射频微机械移相器
| 娄建忠 ，赵正平， 杨瑞霞， 吕苗，胡小东
(1．河北工业大学信息学院，天津300130；2．河北大学电子信息工程学院，) |
| 1 引言 微波移相器是相控阵雷达、卫星通信、移动通信设备中的组件，它的工作频带、插入损耗直接影响着这些设备的抗干扰能力和灵敏度，以及系统的重量、体积和成本，因此研究宽带、低插损的移相器在军事上和民用卫星通信领域具有重要的意义。近年来，随着RF MEMS开关的研究不断取得进展，使MEMS开关替代传统的铁氧体开关、p·i-n二极管、FET，设计制造宽带、低插损RFMEMS移相器成为可能。因此采用MEMS微波开关技术的单片集成RFMEMS移相器，具有较低
的插入损耗、宽带宽、小体积的特点，是实现』万单元相控阵天线的关键技术，对卫星组网技术．战术、战略侦察、制导均有重要意义。
2 发展现状
由于相控阵雷达、卫星通信等领域应用的需要，RF MEMS移相器在国际上有众多的研究者，工作频段从几GHz到上百GHz，采用的结构有DMTL型、开关线型和反射型。
2．1国外发展现状
2．1．1 DMTL型移相器
DMTL型移相器是DistributedMEMS Trans—mission line的简称，其结构和等效电路如图1所示。它是在CPW传输线上周期性的加载一定电容
比的并联RFMEMS开关，在中心信号线和桥之间加驱动电压，将改变CPW传输线的负载电容，从而改变传输线的特征阻抗和传输系数实现移相。 DMTL型移相器是美国密歇根大学的N．ScottBarker在1998年11月次设计制造的，为一模拟移相器，它是通过表面MEMS工艺在500gm厚的石英衬底上制作带有周期性MEMS桥电容的CPW传输线(W二G二100 u m)，驱动电压为0-V”，V”为桥电容的下拉电压。当电压在0~V间变化时，相移发生连续变化。测量结果显示该移相器可在0~60GHz工作，在60GHz时相移118‘，插损为—2dB，在40GHz时相移为84‘，插损为—1．8dB，驱动电压为10”23V。
2000年1月加州大学圣·巴巴拉分校的AndreaBorgioli等人采用MEMS桥和固定MIM电容串联，以减少下态电容，实现了个1位数字DMTL移
相器。该移相器驱动电压为75V，在25GHz时相移为180’，插损为上态—0．98dB，下态—1．17dB，在35GHz时相移270‘，插损为上态—1．07dB，下态—1．69dB，反射损失好于—11dB。
DMTL型移相器具有频带宽、插损小、纯时延、工艺简单的优点，芯片尺寸较大， 目前多在低介电常数衬底上制造，在高介电常数衬底上制造
需继续减小桥电容和间距以满足布拉格频率，’，的要求。
2．1．2开关线型MEMS移相器
开关线型MEMS移相器是通过RF MEMS开关，选择不同的长度的信号路径实现相移。雷讯实验室的B．Pillans等人于1999年12月利用MEMS并联电容耦合开关设计制造了3位、4位Ka波段开关线移相器，4)。3位的平均插损是—1．7dB，4位的平均插损是—2．2dB，带宽为32~36GHz，反射损失小于—10dB。驱动电压45V。2002年G．L．Tan，，]使用单刀四掷串联MEMS开关，通过4条不同的路径实现2位开关线移相器，如图2所示，在8-12GHz平均插损为—0．55dB，反射损失好于—17dB。在DC~18GHz相移有很好的线性度，是目前体积的MEMS移相器。
2．1．3反射型MEMS移相器
反射型MEMS移相器是通过RFMEMS开关改变3dB耦合器反射臂的电抗来实现相移。1999年12月雷讯公司C．L．Goldsmithr利用微带LANGE耦合器和MEMS并联电容耦合开关设计制造了4位×波段反射型移相器，在8GHz时平均插损为—1．4dB，反射损失好于—11dB。2002年汉城大学的Hong-TeukKim等人，’，采用MEMS空气覆盖型低损耗耦合器，设计了2位(135。) CPW反射型移相器(图3)，6个金—金接触串连MEMS开关，控制短路反射线的长度，在60GHz时平均插损—4dB,反射损失从50~70GHz为—11．7dB，尺寸为1．5mm× 2．1mm。
反射型MEMS移相器芯片面积较小，但插损较大，其中3dB耦合器的插损随频率增加而增加，不可忽视，同时反射线长度变短，使开关制造有一定困难。
2．2国内发展现状
本文采用DMTL结构在高阻硅衬底上实现了2位DC~30GHz数字移相器,30GHz时相移为105，插损小于—1．8dB，驻波好于—11dB。由于驱动电压加在桥与CPW地线之间，增加驱动面积使驱动电压小于20V。
2．2．1设计与制造
2位DC~30GHz移相器是采用高阻硅衬底，在3．3mm长CPW传输线上周期性制造6个并联MEMS电容，如图4所示。通过桥与CPW传输线的地之间加载DC驱动来改变CPW传输线的负载电容，偏置电压通过高阻线直接加载到桥上，各个桥之间通过弯曲的高阻线连接，使桥之间隔离。
2．2．2测试结果
使用HP8510c矢量网络分析仪和150llmGGB探针台对移相器进行在片测量，使用LRM校准，驱动电压为18V。测量结果如图5所示。表1是在15GHz时一组相移数据。
从测试结果可以看出，在32GHz以下具有很好的线性，插损小于—1．8dB，驻波好于—11dB，在30GHz时，相应为105。32GHz以上相移曲
线明显向上弯曲，产生非线性，插损也明显增大，实际相移小于设计相移是由于CPW的地线与MEMS桥的锚位间隙较小，使桥不能与CPW的地线完全接触，减小了下态电容。
3 发展趋势
RFMEMS移相器具有低插损、低功耗、宽带宽、小体积、重量轻的优点，是机载雷达、星用雷达的理想器件，对战术、战略侦察、制导均有重要意义，其中开关线型移相器的插损主要取决于开关导通时的插损，同时要求两条路径之间有足够高的隔离，因此要求开关具有较低的导通插损和高的截止隔离度，因此它的带宽取决于开关的带宽，同时设计上须对T型头进行匹配设计，保证在宽频带内有较小的反射。反射型MEMS移相器频带较窄、芯片面积较小，但插损较大， 同时高频时反射线长度变短，使开关制造有一定困难。DMTL型移相器和开关线型移相器都具有纯时延的特性，插损小，设计和制造较容易，是未来发展的重点。我们相信RFMEMS移相器在未来雷达和通讯系统中将起到越来越大的作用。 |
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