JP2017126981A - マイクロ波ｍｅｍｓ移相器 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも１つの移相セクションを有する移相器を提供する。【解決手段】移相セクションは、入射する無線周波数信号を受信するための入力ポート２１０と、出射する無線周波数信号を送信するための出力ポートと、入力ポートに結合される入力接合部と、出力ポートに結合される出力接合部と、複数の伝送線路とを備える。入力接合部は第１の複数のカンチレバータイプスイッチ２４０を備える。前記出力接合部は第２の複数のカンチレバータイプスイッチを備える。各伝送線路は、第１の複数のカンチレバータイプスイッチのうちの１つを第２の複数のカンチレバータイプスイッチのうちの対応する１つに接続する。第１の複数のカンチレバータイプスイッチと第２の複数のカンチレバータイプスイッチと複数の伝送線路とは、共平面導波路内に形成される。【選択図】図２

Description

本開示は、例えば、電子走査フェーズアレイアンテナ等のＲＦへの適用例において位相シフトを導入するためのデバイス及び技法に関し、より詳細には、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベーススイッチを用いる移相デバイス及び技法に関する。

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１５年１２月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／２７２，２８５号の出願日の利益を主張するものであり、この仮特許出願は、その開示内容を引用することにより、本明細書の一部をなすものとする。

マイクロ波移相器は、パッシブ電子走査アレイ（ＥＳＡ）内の送信／受信（Ｔ／Ｒ）モジュールの重要な構成要素であり、商用及び他の適用例において広く使用されている。Ｔ／Ｒモジュール内で低損失の移相器を利用することによって、電力要件が下がり、それゆえ、必要とされる構成要素の数も少なくなる。これにより、ひいては、小型化及びコストの削減をもたらすことができる。Ｋｕ帯域周波数（例えば、約１２ＧＨｚ〜約１８ＧＨｚ）において動作するＴ／Ｒモジュールは、広い観測幅、高い分解能の合成開口レーダ（ＳＡＲ）、地上積雪の撮像等のためのＥＳＡ及びＥＳＡアンテナの使用を可能にすることができる。４つの送信チャネル及び８つの受信機チャネルを有するＴ／Ｒモジュールの場合、それぞれの位相によって分離される３２個の信号を取り扱う５ビット移相器が有用な構成要素である。

モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）及び相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）技術を用いて、これまで、様々なタイプのデジタル移相器が実現されてきた。ＭＭＩＣベース移相器は多くの場合に、サイズが大きく、大きな損失を示し、歩留まりが低くなりがちな場合がある。ＣＭＯＳベース移相器は多くの場合に、サイズがコンパクトであるが、損失及び雑音を補償するために、そのような移相器（その移相器はアクティブ移相器である）は、各アンテナ素子においてＴ／Ｒモジュールを必要とする。これは、ＣＭＯＳベースフェーズドアレイのコストを大きく上昇させる。これに対して、１つのＴ／Ｒモジュールが複数の低損失移相器に接続される場合があるフェーズドアレイは、少ない構成要素数でも差し支えなく、そのため、より安価である。

フェーズドアレイは、フェライトベース移相器、半導体ベース（ＰＩＮダイオード又はトランジスタ）移相器及びＭＥＭＳベース移相器のいずれかを用いて実現することができる。移相器は、スイッチトライン構成、分布ＭＥＭＳ伝送線路（ＤＭＴＬ）構成、準集中素子構成、又は反射線路構成等の、幾つかの異なるトポロジを用いて実現することができる。一般的に、これらのトポロジは、６ビットまでの移相器を設計できるようにする。また、移相器は、液晶、フォトニック及び／又は強誘電体技術を用いて、周波数再構成を達成することもできる。上記の技術を用いて設計された移相器は、対象とする単一の帯域にわたって特定のタスクを実行することができる。

ＭＥＭＳベース技術は、詳細には、比較的コンパクトなサイズを保持しながら、ＰＩＮダイオード及びトランジスタベーススイッチ（例えば、ＦＥＴスイッチ）等の他の現代の固体技術に比べて、対象とする帯域にわたる送信信号の低損失、改善された整合、低い直流（ＤＣ）電力消費量、及び改善された位相精度を達成する能力を有する。ＭＥＭＳベース移相器は、アナログ又はデジタルのいずれとしても設計することができる。アナログ移相器は、その名前が指しているように、バラクタによって０度〜３６０度内で挿入位相を制御するために使用することができる。デジタル移相器は離散的な位相遅延を生成するために使用することができ、その位相遅延は、スイッチ（スイッチトライン、ローデッドライン移相器）又はバラクタ（ＤＭＴＬ移相器）によって選択することができる。そのため、最新のＲＦシステムに対する要求及び高精度計測に対する要求を満たすために、ＭＥＭＳベースデジタル移相器を使用するフェーズドアレイを実現することが望ましい。

しかしながら、ＲＦフェーズドアレイにおいて移相器を実現するために上記で参照された技術（ＭＥＭＳを含む）のそれぞれを用いる場合、許容できる位相シフトで、かつ小さな面積内での許容できる再現性で低損失を達成するのは困難である。これらの難題は、より高いビット構成になるほど、及び２０ＧＨｚ未満の周波数等のより低いマイクロ波周波数になるほど、更に難しくなる。

ＤＭＴＬは、比較的良好な挿入損失性能をもたらす１つの選択肢である。しかしながら、ＤＴＭＬの動作は、ブラッグ周波数を横切ると、非線形になり、動作周波数帯域にわたって位相遅延が変動する。さらに、ＤＭＴＬ移相器の（その長さに沿った）面積は、より低い周波数（例えば、２０ＧＨｚ以下）において高いビット構成（例えば、３ビット以上）になるほど必然的に大きくなる。

さらに、従来のスイッチトライン５ビット移相器では、所望の位相シフトを達成するために、任意の所与の時点において、最低でも１０個のスイッチが起動されなければならない。別の言い方をすると、従来のスイッチトライン移相器の各セクションは、２つのスイッチ（１ビットセクションの一方の側に１つずつのスイッチ）の状態に基づいて、単一のビットを制御する。しかしながら、移相器の電力消費量を削減するために、所与の時点において、より少ない数のスイッチが起動されることが望ましい。

本開示は、無線周波数スペクトルのＫｕ帯域内の無線周波数信号の場合であっても、コンパクトなサイズにおいて低損失、低電力消費量及び良好な位相精度を達成する５ビット移相器を提供する。５ビット移相器は、共平面導波路内に形成されるＭＥＭＳベース単極多投（ＳＰＭＴ）スイッチの組合せを利用する。言い換えると、無線周波数信号が送信される伝送線路は、接地電極又は層と同じ側において基板上に形成され、その伝送線路は、ＭＥＭＳベースＳＰＭＴスイッチを用いて、線路及び接地と同じ面内で互いに接続される。

本開示の一態様は、少なくとも１つの移相セクションを備える移相器を提供する。移相セクションは、入射する無線周波数信号を受信するための入力ポートと、出射する無線周波数信号を送信するための出力ポートと、入力ポートに結合される入力接合部と、出力ポートに結合される出力接合部と、複数の伝送線路とを備えてなる。入力接合部は第１の複数のスイッチを備え、出力接合部は第２の複数のスイッチを備える。複数の伝送線路はそれぞれ、第１の複数のスイッチのうちの１つを第２の複数のスイッチのうちの対応する１つに接続する。第１の複数のスイッチと第２の複数のスイッチと複数の伝送線路とは、共平面導波路内に形成される。

幾つかの例では、入力接合部は少なくとも４つのカンチレバータイプスイッチを備えることができ、出力接合部は少なくとも４つのカンチレバータイプスイッチを備えることができる。他の例では、入力接合部は少なくとも８つのカンチレバータイプスイッチを備えることができ、出力接合部は少なくとも８つのカンチレバータイプスイッチを備えることができる。更に別の例では、入力接合部は１６個のカンチレバータイプスイッチを備えることができ、出力接合部は１６個のカンチレバータイプスイッチを備えることができる。

移相器は、１つの移相セクションの出力接合部が共平面導波路内に形成された伝送線路によって他の移相セクションの入力接合部に結合されるような、少なくとも２つの移相セクションを更に備えることができる。移相セクションを接続する伝送線路は、移相セクションのインダクタンスを整合させるための誘導セクションを備えることができる。これらの移相セクションのうちの少なくとも２つの場合に、各移相セクションの入力接合部は、少なくとも４つのカンチレバータイプスイッチを備えることができ、各移相セクションの出力接合部は少なくとも４つのカンチレバータイプスイッチを備えることができる。第３の移相セクションが、少なくとも２つのカンチレバータイプスイッチを備える入力接合部と、少なくとも２つのカンチレバータイプスイッチを備える出力接合部とを有することができる。

本開示の別の態様は、接地電位と同じ側（例えば、ＣＰＷ）において基板上に形成される第１の単極４投（ＳＰ４Ｔ）マイクロ電気機械スイッチ回路及び第２の単極４投（ＳＰ４Ｔ）マイクロ電気機械スイッチ回路を備える第１の２ビットセクションと、接地電位と同じ側において基板上に形成される第３のＳＰ４Ｔマイクロ電気機械スイッチ回路及び第４のＳＰ４Ｔマイクロ電気機械スイッチ回路を備える第２の２ビット移相セクションと、接地電位と同じ側において基板上に形成される第１の単極双投（ＳＰＤＴ）マイクロ電気機械スイッチ回路及び第２の単極双投（ＳＰＤＴ）マイクロ電気機械スイッチ回路を備える第３の１ビット移相セクションとを備える、移相器を提供する。ＳＰ４Ｔ及びＳＰＤＴマイクロ電気機械スイッチ回路内の各スイッチは、約２マイクロメートル厚の単一コンタクトスイッチとすることができる。５ビット出力を生成するために、所与の時点において、移相器の６つのスイッチしか作動する必要がない。幾つかの例では、移相器は、約５．１７ｍｍ×約３．１９ｍｍの面積を占有することができる。他の例では、移相器は、約４．７ｍｍ×約２．８ｍｍの面積を占有することができる。

移相器は、第１の単極４投（ＳＰ４Ｔ）マイクロ電気機械スイッチ回路及び第２の単極４投（ＳＰ４Ｔ）マイクロ電気機械スイッチ回路を備える２ビットセクションと、第１の単極８投（ＳＰ８Ｔ）マイクロ電気機械スイッチ回路及び第２の単極８投（ＳＰ８Ｔ）マイクロ電気機械スイッチ回路を備える３ビット移相セクションとを備えることができる。そのような例では、５ビット出力を生成するために、所与の時点において、移相器の４つのスイッチしか作動する必要がない。

代替的には、移相器は基板と、第１の単極１６投（ＳＰ１６Ｔ）マイクロ電気機械スイッチ回路及び第２の単極１６投（ＳＰ１６Ｔ）マイクロ電気機械スイッチ回路と、１６個の信号線とを備えることができ、各信号線は、第１のＳＰ１６Ｔスイッチ回路及び第２のＳＰ１６Ｔスイッチ回路のそれぞれのスイッチを互いに接続する。４ビット出力を生成するために、所与の時点において、移相器の２つのスイッチしか作動する必要がない。移相器は、均一なスイッチ作動を示すことができるか、基板の表面上で約１５．２ｍｍ^２の面積を占有することができるか、又はその両方である。

上記の例のいずれにおいても、移相器のセクションは、共平面導波路線路上でカスケードに（例えば、直列に）接続することができる。移相器は、所与の時点において、１０個より少ないスイッチが作動して５ビット出力を生成することができる。移相器は、約５００ＭＨｚの帯域幅でＫｕ周波数帯域において動作可能とすることができる。

本開示の更に別の態様は、本明細書において記載されるような複数の移相器を備えるフェーズアレイを提供する。フェーズアレイはパッシブ電子走査アレイとすることができ、複数の放射素子を備えることができる。各放射素子は、フェーズアレイの複数の移相器のうちの対応する移相器を備えることができる。

本開示による、例示的な移相器を示す概略図である。 本開示による、例示的な単極４投（ＳＰ４Ｔ）スイッチを示す概略的な平面図である。 図２のスイッチの場合の引込電圧及び解放電圧のグラフ表示である。 図２のスイッチの場合の損失性能のグラフ表示である。 本開示の別の態様による、例示的な移相器を示す平面図である。 図５のスイッチの場合の反射損失のグラフ表示である。 図５のスイッチの場合の挿入損失のグラフ表示である。 本開示による、別の例示的な移相器を示す平面図である。 図８のスイッチの場合の反射損失のグラフ表示である。 図８のスイッチの場合の挿入損失のグラフ表示である。 試験治具上に取り付けられる、本開示による例示的な移相器を示す斜視図である。 本開示による、別の例示的な移相器を示す概略図である。 本開示による、例示的な単極１６投（ＳＰ１６Ｔ）スイッチを示す平面図である。 図１３のスイッチの場合の反射損失及び挿入損失のグラフ表示である。 図１３のスイッチの場合のアイソレーションのグラフ表示である。 本開示による、例示的な４ビット移相器を示す平面図である。 図１６の移相器の場合の反射損失のグラフ表示である。 図１６の移相器の場合の挿入損失のグラフ表示である。 図１６の移相器の場合の周波数応答の関数としての位相誤差のグラフ表示である。

図１は、本開示の一態様による、例示的な無線周波数移相器１００の概略図である。移相器１００は、入力ポートＰ１と、出力ポートＰ２と、３つのカスケード接続されたセクション、すなわち、精細２ビットセクション（fine 2-bit section）１０２、粗大２ビットセクション（coarse 2-bit section）１０４及び１ビットセクション１０６とを備える。各セクションは、一対の単極多投（ＳＰＭＴ）スイッチを備え、１つのスイッチはそのセクションの入力側にあり、対応するスイッチが出力側にある。各スイッチは複数の切替可能素子を有し、それらの素子は一般に「スイッチ」とも呼ばれる。明確にするために、本開示はＳＰＭＴスイッチを「スイッチ回路」と呼び、その中に含まれる切替可能素子を「スイッチ」と呼ぶ。

単極多投スイッチ回路ごとに、所与の時点において、回路の１つのスイッチのみが起動される。移相器１００内のスイッチ回路対ごとに、１つのスイッチ回路の各スイッチは、他のスイッチ回路のスイッチと一対一対応を有し、第１のスイッチ回路のスイッチが起動されるとき、他のスイッチ回路の対応するスイッチが起動され、残りのスイッチは動作しないままである。

対応する各スイッチ対は、それぞれのチャネルを介して互いに接続され、そのセクションの入力側にある回路のスイッチにおいて受信された無線周波数信号を、チャネルを通して、そのセクションの出力側にあるその回路の対応するスイッチに送信できるようにする。精細２ビットセクション１０２及び粗大２ビットセクション１０４はいずれも、４つのチャネルによって接続される一対の単極４投スイッチ回路１２０を備える。１ビットセクション１０６は、２つのチャネルによって接続される一対の単極双投スイッチ回路１３０を備える。

各チャネルは、共平面導波路（ＣＰＷ）内に形成される信号線（例えば、伝送線路）とすることができ、それは、伝送線路がデバイスの接地電極と同じ平面内に（例えば、線路が形成される基板の同じ側に）あることを意味する。これは、マイクロストリップ線路内に構成される他のより高ビットの移相器（例えば、４ビット、５ビット等）と対照的である。マイクロストリップ線路構成は、製造に関する難題を増やし、接地するためのビア及び整合のためのラジアルスタブの形成を更に必要とする。本開示のＣＰＷ構成は、それぞれの信号線と近接して追従するように接地線を設計することによって、これらの困難な事態及び要件を回避する。

無線周波数信号が対応するスイッチ間で（入力側スイッチ回路から出力側スイッチ回路まで）信号線を介して送信されるとき、その信号は、チャネルの構成及び特性に応じて、位相シフトを受ける場合がある。本開示において、所与の移相器セクション１０２、１０４、１０６の各チャネルは、結果としてそれぞれ異なる位相シフトを生じるように設計される。具体的には、図１の例において、１ビットセクション１０６のチャネルはそれぞれ、０度及び１８０度の位相シフトを与える。したがって、信号は、どの対応するスイッチ対が起動されるかに応じて、１８０度シフトされるか、又は全くシフトされない。粗大２ビットセクション１０４のチャネルは、ここでもまた、どの対応するスイッチ対が起動されるかに応じて、それぞれ、付加的な０度、４５度、９０度又は１３５度の位相シフトを与える。精細２ビットセクション１０２は、ここでもまた、どの対応するスイッチ対が起動されるかに応じて、付加的な０度、１１．２５度、２２．５度又は３３．７５度の位相シフトを与える。例えば、信号に２９２．５度の位相シフトを適用することが望ましい場合には、精細２ビットセクション１０２の２２．５度の位相シフトチャネル、粗大２ビットセクション１０４の９０度の位相シフトチャネル及び１ビットセクション１０６の１８０度の位相シフトチャネルが、それぞれのチャネルの一方にあるスイッチを起動することによって開かれることになり、その間、移相器の残りのスイッチは動かないままにされる。

移相器セクション１０２、１０４及び１０６は、１つのセクションの出力が次のセクションの入力であるように、互いに直列に接続される。図１の例では、精細２ビットセクション１０２の出力は粗大２ビットセクション１０４のための入力であり、粗大２ビットセクション１０４の出力は１ビットセクションのための入力である。しかしながら、その移相器は、セクションの順序に関係なく、５ビット出力を有するフェーズアレイを作製できることを、当業者は認識するべきである。

また、チャネル構成は、５ビットフェーズドアレイが、３２個の異なる位相のうちのいずれか１つにおいて受信チャネルから信号を送信することができるように選択される。さらに、チャネル位相遅延は、３２個の異なる位相が１１．２５度の増分において、経時的に均等に散在するように選択される。

２ビットセクションはそれぞれ、一対の単極４投（ＳＰ４Ｔ）スイッチ回路１２０を備える。これらのスイッチ回路は、米国仮特許出願第６２／２７２，２８０号からの優先権を主張する「High Performance Switch for Microwave MEMS」と題する同一所有者の同時に出願された特許出願において記述されているような、ＭＥＭＳベースデジタルスイッチとすることができる。その特許出願の開示は、引用することによりその全体が本明細書の一部をなすものとする。その特許出願に記述されているように、各スイッチは、機械ばねがカンチレバービームを横方向に動かす機械的な力を与えるように、機械ばねがカンチレバービームの中点に接続されているカンチレバービームを有するラテラルスイッチとすることができる。代替的には、カンチレバービームは、（導波路の平面に対して）面外方向に動くことができ、機械ばねは、カンチレバービームを面外方向に動かす機械的な力を与える。いずれの設計でも、各機械ばねは、別々のアクチュエータによって作動することができる。

移相器の１ビットセクション１０６は、一対の単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチ回路１３０を備える。２ビットセクションのＳＰ４Ｔスイッチ回路間に延在する４つの伝送線路、すなわちチャネルと同様に、ＳＰＤＴスイッチ回路は、ＭＥＭＳベースデジタルスイッチとすることができる。スイッチ回路は、対応するスイッチ対間に延在する２つの伝送線路によって互いに接続することができ、同様に設計されたＭＥＭＳベーススイッチ回路を用いて、それらの伝送線路に接続することができる。

図１の移相器を全体として見ると、移相器１００の２ビットセクション１０２、１０４はそれぞれ８つのスイッチを備え、１ビットセクションは４つのスイッチを備える。全部で、移相器は２０個のスイッチを備える。任意の所与の時点において、各セクションの２つのスイッチ（スイッチ回路ごとに１つのスイッチ）がアクティブになる（例えば、閉じる）ことができ、それにより、２つの起動された（例えば、閉じられた）スイッチ間の選択されたチャネルにわたって信号を搬送する。したがって、移相器の３つのセクションにわたって信号を搬送するために、任意の所与の時点において、５ビット出力を与えるために、６つのスイッチ（又はカスケード接続されるステージごとに２つのスイッチ）しかアクティブになる必要がない。

全般に、上記の設計のＳＰＤＴスイッチ回路及びＳＰ４Ｔスイッチ回路は、比較的サイズが小さいこと、及び比較的に切替時間及び解放時間が短いこと（例えば、切替の場合に約２８μｓｅｃ及び解放の場合に約２１μｓｅｃ）に起因して、応力（例えば、延長された時間にわたって繰り返されるオン／オフ変化）に対して影響を受けにくい。

１ビットセクション１０６のＳＰＤＴスイッチ回路に関して、「High Performance Switch for Microwave MEMS」と題する同一所有者の同時に出願された特許出願は、ビームが撓む方向に応じて、ビームの遊端の両側にある２つのポートのうちのいずれか一方に接触させることができる、単一の横方向に撓むカンチレバービームを備えるＳＰＤＴスイッチ回路を記述している。そのようなＳＰＤＴスイッチ回路は、単一のスイッチを用いて、又は別の言い方をすると、スイッチの入力端を２つのチャネルのうちのいずれか一方に接触させることができる単一の可撓性素子を用いて設計することができる。

それにもかかわらず、ＭＥＭＳベースカンチレバータイプインラインスイッチの場合、単一コンタクトのカンチレバースイッチを使用することは、複数コンタクトのカンチレバースイッチを使用することより、一般的に平坦性及び応力の影響を受けにくいことがわかっている。複数コンタクトカンチレバースイッチは、単一コンタクト障害（例えば、１つのコンタクトが「下方」位置において永久に張り付いたままになる）及びアクチュエータ障害（例えば、１つのコンタクトが「上方」位置において永久に張り付いたままになる）の両方に陥りやすい場合がある。移相器（及び類似のスイッチング技術に依拠する他のデバイス）の単一のスイッチの障害でも、移相器の全体性能に著しく損害を与える可能性がある。さらに、カンチレバータイプスイッチの複数コンタクト及び他の複雑な設計は、包囲する構造間の先端の撓みの分布が不均等であることに起因して、応力勾配の影響を受けやすい場合がある。このため、スイッチを所望のように作動させるために、多くの場合に複数の電圧が必要とされる。しかしながら、複数の電圧を与えることは、所与の時点において複数の（例えば、６個の）スイッチが作動しているデバイスの場合に特に、デバイスの全体的な歩留まりを下げる可能性がある。対照的に、単一コンタクトカンチレバースイッチはスイッチの全体的な接触力を改善し、移相器内の種々の経路にわたるスイッチングによって引き起こされる静電力を均等に分散させるのを助ける。

図２は、共平面導波路内に形成されるＳＰ４Ｔスイッチ回路２００（図１のＳＰ４Ｔスイッチ回路等）の概略図である。スイッチ回路２００は、ＲＦ入力が与えられる伝送線路である入力ポート２１０と、ＲＦ入力が２ビットセクションのチャネル２２１、２２２、２２３、２２４のそれぞれと橋絡される伝送線路の箇所である中央接合部２１２とを備える。中央接合部２１２は、円形構成において４つのカンチレバータイプインラインスイッチ２４０に接続される。各カンチレバースイッチは電源（図示せず）に接続される。カンチレバースイッチのビームが（例えば、バイアス電圧によって）作動するとき、スイッチが閉じ、ＲＦ入力が、それぞれの接続された伝送線路又はチャネル２２１、２２２、２２３、２２４を通って進行する。入力及び出力の伝送線路はそれぞれ、接地層２３０の平面内にあるチャネル内に形成される。

単一コンタクトスイッチ自体は、わずか約２マイクロメートル厚とすることができ、薄膜パッケージを用いてパッケージすることができる。共平面導波路上の単一コンタクトスイッチ（「単純」カンチレバービームと呼ばれる場合もある）の配置によって、ＳＰＤＴ及びＳＰ４Ｔ構造の全体設計のコンパクトさを更に改善することができる。

ＳＰ４Ｔスイッチ回路の性能に特に影響を及ぼす別の要因は、中央接合部から延在するそれぞれのスポークのスポーク長２１４である（図２の右下角において分解図で示される）。スポーク長は、全波シミュレーションの使用を通してスイッチの全体性能を改善するように最適化することができる。

また、図２は、共平面導波路のそれぞれの側壁を橋絡する１つ又は複数のエアブリッジ２６０を備える、共平面導波路内の各導波路チャネルも示す。詳細には、図２の例において、エアブリッジ２６０は、入力及び出力伝送線路内の不連続部（先細りのエッジ）の上方に位置合わせされる。エアブリッジは、スイッチの動作周波数を延長するために、伝送線路の実効誘電率を下げる。また、エアブリッジは、導波路接地層２３０の複数の部分を互いに橋絡し、それにより、デバイス全体にわたって接地電位を同等にすることができる。また、接地層を橋絡することは、導波路の不連続部において生成される、より高次のモードを克服するのも助ける。本開示において、各信号線の幅は同じであり、エアブリッジの幅も同じである。しかしながら、他の移相器設計では、移相器の適切な性能を確保するために、これらの特性の一方又は両方をチャネルごとに変更することができる。

上記で説明されたように、２ビットセクション及び１ビットセクションごとに、１つのスイッチの中央接合部から反対側のスイッチの中央接合部まで伝搬する信号が、チャネルに応じて異なる位相遅延を有することになるように、各伝送線路の特性が異なるように設計される。例えば、１ビットセクションの場合、伝送線路は、それぞれの出力間に１８０度の位相シフトを生成するように設計することができる。伝送線路のこれらの様々な特性は、チャネル長、チャネルの特定の曲げ、線路の幾何学的形状等を含みうる。

図３は、移相器の２ビットセクションのうちの１つにおいて中央接合部をそれぞれの伝送線路に接続するために使用されるＳＰ４Ｔ構成内の例示的なＭＥＭＳベーススイッチ回路（本明細書において、「ＤＣコンタクトスイッチ」とも呼ばれる）の測定された引込電圧及び解放電圧を示す。図３に示されるように、スイッチは、約４３Ｖにおいて引き込み、約２８Ｖにおいて解放するように設計される。

図４は、無線周波数スペクトルのＫｕ周波数帯域（例えば、約１３ＧＨｚ〜約１８ＧＨｚ）において動作するときの例示的なＳＰ４Ｔスイッチのための測定された損失性能を示す。

共平面導波路内に上記の移相器を形成する１つの課題は、導波路の平面内に全ての信号線を配線し、モデル化することである。移相器によって取り扱われるビット数が増えるにつれて、又は移相器のサイズが小さくなるにつれて、又はその両方において、信号線を適切に配線することは、適切な移相器性能を得る（例えば、各チャネルが送信される信号の位相を、所望の量だけシフトする）のに益々重要になる。チャネルの適切な性能を確保するために、種々のチャネル対間の結合の効果を成し遂げることができる。

図５は、（左から右に）精細２ビットセクション５０２と、粗大２ビットセクション５０４と、１ビットセクション５０６とを備える、本開示の一態様による、例示的な移相器５００の平面図である。精細２ビットセクションでは、それぞれのチャネルの位相遅延は（上から下に）２２．５度、０度、１１．２５度及び３３．７５度である。粗大２ビットセクションでは、それぞれのチャネルの位相遅延は、（上から下に）９０度、０度、４５度及び１３５度である。１ビットセクションでは、それぞれのチャネルの位相遅延は、（上から下に）０度及び１８０度である。２ビットセクション及び１ビットセクションごとに、そのセクションのスイッチ間の線路ごとの位相速度の差が、移相器５００の動作帯域にわたって位相シフトを生成する。

図５は、移相器が良好な性能を有することがわかったチャネルの１つの例示的なレイアウトを示す。この例において、２ビットセクションの０度シフト伝送線路の幾何学的形状は概ね同じであるのに対して、１ビットセクションの０度シフト伝送線路の幾何学的形状は異なる幾何学的形状を有することに留意されたい。位相シフト伝送線路の幾何学的形状は、移相器の全体寸法を、更にはデバイスの全体サイズを念頭に置いて選択することができる。この関連で、各所与のセクションの場合に、そのセクションの伝送線路が互いに対して（入射する信号の位相にかかわらず）所望の位相シフトをもたらす限り、図５の例の根底にある利点から逸脱することなく、異なる例において他の幾何学的形状を実現することができる。

図５には、移相器のバイアス線５４０も示される。バイアス線は、例えば、チタンタングステンの層を含む、高い抵抗性になるように設計することができ、スイッチを作動させるために、スイッチトラインに接続することができる。短絡を防ぐために、バイアス線及び伝送線路は、二酸化シリコンの層等の誘電体構成要素によって分離することができる。

図５に示されるように、移相器の全体サイズは約５．１７ｍｍ×３．１９ｍｍである。また、図５において、移相器の各セクションは、誘導線５５０、５５２（又は「誘導セクション」）によってカスケード接続されるように（ブロックＤ及びブロックＥにおいて）更に詳細に示される。これらの線の長さ、幾何学的形状及び誘導性は、その線によって接続される移相器のセクション間の整合を最適化するように選択される。図５の例において、２つの２ビットセクション間の誘導セクションは約３８３マイクロメートル長であり、粗大２ビットセクションと１ビットセクションとの間の誘導セクションは約３４４マイクロメートル長である。誘導性整合を改善することは、各スイッチの中央接合部と投との間の寄生誘導効果を低減する。また、誘導性整合を改善することに加えて、選択される長さが、望ましくない経路外共振（off-path resonance）を除去することもできる。移相器設計の全波シミュレーションの使用は更に、接続されるセクション間の最良の結合を示すエリア（「高結合エリア」）を識別するために使用することもできる。同じように、特定の接合部容量Ｃ_ｊを有するようにセクションの中央接合部を設計することによって、入力線において、誘導性整合を改善することもできることに留意されたい。接合部容量は、移相器設計の全波シミュレーションの使用を通して最適化することもできる。

１つの例では、約１３ＧＨｚ〜約１８ＧＨｚのＫｕ帯域において動作することが期待される移相器の場合、挿入損失応答のあらゆる起こり得る降下を識別するために、約８ＧＨｚ〜約１８ＧＨｚまでの全波シミュレーションを実行することができる。１３ＧＨｚ未満の周波数においてシミュレーションを実行する理由は、挿入損失応答の降下が動作帯域外であっても、製造後、及びセクションが互いにカスケード接続された後に、付加される寄生容量及び線路容量が、性能降下を動作帯域に向かってシフトする可能性があるためである。セクションを接続する信号線長を、異なるセクションからの経路外共振を克服し、かつ良好な位相精度を有する移相器の性能を確保するように選択することができる。

さらに、２つの誘導セクションの幾何学的形状を異なるものにすることができる。２つの２ビットセクション５０２と５０４との間の誘導セクション５５０は、２つの接続されるセクション間の中間点において両側に切欠き又は溝を含む。対照的に、粗大２ビットセクション５０４と１ビットセクション５０６との間の誘導セクション５５２は、２つの接続されるセクション間の中間点において、両側に、又は一方の側にのみ、切欠き又は溝を含みうる。

接合部容量や、スポーク長や、（例えば、ＣＰＷの不連続部にある）誘導曲げは、より高次のモードを低減又は除去するのを助けることもできる。

図６及び図７は、図５の例示的な５ビット移相器の測定された反射損失及び挿入損失のグラフ表示である。図６に示されるように、移相器のための整合（Ｓ_１１及びＳ_２２の両方）が、約０．１ＧＨｚ〜約１８ＧＨｚの帯域にわたって１９ｄＢより良好であることがわかった。図７に示されるように、移相器の平均挿入損失は、約１３ＧＨｚ〜約１８ＧＨｚの帯域にわたって約３．８９ｄＢであることがわかった。

図８は、図５の移相器５００に類似の特性を有する別の例示的な移相器８００を示す。図８の移相器８００も、精細２ビットセクション８０２と、粗大２ビットセクション８０４と、１ビットセクション８０６とを備え、図８の位相遅延チャネルは図５の位相遅延チャネルに相当する。２つの移相器間の重要な違いは、その全体サイズである。すなわち、図８の移相器は約４．７ｍｍ×約２．８ｍｍにすぎない。したがって、図８の移相器は、図５の移相器より約２４％コンパクトである。

図９及び図１０は、図８の例示的な５ビット移相器の測定された反射損失及び挿入損失のグラフ表示である。図９に示されるように、移相器のための整合（Ｓ_１１及びＳ_２２の両方）が、約０．１ＧＨｚ〜約１８ＧＨｚの帯域にわたって２２ｄＢより良好であることがわかった。図１０に示されるように、移相器の平均損失は、約１３ＧＨｚ〜約１８ＧＨｚの帯域にわたって約２．６５ｄＢであることがわかった。

図５及び図８の例示的な移相器の製造中に、カンチレバースイッチに対して静摩擦を引き起こす場合がある任意の汚染を導入しないように注意しなければならない。そのため、製造が完了した後に、全てのスイッチを解放できる（例えば、スイッチの状態を変更できる）ことを確認することが好ましい。

上記の構造、プロセス及び考慮すべき事柄は、ＣＰＷ線上に４つのＳＰ４Ｔスイッチ回路及び２つのＳＰＤＴスイッチ回路を有するＭＥＭＳベース移相器をもたらすために適用することができる。現代の適用例における移相器の利点は主に、移相器が約１７ＧＨｚの範囲内の周波数帯域（例えば、約１６．７５ＧＨｚ〜約１７．２５ＧＨｚ）にわたって動作するときに得られるが、そのような移相器は、Ｋｕ帯域全体を含む、Ｋｕ帯域の任意の部分にわたって動作することができる。詳細には、本開示は、約１５ｍｍ^２以下の面積を有するデバイスを用いて、各位相ステップ間が１１．２５度（すなわち、５ビット出力）で０度〜３６０度の位相シフトを達成することを可能にする。そのような移相器は、全部で２０個のＤＣコンタクトスイッチと、接続用ＣＰＷ伝送線路とを備えることができ、約５００ＭＨｚ帯域幅の帯域幅にわたってマイクロ波周波数において良好な動作信頼性を有することができる。

上記の例示的な移相器は、２５℃の温度及び７０ボルトバイアスで１７ＧＨｚの動作周波数において動作しているときに、応力緩和プロセス中に、初期値からの約１．３６ｄＢ（詳細には約３．５５ｄＢ〜約４．９１ｄＢ）の損失変動と、約１．２４度（詳細には約０．８７度〜約２．１１度）の位相誤差の全体的な最大変動とを示すこともわかっている。例示的な移相器は、２Ｗ低温切替条件下で１００万サイクルまでにわたって動作することもわかっている。

図１１は、上記の開示に従って設計され、試験治具に取り付けられた例示的な移相器の写真である。

図１２は、入力ポートＰ１と出力ポートＰ２との間に２ビットセクション１２０４と直列にカスケード接続される３ビットセクション１２０２を利用する別の５ビット移相器１２００を示す。３ビットセクション１２０２は、一対のＭＥＭＳベース単極８投（ＳＰ８Ｔ）スイッチ回路１２２０を備え、第１のスイッチ回路内の８個のスイッチはそれぞれ、伝送線路１２１０によって第２の回路内の対応するスイッチに接続される。２ビットセクション１２０４は、一対のＳＰ４Ｔスイッチ回路１２３０を備え、第１のスイッチ回路内の４つのスイッチはそれぞれ、伝送線路１２１０によって第２の回路内の対応するスイッチに接続される。２つのセクション１２２０、１２３０は、長さｌ_Ｃを有する誘導セクションによって接続される。この設計は、１つの位相状態を達成するのに、一度に４つのスイッチしか作動する必要がなく、それにより、サイクルにわたる均一な作動につながる。

本開示は、Ｋｕ帯域内の周波数であっても、コンパクトなサイズで、低い損失、低い電力消費量、良好な位相精度を達成する４ビット移相器も提供する。４ビット移相器は、一対のＭＥＭＳベース単極１６投（ＳＰ１６Ｔ）スイッチ回路を利用する。図１３は、例示的なＲＦ ＭＥＭＳ単極１６投（ＳＰ１６Ｔ）スイッチ回路１３００を示す。スイッチ回路１３００は、円形タイプＣＰＷ線路構成において、間に位置決めされる複数のカンチレバービーム１３２０を備える。ＣＰＷ線路は入力ポート１３１０にも接続される。入力ポート１３１０は、１６個のそれぞれカンチレバービーム１３２０によって１６個の第２のポート１３３０に接続される。入力ポート及び出力ポートは、全部で１７個あり、円形パターンにおいて均等に分布する。隣接するポート間の角度は、それゆえ、約２１．１７度である。

図１３のカンチレバービーム１３３０は、ＣＰＷ線の平面の内外に動き、それにより、１つのポートを反対側にあるポートのコンタクトバンプに対して電気的に接続及び切断する。各カンチレバービームは更に、互いに対してＹ字形構成に配置される３つの機械ばねに取り付けられる。カンチレバービームと同様に、機械ばねは、図１３の平面の内外に（スイッチポートのｚ方向に）動く。ＳＰ１６Ｔスイッチ回路１３００の全面積は、約２．５ｍｍ^２である（差し渡し約１．５６ｍｍ、上下に約１．６１ｍｍ）。

図１４及び図１５は、図１３の例示的なＳＰ１６Ｔスイッチ回路のためのシミュレートされた反射損失、アイソレーション及び挿入損失を示す。図１４に示されるように、ＳＰ１６Ｔスイッチは、約２６ＧＨｚまでの周波数において、約１４ｄＢより良好な反射損失と、約１．９ｄＢの最悪時挿入損失とを示す。図１５は、類似の周波数までの約１４ｄＢのアイソレーションを示す。

ＳＰ１６Ｔスイッチ回路は、「High Performance Switch for Microwave MEMS」と題する同一所有者の特許出願において更に詳細に記述されており、その特許出願の開示は本出願と同時に出願され、引用することによりその全体が本明細書の一部をなすものとする。

Ｋ帯域４ビット移相器を作製するために、（スイッチングネットワークとも呼ばれる）２つのＳＰ１６Ｔスイッチ回路を接続することができる。第１のＳＰ１６Ｔスイッチ回路の１６ポート（そして、カンチレバービーム又はスイッチ）はそれぞれ、他のＳＰ１６Ｔスイッチ回路の対応するポート（そして、対応するカンチレバービーム又はスイッチ）に接続することができる。対応するポートを互いに接続する信号線はそれぞれ、異なる位相遅延を与えることができる。ＳＰ１６Ｔスイッチ回路及び信号線はすべて、基板の共通の表面上に形成される。より具体的には、ＳＰ１６Ｔスイッチ回路及び信号線は、ＣＰＷ内に形成され、それにより、接地面が基板の同じ表面上に形成される。

図１６は、上記の構成において互いに接続される２つのＳＰ１６Ｔスイッチ回路の一例を示す。図１６において、それぞれの接続線の位相遅延は、上から下に、３３７．５度、２９２．５度、２４７．５度、１８０度、１５７．５度、１１２．５度、６７．５度、２２．５度、０度、４５度、９０度、１３５度、２０２．５度、２２５度、２７０度及び３１５度である。したがって、２つのスイッチは、１６個の異なる位相のいずれか１つにおいて信号を遅延させることができる４ビット移相器１６００を形成する。移相器の全面積は、バイアス線及びバイアスパッドを含んで、差し渡しで約３．６２ｍｍ及び上下に約４．２ｍｍ、すなわち、約１５．２ｍｍ^２である。

図１７及び図１８は、２つのＳＰ１６Ｔスイッチングネットワークを使用する４ビット移相器の測定された反射損失及び挿入損失のグラフ表示である。図１７に示されるように、反射損失は、約１８ＧＨｚ〜約２６ＧＨｚの周波数の場合に約１０ｄＢより良好であると測定される。図１８に示されるように、最悪時挿入損失は、同様の周波数範囲にわたって約４．５８ｄＢであると測定される。

図１９は、移相器の位相対周波数応答を示す。移相器の測定される平均位相誤差は、約２５ＧＨｚの周波数において約２．３度である。

特に、４ビットＳＰ１６Ｔベーススイッチングネットワークは、比較的に簡単なトポロジを保持しながらも信頼性がある。そのスイッチングネットワークは、所与の位相状態を起動するために、所与の時点において２つのスイッチしか作動する必要がない。したがって、そのスイッチングネットワークは、そのスイッチングネットワークが組み込まれるデバイスの信頼性を著しく改善することができる。

所与のスイッチ又はデバイスの場合のスイッチの作動数は、スイッチ又はデバイスの信頼性に関する重要な要因である。単一のスイッチの場合、「スイッチサイクル」が、２つの動作状態：オンとオフとの間の１つの作動サイクルを構成する。しかしながら、上記の５ビット移相器の場合、「スイッチサイクル」は３２の動作状態を構成し、どのサイクルにわたっても、２ビットの精細セクション及び粗大セクションがそれぞれサイクルあたり８回作動し、１ビットセクションがサイクルあたり１６回作動する。所与のサイクルにおいて１ビットセクションが２ビットセクションよりも多い回数作動しなければならないので、１ビットセクションの故障確率は２ビットセクションのいずれかの故障確率より高い場合があることが認識されうる。さらに、１ビットセクションがいずれかの２ビットセクションより頻繁に作動するので、５ビット移相器は不均一なスイッチ作動に陥りやすい。

それに対して、ＳＰ１６Ｔベース４ビット移相器は１つの４ビットセクションのみを備える。それゆえ、ＳＰ１６Ｔベース４ビット移相器は、１ビットセクションに関連付けられる故障確率を伴わず、５ビット移相器の不均一なスイッチ作動特性はすべて有しないので、より信頼性の高いデバイスになる。それゆえ、ＳＰ１６Ｔベーストポロジは、移相器の信頼性及び性能を改善するために、より高いビット構成の場合に使用することができる。

特に、一対のＳＰ４Ｔスイッチ回路とカスケード接続される一対のＳＰ８Ｔスイッチ回路を利用する５ビット移相器であっても、信頼性を幾分改善することになるが、ＳＰ４Ｔスイッチ回路がＳＰ８Ｔスイッチ回路の２倍の頻度で作動することになるので、依然として不均一なスイッチ作動になる。

本明細書において説明された移相器のための例示的な適用例は、最新の通信システム及び高精度計測システムだけでなく、多くの場合にパッシブ電子走査アレイ（ＥＳＡ）を使用する宇宙ベースレーダシステムを含みうる。ＥＳＡでは、おおよそ数十万個の放射素子が使用される。放射素子ごとに、１つの移相器（多くの場合に、３ビット〜５ビット）が存在し、移相器はアンテナビームの方向とそのサイドローブ特性とを集団で制御する。数十万個の移相器を使用するＥＳＡの場合、本開示の方法及びデバイスは、比較的に低いＲＦ損失を示しながら、比較的に低コストであり、比較的に軽量（パッケージ及び設置物を含む）の解決策を提供することができる。

合成開口レーダ（ＳＡＲ）の適用例では、１７ＧＨｚ周波数が一般に利用されるので、本開示の移相器はそのような適用例において特に有益である。そのような適用例では、移相器のそのモジュールサイズは、４個のＴ／Ｒモジュールが、アンテナパネル上の１６×１６要素のサブアレイに給電することを可能にすることができる。

さらに、本開示の例示的な移相器は、ＳＰＤＴ、ＳＰ４Ｔ、ＳＰ８Ｔ及びＳＰ１６Ｔスイッチ回路を備える。しかしながら、他の例では、他のタイプのＳＰＭＴスイッチ回路が利用される場合がある。例えば、単極３投（ＳＰ３Ｔ）スイッチ回路が利用される場合がある。例えば、４つのカスケード接続されるＳＰ３Ｔスイッチ回路が３ビット出力をもたらすことができる。

特定の実施形態を参照しながら本明細書において本発明を説明してきたが、これらの実施形態は本発明の原理及び適用例を例示するにすぎないことを理解されたい。そのため、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態に数多くの変更を加えることができること、及び他の構成を考案することができることを理解されたい。

Claims (15)

1. 少なくとも１つの移相セクションを備える移相器であって、前記移相セクションは、
   入射する無線周波数信号を受信するための入力ポートと、
   出射する無線周波数信号を送信するための出力ポートと、
   前記入力ポートに結合される入力接合部であって、該入力接合部は第１の複数のスイッチを備える、入力接合部と、
   前記出力ポートに結合される出力接合部であって、該出力接合部は第２の複数のスイッチを備える、出力接合部と、
   複数の伝送線路であって、各伝送線路は前記第１の複数のスイッチのうちの１つを前記第２の複数のスイッチの対応する１つに接続する、複数の伝送線路と
   を備えてなり、前記第１の複数のスイッチと前記第２の複数のスイッチと前記複数の伝送線路とは共平面導波路内に形成されている、移相器。
2. 前記入力接合部は４つのカンチレバータイプスイッチ、８つのカンチレバータイプスイッチ又は１６個のカンチレバータイプスイッチのうちの１つを備え、前記出力接合部は、前記入力接合部内に備えられるカンチレバータイプスイッチの数に等しい複数のカンチレバータイプスイッチを備える、請求項１に記載の移相器。
3. 少なくとも２つの移相セクションを更に備え、１つの移相セクションの出力接合部は他の移相セクションの入力接合部に、前記共平面導波路内に形成される伝送線路によって結合される、請求項１又は２に記載の移相器。
4. 前記移相セクションを接続する伝送線路は、前記移相セクションのインダクタンスを整合させるための誘導セクションを更に備える、請求項３に記載の移相器。
5. 移相器であって、
   第１の単極４投（ＳＰ４Ｔ）マイクロ電気機械スイッチ回路及び第２の単極４投（ＳＰ４Ｔ）マイクロ電気機械スイッチ回路を備える第１の２ビット移相セクションであって、前記第１のＳＰ４Ｔマイクロ電気機械スイッチ回路及び前記第２のＳＰ４Ｔマイクロ電気機械スイッチ回路は、基板上の、接地電位と同じ側に形成される、第１の２ビット移相セクションと、
   第３のＳＰ４Ｔマイクロ電気機械スイッチ回路及び第４のＳＰ４Ｔマイクロ電気機械スイッチ回路を備える第２の２ビット移相セクションであって、前記第３のＳＰ４Ｔマイクロ電気機械スイッチ回路及び前記第４のＳＰ４Ｔマイクロ電気機械スイッチ回路は、基板上の、接地電位と同じ側に形成される、第２の２ビット移相セクションと、
   第１の単極双投（ＳＰＤＴ）マイクロ電気機械スイッチ回路及び第２の単極双投（ＳＰＤＴ）マイクロ電気機械スイッチ回路を備える第３の１ビット移相セクションであって、前記第１のＳＰＤＴマイクロ電気機械スイッチ回路及び前記第２のＳＰＤＴマイクロ電気機械スイッチ回路は、基板上の、接地電位と同じ側に形成される、第３の１ビット移相セクションと
   を備えてなり、
   前記第１の２ビットセクションと前記第２の２ビットセクションと前記第３の１ビットセクションとは、互いに直列に接続されている、移相器。
6. 前記ＳＰ４Ｔマイクロ電気機械スイッチ回路及び前記ＳＰＤＴマイクロ電気機械スイッチ回路はそれぞれ、２マイクロメートル厚の単一コンタクトスイッチである、請求項５に記載の移相器。
7. ５ビット出力を生成するために、所与の時点において前記移相器の６つのスイッチのみが作動する、請求項５又は６に記載の移相器。
8. 前記移相器は、４．７ｍｍ×２．８ｍｍの面積を占有する、請求項５〜７のいずれか一項に記載の移相器。
9. 前記移相セクションは、共平面導波路線路上にカスケード接続されている、請求項５〜８のいずれか一項に記載の移相器。
10. 前記移相器は、所与の時点において１０個より少ないスイッチが作動して５ビット出力を生成する、請求項５〜９のいずれか一項に記載の移相器。
11. 移相器であって、
    基板と、
    第１の単極１６投（ＳＰ１６Ｔ）マイクロ電気機械スイッチ回路と、
    第２の単極１６投（ＳＰ１６Ｔ）マイクロ電気機械スイッチ回路と、
    １６個の信号線であって、各信号線は、前記第１のＳＰ１６Ｔマイクロ電気機械スイッチ回路及び前記第２のＳＰ１６Ｔマイクロ電気機械スイッチ回路のそれぞれのスイッチを互いに接続する、１６個の信号線と
    を備えてなり、
    前記第１のＳＰ１６Ｔスイッチ回路と前記第２のＳＰ１６Ｔスイッチ回路と前記１６個の信号線とは、基板の表面上において１５．２ｍｍ^２の面積を占有している、移相器。
12. ４ビット出力を生成するために、所与の時点において前記移相器の２つのスイッチのみが作動し、前記移相器は均一なスイッチ作動を示す、請求項１１に記載の移相器。
13. 前記移相器は５００ＭＨｚの帯域幅でＫｕ周波数帯域において動作可能である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の移相器。
14. 複数の移相器を備えるフェーズドアレイであって、各移相器は請求項１〜１３のいずれか一項に従って構成される、フェーズドアレイ。
15. 前記フェーズドアレイはパッシブ電子走査アレイであり、複数の放射素子を備え、各放射素子は、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の対応する移相器を有する、請求項１４に記載のフェーズドアレイ。

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