射頻MEMS移相器

1、引言
微波移相器是相控陣雷達、衛星通信、移動通信設備中的核心組件，它的工作頻帶、插入損耗直接影響著這些設備的抗干擾能力和靈敏度，以及系統的重量、體積和成本，因此研究寬帶、低插損的移相器在軍事上和民用衛星通信領域具有重要的意義。近年來，隨著RF MEMS開關的研究不斷取得進展，使MEMS開關替代傳統的鐵氧體開關、p-i-n二極管、FET，設計制造寬帶、低插損RF MEMS移相器成為可能。因此采用MEMS微波開關技術的單片集成RF MEMS移相器，具有較低的插入損耗、寬帶寬、小體積的特點，是實現上萬單元相控陣天線的關鍵技術，對衛星組網技術、戰術、戰略偵察、制導均有重要意義。
2、發展現狀
由于相控陣雷達、衛星通信等領域應用的需要，RF MEMS移相器在國際上有眾多的研究者，工作頻段從幾GHz到上百GHz，采用的結構有DMTL型、開關線型和反射型。
2.1 國外發展現狀
2.1.1 DMTL型移相器
DMTL型移相器是DistributedMEMSTransmissionline的簡稱，其結構和等效電路如圖1所示。它是在CPW傳輸線上周期性的加載一定電容比的并聯RF MEMS開關，在中心信號線和橋之間加驅動電壓，將改變CPW傳輸線的負載電容，從而改變傳輸線的特征阻抗和傳輸系數實現移相。
DMTL型移相器是美國密歇根大學的N.ScottBarker[1]在1998年11月第一次設計制造的，為一模擬移相器，它是通過表面MEMS工藝在500mm厚的石英襯底上制作帶有周期性MEMS橋電容的CPW傳輸線（W=G=100μm），驅動電壓為0~Vp，Vp為橋電容的下拉電壓。當電壓在0~Vp間變化時，相移發生連續變化。測量結果顯示該移相器可在0~60GHz工作，在60GHz時相移118°，插損為-2dB，在40GHz時相移為84°，插損為-1.8dB，驅動電壓為10~23V。
2000年1月加州大學圣·巴巴拉分校的AndreaBorgioli等人[2]采用MEMS橋和固定MIM電容串聯，以減少下態電容，實現了第一個1位數字DMTL移相器。該移相器驅動電壓為75V，在25GHz時相移為180°，插損為上態-0.98dB，下態-1.17dB，在35GHz時相移270°，插損為上態-1.07dB，下態-1.69dB，反射損失好于-11dB。
DMTL型移相器具有頻帶寬、插損小、純時延、工藝簡單的優點，芯片尺寸較大，目前多在低介電常數襯底上制造，在高介電常數襯底上制造需繼續減小橋電容和間距以滿足布拉格頻率[3]的要求。
2.1.2 開關線型MEMS移相器
開關線型MEMS移相器是通過RF MEMS開關，選擇不同的長度的信號路徑實現相移。雷訊實驗室的B.Pillans等人于1999年12月利用MEMS并聯電容耦合開關設計制造了3位、4位Ka波段開關線移相器[4]。3位的平均插損是-1.7dB，4位的平均插損是-2.2dB，帶寬為32~36GHz，反射損失小于-10dB。驅動電壓45V。2002年G.L.Tan[5]使用單刀四擲串聯MEMS開關，通過4條不同的路徑實現2位開關線移相器，如圖2所示，在8~12GHz平均插損為-0.55dB，反射損失好于-17dB。在DC~18GHz相移有很好的線性度，是目前體積最小的MEMS移相器。
開關線型MEMS移相器插損取決于開關導通時的損耗和傳輸線損耗，要滿足插損小、體積小，設計上須保證匹配，因此要對線的長度和阻抗進行優化。
2.1.3 反射型MEMS移相器
S移相器是通過RF MEMS開關改變3dB耦合器反射臂的電抗來實現相移。1999年12月雷訊公司C.L.Goldsmith[6]利用微帶LANGE耦合器和MEMS并聯電容耦合開關設計制造了4位X波段反射型移相器，在8GHz時平均插損為-1.4dB，反射損失好于-11dB。2002年漢城大學的Hong-TeukKim等人[7]采用MEMS空氣覆蓋型低損耗耦合器，設計了2位（135°）CPW反射型移相器（圖3），6個金-金接觸串連MEMS開關，控制短路反射線的長度，在60GHz時平均插損-4dB，反射損失從50~70GHz為-11.7dB，尺寸為1.5mm×2.1mm。
反射型MEMS移相器芯片面積較小，但插損較大，其中3dB耦合器的插損隨頻率增加而增加，不可忽視，同時反射線長度變短，使開關制造有一定困難。

2.2 國內發展現狀
本文采用DMTL結構在高阻硅襯底上實現了2位DC~30GHz數字移相器,30GHz時相移為105°，最大插損小于-1.8dB，駐波好于-11dB。由于驅動電壓加在橋與CPW地線之間，增加驅動面積使驅動電壓小于20V。
2.2.1 設計與制造
2位DC~30GHz移相器是采用高阻硅襯底，在3.3mm長CPW傳輸線上周期性制造6個并聯MEMS電容，如圖4所示。通過橋與CPW傳輸線的地之間加載DC驅動來改變CPW傳輸線的負載電容，偏置電壓通過高阻線直接加載到橋上，各個橋之間通過彎曲的高阻線連接，使橋之間隔離。
2.2.2 測試結果
使用HP8510c矢量網絡分析儀和150μmGGB探針臺對移相器進行在片測量，使用LRM校準，驅動電壓為18V。測量結果如圖5所示。表1是在15GHz時一組相移數據。
從測試結果可以看出，在32GHz以下具有很好的線性，插損小于-1.8dB，駐波好于-11dB，在30GHz時最大，相應為105°。32GHz以上相移曲線明顯向上彎曲，產生非線性，插損也明顯增大，實際相移小于設計相移是由于CPW的地線與MEMS橋的錨位間隙較小，使橋不能與CPW的地線完全接觸，減小了下態電容。

3、發展趨勢
RF MEMS移相器具有低插損、低功耗、寬帶寬、小體積、重量輕的優點，是機載雷達、星用雷達的理想器件，對戰術、戰略偵察、制導均有重要意義，其中開關線型移相器的插損主要取決于開關導通時的插損，同時要求兩條路徑之間有足夠高的隔離，因此要求開關具有較低的導通插損和高的截止隔離度，因此它的帶寬取決于開關的帶寬，同時設計上須對T型頭進行匹配設計，保證在寬頻帶內有較小的反射。反射型MEMS移相器頻帶較窄、芯片面積較小，但插損較大，同時高頻時反射線長度變短，使開關制造有一定困難。DMTL型移相器和開關線型移相器都具有純時延的特性，插損小，設計和制造較容易，是未來發展的重點。我們相信RF MEMS移相器在未來雷達和通訊系統中將起到越來越大的作用。