial oder einem dielektrischen Material besitzt. Eine binär gewichtete Kapazität besitzt einen Querschnitt, wie in 2d gezeigt, wobei die obere Platte 12d auf dem Halbleitersubstrat 13 positioniert ist, das auf einer gemeinsamen Masse-Ebene 16 positioniert ist. Die Masse-Ebene 16 ist üblicherweise geerdet und funktioniert zusammen mit der oberen Platte 12d als Parallelplatten für den binär gewichteten Kondensator.
Das Kapazitätsnetzwerk als Ganzes wird als einzelner einstellbarer Kondensator in einem Filter auf einem MMIC, einem MIC oder einer Hybrid-Schaltung eingesetzt. Zurückkehrend zu 2a sind die MEM-Schalter 14a, 14b, ... 14k selektiv schaltbar, so dass die Topologie der Kapazitätsschaltung neu konfiguriert werden kann, um die Kapazitätswerte des gesamten Netzwerks zu verändern und damit das Frequenzverhalten zu verändern. Bei dieser Ausführungsform haben die Kapazitäten 12a, 12b, 12g jeweils einen Kapazitätswert C₁, und ein Übertragungsleitungssegment 18 ist mit den Kapazitäten über die Schalter 14b, 14c und 14d verbunden. Unterschiedliche Netzwerkkapazitäten werden erreicht, indem einige der Kapazitäten verbunden werden, während andere von einander getrennt werden. Um beispielsweise eine Gesamtnetzwerk-Kapazität von 2C₁ zu erhalten, sind die Schalter 14a, 14c und 14j geschlossen, während die Schalter 14b, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h, 14i und 14k geöffnet sind. Um eine Netzwerkkapazität von 4C₁ zu erhalten, sind die Schalter 14a, 14b, 14e, 14h, 14i und 14k geschlossen, während die Schalter 14c, 14d, 14f, 14g und 14j geöffnet sind. 2a zeigt nur eine Konfiguration eines MEM-Schalter-verbundenen Kapazitätsnetzwerks; andere Konfigurationen sind ebenfalls denkbar.
3a zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein abstimmbares Filter die Kapazitäts- und Induktivitätsnetzwerke entlang der Leitungen von 1 und 2a kombiniert. Eine Eingangsübertragungsleitung 20 ist mit einem binär gewichteten Kondensator 22a mit einem Kapazitätswert C₂ verbunden, und der Kondensator 22a ist mit einem Kapazitätsnetzwerk 24a verbunden, das gleich zu dem von 2a ist und eine Vielzahl von MEM-Schaltern umfasst, die die Kapazität des Netzwerks einstellen. Der Kondensator 22a ist mit einer Induktivitätsschaltung 26a verbunden, die gleich zu der von 1 ist. Ein Filter ist durch Wiederholen dieses Aufbaus von abwechselnd verbundenen Kondensatoren 22a, 22b, 22c, den jeweiligen Kapazitätsnetzwerken 24a, 24b, 24c und den Induktivitätsnetzwerken 26a, 26b ausgebildet. Das Ausgangssignal des Filters wird von dem Kondensator 22c zu einer Ausgangsübertragungsleitung 28 übertragen. Die äquivalente Schaltung von 3a ist in 3b gezeigt, bei der die Kapazitäten C_a, C_b und C_c die Summen der Kapazitätswerte der Kondensatoren 22a, 22b und 22c bzw. der abstimmbaren Kapazitätsnetzwerke 24a, 24b und 24c sind. Die Induktivitäten L_a und L_b sind die Induktivitätswerte der abstimmbaren induktiven Leitungsnetzwerke 26a bzw. 26b. Jeder der Kapazitätswerte C_a, C_b und C_c und der Induktivitätswerte L_a und L_b, die zusammen das Frequenzverhalten des Filters bestimmen, kann durch selektives Schalten von zumindest einigen der MEM-Schalter innerhalb der Kapazitäts- und Induktivitätsnetzwerke verändert werden. Das Filter wird abgestimmt auf ein gewünschtes Frequenzverhalten durch Schließen einiger der Schalter, während andere geöffnet werden. 3a und 3b zeigen nur eine Filterkonfiguration; andere Konfigurationen sind ebenfalls denkbar.
4a zeigt ein Impedanzanpassungsnetzwerk mit einem Hauptübertragungsleitungssegment 40, das einen Eingang 42 und einen Ausgang 44 besitzt. Das Netzwerk ist auf dem Substrat 13 einer Mikrowellenschaltung 11 implementiert, die ebenfalls eine Masse-Ebene unterhalb des Substrats besitzt, um eine vollständige Übertragungsleitungsschaltung auszubilden. Die Übertragungsleitung 40 hat eine charakteristische Impedanz, die im Allgemeinen real ist und im Wesentlichen Frequenz unabhängig ist. Die Impedanz einer Last an dem Ausgang 44 kann einen Wert haben, der sich von der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung unterscheidet, und kann sogar komplex sein, falls die Last eine kapazitive und/oder eine induktive Komponente besitzt. Falls die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung sich von der Lastimpedanz unterscheidet und die wirksame elektrische Leitungslänge nicht richtig abgestimmt ist, tritt eine Fehlanpassung auf und der Eingang 42 erfährt eine Spannungs- und/oder Stromreflexion aus dem Netzwerk. Falls in gleicher Weise es eine Fehlanpassung zwischen der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung und der Eingangsimpedanz am Eingang 42 gibt, erfährt der Ausgang 44 eine Reflexion. Die reflektierten Wellen interferieren mit der gewünschten Mikrowellenübertragung, reduzieren die Übertragungseffizienz und verursachen unerwünschte Resonanz entlang der Übertragungsleitung.
Die Impedanzfehlanpassung ist Frequenz abhängig für eine feste wirksame elektrische Leitungslänge. Die Fehlanpassung innerhalb eines ausgewählten Frequenzbereichs kann reduziert werden, um ein gewünschtes Frequenzverhalten zu erzeugen, indem ein oder mehrere Shunt-Stichleitungen von bestimmter Länge an ausgewählten Orten entlang der Übertragungsleitung verbunden werden. Da ein herkömmliches Abstimmen durch kontinuierliches Einstellen der Länge einer Shunt-Stichleitung in Weltraumfahrzeuganwendungen nicht leicht möglich ist, müssen Shunt-Stichleitungen fester Länge bereitgestellt werden. Um eine gewünschte wirksame elektrische Länge für die Übertragungsleitung zu erhalten, werden eine Vielzahl von Shunt-Stichleitungen 50 vorzugsweise auf dem Substrat 13 auf einer oder beiden Seiten der Übertragungsleitung 40 positioniert. Jede Shunt-Stichleitung besitzt einen Abschluss 52, der entweder offen oder kurz geschlossen sein kann. Auf einem MMIC- oder einem MIC-Substrat ist es bevorzugt, dass die Shunt-Stichleitungen offene Abschlüsse besitzen, so dass keine Verbindung zwischen den Stichleitungen und der Masse-Ebene vorgesehen werden muss. Kurz geschlossene Abschlüsse auf einem MMIC oder einem MIC erfordern einen Leiter, der durch das Substrat dringt, um die Shunt-Stichleitung mit der Masse-Ebene elektrisch zu verbinden, und wäre folglich schwieriger herzustellen. Ein Kurzschluss ist jedoch in der Lage, einen stabileren Abschluss in einem breiten Frequenzbereich bereitzustellen und ist in einigen Anwendungen deshalb wünschenswert.
Jede Shunt-Stichleitung 50 ist mit der Hauptübertragungsleitung 40 über einen jeweiligen MEM-Schalter 54 verbunden. Durch selektives Schließen der MEM-Schalter mit einigen der Shunt-Stichleitungen, während andere geöffnet werden, kann ein gewünschtes Frequenzverhalten für die Übertragungsleitung erreicht werden, um die Impedanzfehlanpassung innerhalb eines gewünschten Frequenzbereichs zu reduzieren. Die Abstände zwischen den MEM-Schaltern für benachbarte Shunt-Stichleitungen entlang der Übertragungsleitung beträgt bevorzugt etwa eine viertel Wellenlänge oder ein ganzzahliges Vielfaches einer viertel Wellenlänge. Die Länge jeder Shunt-Stichleitung beträgt vorzugsweise etwa eine halbe Wellenlänge oder ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge. Andere Kombinationen von Shunt-Stichleitungslängen und Abständen sind ebenfalls denkbar. Die Shunt-Stichleitungen müssen nicht die gleiche Länge besitzen und die Abstände müssen nicht gleich sein.
4b zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie 4b-4b, wobei die Übertragungsleitung 40, der MEM-Schalter 54 und die Shunt-Stichleitung 50 auf dem Substrat 13 sind. Eine gemeinsame Masse-Ebene 56 ist unterhalb des Substrats 13 positioniert. Der MEM-Schalter besitzt einen beweglichen freitragenden Brückenarm 58, der ein festes Ende besitzt, das an einem leitfähigen Schaltanschluss 60 angebracht ist, und ein bewegliches Ende, das ausgelegt ist, um einen Kontaktanschluss 64 elektrisch zu kontaktieren, wenn der Schalter geschlossen ist. Die Bewegung des Brückenarms 58 wird gesteuert durch eine Aktivierungsspannung, die an eine Schaltelektrode 66 geführt ist, die auf dem Substrat 13 unterhalb des Brückenarms 58 liegt. Der Brückenarm selbst dient als eine andere Elektrode, die sich deformiert und sich in Richtung der Schaltelektro de bewegt, wenn eine Aktivierungsspannung auf der Schaltelektrode 66 erscheint, so dass das sich bewegende Ende den Kontaktanschluss 64 berührt. Die Aktivierungsspannung liegt allgemein im Bereich von etwa 70 bis 90 Volt. Der Kontaktanschluss 64 ist mit der Übertragungsleitung 40 verbunden, und der Schaltanschluss 60 ist mit der Shunt-Stichleitung 50 verbunden, die einen offenen Abschluss 52 besitzt.
5 zeigt ein Verstärkernetzwerk auf dem Substrat 13 einer Mikrowellenschaltung 11. Die Schaltung umfasst einen Halbleiterverstärker 70, der ein Eingangsmikrowellensignal von einem Eingang 72 verstärkt und ein verstärktes Signal an einem Ausgang 74 erzeugt. Die meisten Halbleitermikrowellenverstärker, insbesondere Leistungsverstärker, haben eine nicht lineare Übertragungs-Ansprechcharakteristik, die unerwünschte harmonische Ausgangssignale erzeugt. Die harmonischen Signale werden mit Frequenzen erzeugt, die ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz sind, d.h. der Frequenz des Eingangssignals. Ein Eingangsübertragungsleitungssegment 76 ist angeschlossen, um das Eingangssignal dem Verstärkereingang zuzuführen, und ein Ausgangsübertragungsleitungssegment 78 ist mit dem Verstärkerausgang verbunden, um das Ausgangssignal zu übertragen. Ein harmonisches Abstimmungsübertragungsleitungssegment 80, das von dem Ausgangsübertragungsleitungssegment 78 abzweigt, ist bevorzugt zur Reduzierung der Harmonischen vorgesehen, die von dem Verstärker erzeugt werden.
Eine Vielzahl von Shunt-Stichleitungen 50 sind mit dem Eingangsübertragungsleitungssegment 76 über jeweilige MEM-Schalter 54 in einer Konfiguration verbunden, die gleich der in 4a gezeigten ist. Die Shunt-Stichleitungen haben vorzugs weise jeweils einen offenen Abschluss 52. Die MEM-Schalter werden selektiv ein- und ausgeschaltet, um die Eingangsimpedanz anzupassen, so dass ein Eingangssignal zu dem Verstärkereingang 72 übertragen werden kann, ohne zu dem Eingangsleitungssegment 76 zurückreflektiert zu werden.
In gleicher Weise ist das Ausgangsübertragungsleitungssegment 78 ebenfalls mit einer Vielzahl von Shunt-Stichleitungen 50 versehen, die über jeweilige MEM-Schalter 54 gleich zu der 4a verbunden ist. Die Ausgangsimpedanz wird durch selektives Schalten von zumindest einigen der Shunt-Stichleitungen angepasst, um die Reflektion innerhalb eines gewünschten Frequenzbereichs zu reduzieren. Eine Ausgangsimpedanzanpassung ist wichtig, da die meisten Halbleitermikrowellenverstärker sehr empfindlich gegenüber reflektierter Leistung in das Ausgangsende des Verstärkers sind, und können physikalisch beschädigt oder zerstört werden, falls die reflektierte Leistung hoch genug ist. Das Verhindern von Reflexion von dem Ausgangsleitungssegment 78 in den Verstärkerausgang 74 ist deshalb unumgänglich, um einen sicheren Verstärkerbetrieb zu gewährleisten. Zusätzliche Shunt-Stichleitungen und die jeweils zugeordneten MEM-Schalter können entlang des Ausgangsleitungssegments 78 vorgesehen sein, um eine Feinabstimmung zu ermöglichen, um die Reflexion zu dem Verstärkerausgang 74 weiter zu reduzieren. Die Shunt-Stichleitungen können unterschiedliche Längen und unterschiedliche Abstände aufweisen, um die Reflexion über einen gewünschten Frequenzbereich zu reduzieren.
Das harmonische Abstimmungsübertragungsleitungssegment 80 ist mit einer Vielzahl von Shunt-Stichleitungen 50 über jeweilige MEM-Schalter 54 verbunden, die selektiv ein- oder ausge schaltet werden, um die Amplituden der harmonischen Ausgangssignale zu reduzieren. Ein Verstärker kann mehrere harmonische Frequenzsignale erzeugen, die unterdrückt werden müssen, und die Shunt-Stichleitungen 50 mit jeweiligen Abschlüssen 52 sind angeordnet, um diese Signale daran zu hindern, zu dem Ausgangsleitungssegment 78 übertragen zu werden. Ein richtig abgestimmtes harmonisches Abstimmungsleitungssegment leitet die harmonischen Signale zu einer Last 82, die vorzugsweise an dem Ende des harmonischen Abstimmungsleitungssegment 80 vorgesehen ist, um die Energie der harmonischen Signale zu absorbieren, die nicht zurück zu dem Ausgangsleitungssegment 78 reflektiert werden. Die Shunt-Stichleitungen mit unterschiedlichen Abständen und/oder unterschiedlichen Längen können eingesetzt werden, um die Absorption der interessierenden Harmonischen zu optimieren.

Claims

Ein Abstimm-Netzwerk, das für Weltraumfahrzeug-Anwendungen ausgelegt ist, auf einer monolithischen integrierten Mikrowellenschaltung (MMIC), mit einem Substrat (13) und zumindest einer Übertragungsleitung (18; 20, 28; 40), die Eingangs- und Ausgangsübertragungsleitungen auf der Oberfläche des Substrats (13) und eine gemeinsame Masseebene (16; 56) unterhalb des Substrats (13) haben, zumindest einer Mikrowellenimpedanzkomponente (6, 8; 12; 50), die verbunden ist, um einen Mikrowellensignalpfad zu der Übertragungsleitung (18; 20, 28; 40) bereitzustellen, und zumindest einem mikroelektromechanischer (MEM) Schalter (10; 14; 54), der verbunden ist, um den Mikrowellensignalpfad zwischen der zumindest einen Komponente (6, 8; 12; 50) und der zumindest einen Übertragungsleitung (18; 20, 28; 40) zu steuern.
Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die eine Mikrowellenkomponente (6, 8; 12; 50) als eine Vielzahl von Kapazitäten (12a–12g, 22a–22c; 24a–24c) konfiguriert ist, wobei zumindest einige der Kapazitäten (12a–12g, 22a–22c) steuerbar verbunden sind über die MEM Schalter (14a–14k), um die Frequenzantwort des Netzwerks einzustellen.
Netzwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitäten (12a–12g, 22a–22c; 24a–24c) binär gewichtete Kapazitäten (22a–22c) aufweisen.
Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Mikrowellenimpedanzkomponente (6, 8; 12; 50) als eine Vielzahl von Induktoren (6a–6b, 8a–8d) konfiguriert ist, wobei zumindest einige der Induktoren (6a–6b, 8a–8d) steuerbar verbunden sind über die MEM Schalter (10a–10k), um die Frequenzantwort des Netzwerks einzustellen.
Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Mikrowellenkomponente (6, 8; 12; 50) eine Vielzahl von Induktoren (6a–6b, 8a–8d; L_a, L_b) und eine Vielzahl von Kapazitäten (12a–12g, 22a–22c; 24a–24c; C_a, C_b, C_c) aufweist, wobei einige davon steuerbar verbunden sind über die MEM Schalter (10a–10k; 14a–14k), um die Frequenzantwort des Netzwerks einzustellen, um einen abstimmbaren Filter auszubilden.
Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Mikrowellenkomponente (6, 8; 12; 50) als eine Vielzahl von Shunt-Stichleitungen (50) an ausgewählten Orten benachbart der zumindest einen Übertragungsleitung (40) konfiguriert ist, und dass eine Vielzahl der MEM Schalter (54) verbunden sind, um die Impedanz der zumindest einen Übertragungsleitung (40) einzustellen.
Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem Verstärker (70) mit einem Eingang (72) und einem Ausgang (74), gekennzeichnet durch: a) die zumindest eine Übertragungsleitung (40) umfasst eine Eingangsübertragungsleitung (76), die verbunden ist, um ein Eingangssignal zu dem Verstärkereingang (72) zu führen, und eine Ausgangsübertragungsleitung (78), die verbunden ist, um ein verstärktes Signal von dem Verstärkerausgang (74) zu übertragen; b) die zumindest eine Mikrowellenimpedanzkomponente (6, 8; 12; 50) umfasst eine Vielzahl von Shunt-Stichleitungen (50) an ausgewählten Orten benachbart der Eingangs- und der Ausgangsübertragungsleitung (76, 78); und c) der zumindest eine MEM Schalter (54) umfasst eine Vielzahl von MEM Schaltern (54), die steuerbar verbunden sind zwischen den Übertragungsleitungen (76, 78) und jeweiligen Shunt-Stichleitungen (50), um die Impedanz der Eingangsübertragungsleitung (76) und/oder die Impedanz der Ausgangsübertragungsleitung (78) einzustellen.
Netzwerk nach Anspruch 7, wobei der Verstärker (70) ein Ausgangssignal erzeugt, das zumindest eine Oberwelle enthält, gekennzeichnet durch: a) eine Oberwellenabstimmübertragungsleitung (80), die verbunden ist, um einen Oberwellensignalpfad von dem Verstärkerausgang (74) zu einer Last (82) bereitzustellen, die mit dessen Ende verbunden ist; b) zusätzliche Shunt-Stichleitung (50) an ausgewählten Orten benachbart der Oberwellenabstimmübertragungsleitung (80); und c) zusätzliche MEM Schalter (54), die zwischen der Oberwellenabstimmübertragungsleitung (80) und jeweiligen zusätzlichen Shunt-Stichleitungen (50) steuerbar verbunden sind, um die Oberwellensignalreflexion von der Oberwellenabstimmübertragungsleitung (80) zu der Ausgangsübertragungsleitung (78) zu reduzieren.
Netzwerk nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Shunt-Stichleitungen (50) Abschlüsse (52) mit offenem Stromkreis besitzen.
Netzwerk nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Shunt-Stichleitungen (50) Abschlüsse (52) mit geschlossenem Stromkreis besitzen.