KR20060064693A - 저손실 ｒｆ ｍｅｍｓ계 위상 시프터 - Google Patents

Abstract

RF MEMS 스위치 모듈의 하이브리드 회로 위상 시프터 어셈블리 및 수동 위상 지연 시프터 회로는 저손실, 바람직한 플립칩, 상호 접속 기술을 사용한다. 이 하이브리드 회로 어셈블리 접근은 수동 위상 지연 회로의 제조로부터 MEMS 스위치 모듈의 제조를 분리하여, 부조화와 산출 저하를 피하여 실질적으로 생산 비용을 절약할 수 있다.

본 발명의 다른 양태에서, 공통 기판상에 집적된 복수의 라디에이터 소자의 각각의 뒤에 MEMS계 하이브리드 회로 위상 시프터 어셈블리는 소형이고 저소비 전력 전자 주사 안테나 어레이를 제공한다.

Description

저손실 ＲＦ ＭＥＭＳ계 위상 시프터 {LOW LOSS RF MEMS-BASED PHASE SHIFTER}

본 발명은 예를 들어 전자적으로 주사된 위상 어레이 안테나 내에서 이용되는 위상 시프터에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 저손실 RF 미세 전자 기계 시스템 (MEMS;Micro Electronic Mechanical Systems) 스위치를 내장한 위상 시프터 회로에 관한 것이다.

다중 소자 또는 어레이 안테나의 빔은 어레이의 각 소자에서 방사 신호에 적절한 위상 시프트를 삽입하여 소정의 각도로 전파될 수도 있다.

도 1은 전자 빔 스티어링을 이용하는 통상의 위상 어레이 안테나(10)의 한 열을 간단하게 도시한 도면으로서, 완전한 평면 위상 어레이 안테나는 이러한 열을 복수개 갖고 있다. 안테나(10)는 각각이 자체의 위상 시프터(14)를 갖는 복수개의 방사소자(12)를 포함한다. 전송 신호를 전송하는 입력 회선(16)은 각각의 위상 시프터(14)에 연결되고, 이 위상 시프터는 전송 신호가 그 위상 시프터를 통과할 때 그 전송 신호에 각각 소정의 위상 시프트를 가한다. 그 후, 위상 시프트된 전송 신호는 빔의 전파를 위해 각각의 방사 소자(12)에 연결된다. 스위치-회선 위상 시프터, 반사-회선 위상 시프터 및 로드-회선 위상 시프터를 포함하는 여러 형태의 위 상 시프터(14)가 개발되고 있다.

스위치-회선 위상 시프터의 일례인 실시간 지연(TTD) 위상 시프터 회로는, 고속 전자 스위치를 이용하여 전송 회선의 이산 길이를 선택적으로 삽입하고 제거하여, 빔을 전기적으로 주사하기 위한 고속의 위상 변화를 얻는다. 예를 들어, 캐스케이드 스위치 배열에서는, 비교적 소수의 미리선택된 전송 회선 길이가 다양한 조합으로 직렬 접속되어 실질적인 횟수의 이산 지연을 부여한다. 따라서, 캐스케이드 4-비트 스위치 시프터는 16개의 상이한 위상 시프트 레벨을 전파 신호에 삽입할 수 있다.

이들의 우수한 절연 및 삽입 손실 특성 때문에, RF MEMS 스위치는 고성능, 전자적 주사 안테나를 구현하기에 유리하다. 그러나, 통상의 MEMS계 TTD 위상 시프터는 프로세싱 호환성, 비용 및 패키징 문제를 갖는 모놀리식 구조를 채택한다. 예를 들어, 대부분 모놀리식 다이 영역은 용이하게 제조된 수동형 금속 지연 회선을 간단히 포함하지만, 모놀리식 구조는 일련의 복잡한, 다중 레벨 MEMS 스위치 제조 단계를 통하여 전체의 위상 시프터 회로를 프로세스한 것을 요구한다. 이것은 낮은 수율과 높은 생산 비용을 가져올 뿐만 아니라, 지연 회선 및 MEMS 스위치 제조 공정 사이에 비호환성을 야기하며, 또한 사용할 수 있는 재료를 제한한다.

일반적으로, 본 발명은 저손실이며, 바람직하게는 플립칩(flip chip), 상호접속 기술을 사용하는 RF MEMS 스위치 모듈 및 수동 위상 지연 시프터 회로의 하이브리드 회로 어셈블리를 제공한다. 이 하이브리드 회로 어셈블리 접근 방식은 수동 위상 지연 회로의 제조로부터 MEMS 스위치 모듈의 제조를 분리하여, 비호환성과 수율 저하를 방지하고 실질적으로 제조 비용을 절약할 수 있다.

주지된 바와 같이, 다이 주변부의 외부에 있는 패턴에 와이어나 빔 리드를 본딩하는 것에 의존하는 어셈블리 기술과는 다르게, 플립칩 기술은 다이면(die face)과 기판 상의 단자 패드들 간의 직접적인 전기 접속 방식을 채택한다. 이 단거리 상호 접속부 컨덕터 길이는 손실을 감소시키고, 회로 성능을 최적화하며 기판 영역의 보다 효율적 사용을 가능하게 한다.

플립칩 상호 접속부는 제어형 리플로우 솔더링 동작에 의해 동시에 중단되는 모든 다이 본딩 패드 위치에 솔더 범프를 포함한다. 다른 방법으로, 상호 접속부는 솔더 범퍼 대신에, 인듐 칼럼, 도금된 쓰루 홀, 금속-대-금속 열압착 접합제 및 도전성 폴리머 등을 포함할 수도 있다.

본 발명의 다른 양태에서, 복수의 방사 소자 각각의 뒤에있는 상술한 MEMS계 위상 시프터 회로의 공통 기판상의 집적화는 소형이고 비용이 저렴한 전자 주사 안테나 어레이를 제공한다. 본 발명의 이점은 삽입과 복귀 손실을 낮추고, 전력 소비량이 낮고, 광대역폭 이며 상위 조립체로의 집적화의 용이성을 포함한다.

본 발명의 특징 및 이점은 첨부한 도면과 함께 아래의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 통상의 위상 어레이 전자 주사 안테나를 제시하는 개략도이다.

도 2는 본 발명에 이용될 수 있는 수동 위상 시프터 회로의 특정 예의 개략 도이다.

도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 회로 어셈블리의 특정 실시예의 개략도이다.

도 4는 도 3의 선 4-4를 따라 절단한, 도 3의 하이브리드 어셈블리를, 개략적으로 도시한 부분적인 측면 단면도이다.

도 5는 본 발명의 다른 양태에 따른 집적 위상 어레이 전자 주사 안테나의 개략도이다.

도 6은 도 5의 집적 전자 주사 안테나를 보다 상세하게 나타내는 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시예는 하나 이상의 단(stage)을 갖는 위상 어레이 안테나 위상 시프터를 포함하고, 상기 각 단은 두 개 이상의 수동 위상 지연 회로를 포함하고 각 단에서 수동 위상 지연 회로의 스위칭 선택부를 이용한다. 본 발명의 위상 시프터는 각 단에서 원하는 지연 회로들을 선택하기 위한 저손실 RF MEMS 스위치를 사용한다. 여기에 상세히 설명된 바람직한 실시예는 TTD 스위치-회선 위상 시프터 구조를 포함하지만, 다른 종류의 수동형 소자(예를 들어, 캐패시터와 인덕터)를 포함하는 다른 위상 시프터 구조에도 본 발명을 적용할 수 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 바람직한 실시예는 한 쌍의 플립칩 MEMS 스위치 모듈(24, 26)을 적재하는 2비트 디지털 지연 회선 모듈(22)을 포함하는 하이브리드 위상 시프터 어셈블리(20)를 포함한다. 도 2에 잘 도시된 바와 같이, 디지털 지연 회선 모듈(22)은 알루미나, 수정 절연성 재료 또는 마이크로파 세라믹, 또는 고 저항 실리콘 또는 GaAs와 같은 반절연성 재료로 제조된 기판(28)을 포함한다. 기판(28)의 표면(30)은, 제1 지연 회선단(32)에 연결된 입력 회선(36) 상에 나타나는 전송 신호에서(일반적으로 안테나의 기초 반송파 주파수) 누적 시간 지연을 삽입하기 위한 직렬로 접속된 한 쌍의 지연 회선단(32, 34)을 패터닝한다. 더 많은 단을 사용하여 보다 높은 빔 스티어링 분해능을 제공할 수도 있다.

제1 시간 지연단(32)은 베이스 기판(28)상의 패터닝된 2차원 스트립 지연 회선(40, 42)을 포함한다. 지연 회선(40)은 한 쌍의 단자 패드(44, 46)를 가지며 이와 유사하게, 지연 회선(42)은 단자 패드(48, 50)를 갖는다. 2개의 지연 회선(40, 42)은 길이가 상이하고, 이에 의해 상이한 시간 지연을 전송 신호에 가한다. 지연 회선(42)은 예를 들어, 실제적으로 0이 될 수 있는 기준 시간 지연을 삽입할 수도 있다. 시간 지연은 전송 신호가 2개의 지연 회선(40, 42) 중 하나에 전송되는데 걸리는 시간과 동일하고, 지연 회선이 길어질수록 지연 시간도 길어진다. 전송 신호의 위상은 시간 지연에 비례하여 시프트된다.

제1 시간 지연단(32)과 같이, 제2 시간 지연단(34)은 베이스 기판(28) 상에 패터닝된 2개의 지연 회선(52, 54)을 포함한다. 지연 회선(52)은 한 쌍의 단자 패드(56, 58)를 포함하고, 이와 유사하게 지연 회선(54)은 한 쌍의 단자 패드(60, 62)를 포함한다. 도시된 예에서, 제2 단(34)의 지연 회선(52)은 제1 단(32)의 지연 회선(40)보다 길지만, 제2 지연 회선(54)은 지연 회선(42)과 같은 길이여서, 동일한 참조 시간 지연을 부여할 수도 있다.

도 3을 참조하여, 제1 시간 지연단(32)에서 두 개의 지연 회선(40, 42) 중 하나는 선택된 지연 회선은 전체 위상 시프터에 접속되도록 4개의 MEMS 입력과 출력 스위치(70 내지 73) 중 2개를 폐쇄하여 활성화시킨다. 입력 스위치(70)는 지연 회선(40)의 단자 패드(44)와 입력 회선 단자 패드(76)를 전기적으로 접속시키는 것이 가능하며, 입력 스위치(71)는 지연 회선(42)의 패드(48)와 입력 회선 단자(78)를 전기적으로 접속시킨다. 이와 유사하게, 출력 스위치(72, 73)는 단자 패드(46, 50)와 단 출력 단자 패드(80, 82)를 각각 접속시키는 것이 가능하다. 단 출력 단자 패드(80, 82)는 지연 회선단(32, 34)을 상호 접속하는 회선(84)에 접속된다.

제2 시간 지연단(34)에서는, 부가적인 위상 시프트가 상기 제2단 MEMS 스위치 모듈(26) 내에서 입력 및 출력 스위치 각각을 폐쇄함으로써, 제1 시간 지연단(32)에서와 동일한 방법으로 전송 신호에 가해질 수도 있다. 제2 시간 지연단(34)을 통과한 후에, 위상 시프트된 신호는 출력 회선(86)에 나타나고, 여기로부터의 신호는 추가 시간 지연단(도시 생략)을 통과할 수도 있으며, 더 높은 분해능을 위해 이 추가 시간 지연단은 앞선 2개의 시간 지연단에서와 동일한 방법으로 선택되는 MEMS 스위치를 폐쇄함으로써 추가 위상 시프트를 삽입시킬 수 있다.

RF MEMS 모듈(24, 26)은 스위치를 포함하며, 바람직하게는 예를 들어, 본 발명의 양수인에게 소유되어 있는 미국 특허 제5,578,976호에 개시된 유형의 금속-대-금속 접촉 스위치이다. 미국 특허 제5,578,976호는 그러한 스위치의 구조 및 그 제조 방법을 교시하기 위한 참조로서 여기에 포함된다. 다른 유형의 MEMS 스위치가 대신 사용될 수도 있다.

스위치(70)를 나타내는 MEMS 모듈(24)의 일부의 간략한 단면도를 매우 상세 하게 도 4에 예시하였다. 모듈(24)은 본 발명에서 사용될 수 있는 MEMS 모듈의 단지 일례에 불과하다. MEMS 모듈(24)에 의해 적재되는 스위치는 표면 미세 가공(surface micromachining), 벌크 미세 가공(bulk micromachining)과 같은 일반적으로 알려진 마이크로제조 기술을 사용하여 기판(90) 상에 형성된다. 도 4는 MEMS 모듈(24)이 4개의 분리된 스위치를 포함하는 예를 예시한 것이지만, 하나 이상의 스위치를 포함하는 MEMS 모듈 구성이 사용될 수 있다는 것을 당업자는 이해할 수 있다.

MEMS 기판(90)의 상부면에는,단자 패드(44alc 76)와 수직으로 정렬되어 베이스 기판 상에 각각 형성되는 한쌍의 이격되어 고정된 금속 콘택트(92 및 94)가 있다. MEMS 모듈(24)과 베이스 기판(28)은 플립칩 어셈블리를 포함한다. 보다 구체적으로, 접속부(92, 94)는 MEMS 기판(90)을 통해 연장되는 비아(via)(96, 98)에 의해서 그리고 기판의 하부면 상의 전기적 플립칩 상호 접속부(100, 102)에 의해서 기판 상의 단자 패드(44, 76)에 전기적으로 접속된다. 상호 접속부(100, 102)는 합금 범프(solder bump)를 포함하는 것이 바람직하지만, 인듐 칼럼, 평면 쏘우 홀, 금속-대-금속 열압착 접합제 및 도전성 폴리머 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는, 다른 저손실 플립칩 상호접속 기술을 사용할 수도 있다. 자신의 바닥부에 금속 브리징 콘택트(106)를 적재하고 있는 수직의 가동 암(104)은, 고정 콘택트(92, 94) 위에 위치하며, 이 콘택트부 사이의 갭은 채워져 있다. 암(104)은 일반적으로 실리콘 이산화물 또는 실리콘 질화물과 같은 절연성 재료로 형성되며, MEMS 스위치 기술에서 잘 알려진 형태의 캔틸레버 구조체를 포함할 수도 있다. 스위치가 작동되는 경우, 가동 콘택트(106)는 고정 콘택트(92)와 고정 콘택트(94) 사이에서 전기적 연속성을 제공한다. 폐쇄시 도전성 경로를 제공하는 오믹 접촉(ohmic contact)형인 MEMS 스위치(70)가 예시되었지만, 본 발명은 폐쇄시 절연성 박막을 통하여 신호를 연결하는 용량성 스위치를 이용하여 구현될 수도 있다. 간단히 하기 위해, 도 4에는 가동 콘택트(106)가 고정 콘택트(92, 94) 사이의 갭을 직접 브리징하는 것으로서 도시되어 있다. 실제의 구조에서는, 표면 컨덕터가 비아(96)와 관련된 콘택트(92)의 임의의 위치에 사용될 수도 있다. 또한, 도 4에서는, MEMS 스위치가 MEMS 기판(90)의 상부면에 있고, 기판 관통 비아를 사용하여 상호 접속되는 페이스 업 구성을 설명하고 있지만, 본 발명은 스위치 모듈(28)와 기판(28)의 페이스 다운 하이드리드 일체형 구성도 또한 포함한다. 페이스 다운 하이브리드 일체형 구성에 의해 비아(96, 98)와 같은 기판 관통 도전성 경로가 필요없게 된다.

적절한 자극이 제공되는 경우에 MEMS 스위치(70)가 작동된다. 예를 들어, 정전기적으로 활성화되는 MEMS 스위치에서는, 구동 전압이 이동가능 접속부와 고정 접속부 사이에 인가되다. 구동 전압은 고정 접속부와 연동하여 이동가능한 접속부(106)를 끌어당기는 정전기력을 생성하여, 고정 접속부 사이의 갭을 브리징하고 상기 접속부 사이 그리고 이에 따라, 기판 상의 터미널 패드(44, 76) 사이에 도전성 경로를 제공한다. 열, 압전기, 전자기, 기포, 로렌쯔 힘, 표면 장력, 또는 이들의 조합을 포함하는 다른 스위치 작동 기술을 사용할 수도 있으며, 이에 한정되지는 않는다. 본 발명은 상기의 방법 또는 당업자에 공지된 다른 방법에 의해 작동되는 MEMS 스위치를 사용할 수 있다.

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 다중 위상 시프터를 포함하는 집적 전자 주사 어레이 안테나(110)의 구현예를 나타낸다. 도 5 및 도 6은 시간 지연 신호를 대응하는 안테나 소자 또는 라디에이터(118-121)에 공급하는 4개 하이브리드 위상 시프터 어셈블리(114-117)를 통합시킨 단일 패키지(112)를 나타낸다. 패키지는 단일 덮개(lid) 또는 커버(122)에 의해 용접 밀폐될 수도 있으며, 이 단일 덮개와 커버의 밀봉 풋프린트(seal footprint)는 베이스 기판 상에 패터닝된 어떠한 소자도 방해하지 않는다. 도 5 및 도 6은 싱글 패키지 내에 4개의 하이브리드 어셈블리 위상 시프터를 도시하지만, 임의의 수의 위상 시프터가 패키지 내에 채용될 수도 있음은 명백하다.

도 5 및 도 6의 패키지는 알루미나, 석영, 또는 마이크로파 세라믹과 같은 절연성 재료 또는 고저항 실리콘 또는 GaAs와 같은 반절연성 재료로 된 공통 베이스 기판(124)을 포함한다. 당업계에 주지된 바와 같이, 베이스 기판(124)은 내장된 컨덕터와 다층 마이크로파 재료일 수 있다. 안테나 소자 또는 라디에이터 (118 내지 121)는 기판(124)의 표면(126) 상에 인쇄 되거나 이미 상술한 유형의 TTD 위상 시프트 회로 소자와 함께 다층 기판에 내부에 금속 층을 사용하여 형성된다. 라디에이터 소자와 위상 시프터의 모놀리식 구성은 소형 회로 구성을 가능하게 하고, 위상 시프터와 라디에이터 간에 높은 물리적 허용 오차를 허용한다. 설명된 예에서, 4개 위상 시프터(114 내지 117) 각각은 상술한 바와 같이, 플립칩 기술을 바람직하게 채택하는 저손실 상호접속부에 의해 기판상의 위상 시프터 회로 소자에 연결되어 있는 RF MEMS 스위치 모듈을 각각 포함하는 3비트 시프터를 포함한다.

본 발명의 몇몇 예시적인 실시예를 여기에 개시하였지만, 다양한 변형 및 대체적인 실시예가 당업자에 의해 더 행해질 수 있다. 그러한 변형 및 대체 실시예는 청구항 범위로 한정되는 본 발명의 사상 및 범위에 벗어남이 없이 이루어질 수 있다.

Claims (17)

1. 복수의 수동형 도전성 위상 지연 소자를 적재한 기판을 포함하는 위상 지연 모듈,

   입력과 출력 사이에서 상기 위상 지연 소자들 중 선택된 소자들에 접속하기 위한 복수의 MEMS 스위치를 포함하는 MEMS 모듈, 및

   상기 위상 지연 모듈의 상기 위상 지연 소자와 상기 MEMS 모듈의 상기 MEMS 스위치를 전기적으로 접속시키는 저손실 상호 접속부를 포함하는 하이브리드 어셈블리 위상 시프터.
2. 제1항에 있어서, 상기 저손실 상호 접속부는 플립칩 상호 접속부를 포함하는 것인 하이브리드 어셈블리 위상 시프터.
3. 제2항에 있어서, 상기 플립칩 상호 접속부는 합금 범프(solder bump), 인듐 범프, 도금된 쓰루 홀 (plated-through holes), 금속-대-금속 열압축 접합제 및 도전성 폴리머로 이루어진 그룹으로부터 선택된 상호 접속부를 포함하는 것인 하이브리드 어셈블리 위상 시프터.
4. 제1항에 있어서, 상기 기판은 절연성 재료를 포함하는 것인 하이브리드 어셈블리 위상 시프터.
5. 제4항에 있어서, 상기 기판은 알루미나, 석영 및 마이크로파 세라믹으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 것인 하이브리드 어셈블리 위상 시프터.
6. 제1항에 있어서, 상기 기판은 반절연성 재료를 포함하는 것인 하이브리드 어셈블리 위상 시프터.
7. 제6항에 있어서, 상기 기판 재료는 고저항 실리콘 및 GaAs으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 것인 하이브리드 어셈블리 위상 시프터.
8. 제1항에 있어서, 복수의 수동형 도전성 위상 지연 소자는 각각 기판 표면 상에 패터닝된 도전성 평면 전송 회선을 포함하는 것인 하이브리드 어셈블리 위상 시프터.
9. 기판,

   상기 기판상에 형성된 복수의 라디에이터,

   상기 기판상에 형성된 복수 개의 수동 위상 시프터 회로- 복수 개의 수동 위상 시프터 회로의 각각이 복수개의 라디에이터 중 하나에 연결되고, 상기 신호 위상 시프트에 대한 전송 신호 입력부와 전송 신호 출력부 사이에 직렬로 접속되는 복수개의 위상 지연 단을 포함하고, 상기 위상 지연단의 각각은 전송 신호에 선택가능한 위상 지연을 가할 수 있어서 상기 신호가 상기 개개의 위상 지연단에 의해 가해지는 위상 지연의 총합에 의해 결정되는 누적 위상 지연을 갖고 라디에이터에 전달됨-, 및

   복수 개의 MEMS 스위치 모듈로서, 상기 MEMS 스위치 모듈 중 하나는 각각 위상 지연 단에 연결되고 상기 선택된 지연단에 전기적으로 접속가능하여 상기 누적 위상 지연을 부여하도록 동작하며, 상기 MEMS 스위치 모듈은 저손실 상호 접속부에 의해 상기 위상 지연단에 연결되어 있는 것인 상기 복수 개의 MEMS 스위치 모듈

   을 포함하는 위상 어레이 안테나 어셈블리.
10. 제9항에 있어서, 상기 저손실 상호 접속부는 플립칩 상호 접속부를 포함하는 것인 위상 어레이 안테나 어셈블리.
11. 제 10항에 있어서, 상기 플립칩 상호 접속부는 합금 범프, 인듐 범프, 도금된 쓰루 홀, 금속-대-금속 열압착 접합제 및 도전성 폴리머로 이루어진 그룹으로부터 선택된 상호 접속부를 포함하는 것인 위상 어레이 안테나 어셈블리.
12. 제9항에 있어서, 상기 위상 지연단 각각은 상이한 길이의 실시간 지연 회선을 포함하는 복수의 위상 지연 소자를 포함하는 것인 위상 어레이 안테나 어셈블 리.
13. 제12항에 있어서, 상기 실시간 지연 회선은 상기 기판 표면 상에 패터닝된 도전성 평면 전송 회선을 포함하는 것인 위상 어레이 안테나 어셈블리.
14. 제9항에 있어서, 상기 기판은 절연성 재료를 포함하는 것인 위상 어레이 안테나 어셈블리.
15. 제14항에 있어서, 상기 기판은 알루미나, 석영, 및 마이크로파 세라믹으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 것인 위상 어레이 안테나 어셈블리.
16. 제9항에 있어서, 상기 기판은 반절연성 재료를 포함하는 것인 위상 어레이 안테나 어셈블리.
17. 제16항에 있어서, 상기 기판 재료는 고저항 실리콘 및 GaAs으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 것인 위상 어레이 안테나 어셈블리.

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