基于RF MEMS开关的移相器设计

  引言

　　随着商业和军事系统日益向小型化、智能化和灵活化系统的发展，对于低费用、重量轻和高性能天线的设计需求也日益增加。其中，相控阵天线作为一种智能化系统得到了很大的发展。而作为相控阵天线关键组成部分的无源移相器，由于其相对简单，故硬件结构成为一个重要的技术。传统电子移相器通常使用p2i2n 二极管、MESFETs 或者p HEMT 作为开关在不同电长度信号线之间进行切换，以得到所需的相移。这些半导体开关的损耗问题抑制了传统多位移相器向更高频率的发展。

　　随着RF MEMS 技术的出现，在毫米波频率，RF MEMS 开关成为低损耗移相器和其他控制电路设计的一个关键的革新技术。RF MEMS 开关从直流低频到120 GHz 的微波毫米波均具有的开关性能。其优势在于接近0 的功耗和很低的插入损耗。因此，近年来许多移相器设计中使用了低损耗并联或者串联MEMS 开关代替传统的半导体开关，其损耗得到了大幅度的降低。这些MEMS移相器有的是基于传统开关线使用单端多掷开关设计，有的是使用3 dB 耦合器的反射线设计，还有的是用开关分布式MEMS 传输线来改变波的相速以产生一个相移，但是这种移相器的损耗在Ka频段仍然达到5. 1 dB. 在这些MEMS 移相器设计中，开关线式结构具有结构简单、计算方便、损耗更低的优点。然而，这种结构由于延迟线的长度占用了大量面积而相对较大，故在多位设计中，如何优化结构设计使其进一步小型化，对于大孔径电子扫描天线尤其重要。

　　1 相控阵天线

　　在相控阵天线中，对于每个天线单元的相位配置控制是通过移相器来实现的。这种电子扫描阵列（ESAs） 可以是有源的也可以是无源的。在有源相位阵列中（见图1 （a））。每个天线后面都直接连接发射/ 接收（T/ R） 模块，再连接移相器，因此移相器损耗不会对发射功率和噪声系数产生影响。但是，当需要一个很大的天线扫描阵列时，如此多的T/ R 模块使得整体系统体积大且非常昂贵。 在无源相位阵列中（见图1 （ b）），每个天线后面都直接连接移相器，若干个移相器再连接一个T/ R 模块。这样虽然移相器的损耗会直接影响系统发射功率及噪声系数，但其优势在于使用更少数量的T/ R 模块和其他组成部分，得到一个更简单、费用更低的系统。然而，这仅在移相器具有十分低的损耗时才是可行的，因为T/R 模块必须补偿移相器的损耗。一个高损耗的移相器意味着T/ R 模块必须具有更高的发射功率、更大的尺寸和更昂贵的费用，这样就难以实现使用无源阵列来获得一个简单化的设计。RF MEMS 开关在从直流低频到120 GHz 范围内仍可保持低损耗和低寄生效应的特性。利用这些开关可以消除在传统移相器中存在的主要损耗成分，显着减少全部通过移相器的RF 损耗，使得单一功率放大器可以供应若干个天线单元，极大减少了相位阵列硬件的费用、重量和功率耗散问题。

　　2 移相器设计

　　RF MEMS 开关线移相器结构如图2 所示。该结构由微带线和串联电阻式RF MEMS 开关组成，以高阻硅作为衬底材料。微带线用来传播RF 信号，而串联电阻式RF MEMS 开关则用来控制信号通路的通/ 断，以实现不同信号通路之间的切换。图2是相移从0°～180°步进22. 5°，对于从0°～360°步进22. 5°的移相器，具有相同的结构原理，仅需多接一段电长度为180°的延迟线即可实现。

　　图2 中，前后2 个部分的结构设计原理是相同的，都有2 条通路。一个是参考通路，另一个则是根据需要实现的相移制作得长一点的延迟通路。 当参考通路上的开关闭合，而延迟通路上的开关断开时，信号通过参考通路传播，此时定义为0°相移状态。

　　当参考通路上的开关断开，而延迟通路上的开关闭合时，信号通过延迟通路传播，比参考通路多传播了所需要的电长度，此时就得到了延迟信号。为了得到小步进相移，部分的延迟线通路又分为4 条支线，连同参考通路，总共5 条通路，相邻两条通路之间的电长度相差22. 5°。因此，由部分的RFMEMS 开关可以控制选择从0°~90°步进22. 5°，5个不同的相移值。这样，利用重复使用同一小段信号线可以有效地减小整个设计的尺寸，以进一步达到小型化的目的。 第二部分结构仅实现0°和90°相移。

　　两个部分结合就可以实现相移从0°~180°步进22. 5°。 图3 所示分别为0°、22. 5°、135°相移时的信号通路示意图。

　　3 仿真分析

　　移相器的损耗主要来自于传输线损耗和RFMEMS 开关的损耗。减少传输线长度可以相对有效地降低传输线损耗，这主要是依靠减少参考线长度来获得紧凑的结构设计实现的。RF MEMS 开关在移相器中的损耗主要来自于偏置电极旁路作用以及开关与传输线连接部分的阻抗匹配损耗。偏置电极与开关桥之间存在寄生电容，特别是当开关桥被拉下时电容值。这样就造成对RF 信号的旁路作用，增大信号损耗。

　　通过使用细导线来作为偏置网络连线，或在偏置通路上加一个10 kΩ 偏置电阻的方法可以减小偏置电极泄漏的信号。 而开关与传输线之间的阻抗不匹配，会产生回波导致传输的能量损耗。通常，50Ω 微带传输线在一定衬底上的宽度有个相应的值。

　　若该值与开关的信号通路宽度相差越小，则造成的损耗也会越小；反之，则越大。 在不匹配状态下，开关的信号通路越长，损耗也会越大。因此，应尽可能使得传输线宽度与开关的信号通路宽度接近，或者在两者的接触位置采用锲行连接线也可相对减小损耗。

　　RF MEMS 开关，在本文设计的移相器中建立的简化等效模型如图4 所示。 图中：微带信号传输线的特性阻抗为50 Ω ，开关的信号通路的特性阻抗为75 Ω；偏置电极在开关中间，其寄生电容在拉下时，约为5 p F ;再加一偏置电阻10 kΩ ，以减小损耗。 其仿真结果如图5 所示。 由图可见，在5. 8 GHz时，插入损耗为- 0. 044 dB. 随着频率的增加，即开关的信号通路电长度增加，插入损耗将逐渐增大。

　　本文设计的RF MEMS 移相器选择高阻硅（εr= 11. 9） 作为衬底材料，其结构（见图2） 由两部分组成：部分结构的8 段纵向延长线的长度都约为1/ 32 波导波长，即L1 = 0. 53 mm. 第二部分结构的纵向延长线长度约为1/ 8 波导波长，即L2 = 2. 12mm. 2 个部分的参考通路长度皆为0. 53 mm. 微带传输线的宽度取w = 0. 13 mm ，使得输入输出阻抗达到50 Ω。 RF MEMS 开关尺寸为0. 1 mm ×0. 05mm.

　　通过控制RF MEMS 开关来切换信号通路，可以得到9 种相移状态，图6 所示为该移相器的RF性能的仿真结果。 由图6 （a） 可见，在5. 8 GHz 时，移相器的插入损耗S21 在- 0. 3 dB（0°相移时） ～ - 0. 7dB（180°相移时） 变化。 在0°相移时，由于传输线短，并且信号通过的开关也少，故其插入损耗S21，而其他状态则较大，但整体平均损耗仍然很小，约为- 0. 5 dB. 移相器的插入损耗随着频率的增加而有所变大，在20 GHz 范围内的插入损耗S21 都小于- 1. 8 dB. 由图6 （b） 可见，在所有相移状态下，其输入回波损耗S11 都低于- 20 dB. 该移相器的相移结果如图7 所示。 在5. 8 GHz 时，仿真相移结果与预期结果符合。

　　4 结语

　　随着未来通信技术向着毫米波甚至更高频段的深入，RF MEMS以其优异的RF性能逐渐取代传统半导体开关用于移相器设计中。本文采用串联电阻式RF MEMS 开关来设计移相器，实现从0°~180°步进22. 5°的相移功能。该结构对于不同的相移使用了共用部分延迟线，而非单相移单延迟线的结构，因此可以减小整体面积。并且在5. 8 GHz 时其输入回损小于- 20 dB ，插入损耗在- 0. 3~- 0. 7dB 变化。该结构可以符合相控阵天线中单一功率放大器供应若干个移相器及天线单元的需要。

  

参考文献:

[1]. S11  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/S11+_1617658.html.