矩形橋式共面波導結構的毫米波微機電系統移相器的製作方法

2023-09-13 07:04:05 2

專利名稱：矩形橋式共面波導結構的毫米波微機電系統移相器的製作方法
技術領域：
本發明涉及毫米波微機電系統移相器。
技術背景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中最重要的 部分，它的工作頻帶、插入損耗直接影響著這些設備的抗幹擾能力和靈敏度以 及系統的重量、體積和成本。在傳統的移相器電路中常常採用二極體或鐵氧體 器件作為移相器電路的主體元器件，但是傳統移相器具有功耗高、插入損耗高、可靠性差、成本高等缺點。而且應用傳統移相器來設計毫米波段(如Ka波段) 相控陣的饋電網絡是行不通的，因為陣元的間距在毫米數量級，甚至已小於元 器件的物理尺寸。而射頻微機電系統(Radio Frequency Micro Electro Mechanical Systems,縮寫為RF MEMS)移相器具有傳統移相器所無法比擬的體積小、損 耗小、成本低、頻帶寬、易於集成等突出優點，使得微波電路的結構、性能發 生根本性改變。因此應用MEMS技術研究和開發基於MEMS工藝的毫米波移 相器可大大減小設備的體積和重量，改善設備的性能，具有十分重要的意義。 傳統的分布式移相器結構(如圖l所示)，它採用了分布式傳輸線結構，通過 在共面波導傳輸線上周期的加載MEMS金屬橋，在金屬橋上施加電壓來控制 橋的高度來改變金屬橋和傳輸線之間的電容^^而改變傳輸線上的傳播常數，實 現改變入射波相移的目的。這種移相器由於僅僅通過改變兩種狀態下橋的高度 來改變相移，而金屬橋的高度變化範圍有限，只能產生很小的一段位移，兩種 狀態下的電容比非常低，因此單位MEMS金屬橋所能產生的相移量非常有限， 通常小於10度。當共面波導阻抗較低或較高時，都會產生較大的傳輸損耗， 一般的反射損耗在-10dB左右，並且由於RFMEMS器件高度集成在一起，不 可避免地會在相鄰器件間相互產生電磁幹擾。 發明內容本發明為了解決現有MEMS移相器單橋相移量較小、潛在的傳輸損耗較 大以及相鄰器件間電磁幹擾大的問題，提供了一種矩形橋式共面波導結構的毫米波微機電系統移相器，解決上述問題的具體技術方案如下本發明包含共面波導、信號線、地線、金屬橋和金屬槽形矩形橋，金屬槽形矩形橋覆蓋在n個金屬橋的上方，金屬槽形矩形橋的下端固定在共面波導上的兩根地線上，金屬槽形矩形橋頂部的橋梁與共面波導平行。本發明與傳統的分布式MEMS移相器相比具有下列優點 一、由於金屬 槽形矩形橋覆蓋了 MEMS金屬橋及跨接了兩側的地線，使得電磁波的傳輸被 限制在矩形橋以內，因而降低移相器的輻射損耗，由於信號線和地線之間的耦 合度增大，表面電流得到分散，進而降低了傳導損耗，在34 36GHz的頻帶 內，插入損耗在-l -2dB內，反射損耗在-10 -20 dB，在整個通帶內相移具 有較好的線性度，在34 36GHz處僅兩橋結構相移即達到120° 160°，且誤 差精度在±5°內，單橋相移量高達60。 80。； 二、本發明在"關態"時，金屬 橋被下拉到介質層上，通過控制介質層的厚度來精確的限定在"關態"下金屬 橋與信號線之間的距離，進而實現了對相移的精確控制，同時還提高了移相器 的使用壽命；三、本發明的MEMS金屬橋被矩形橋覆蓋，屏蔽了相鄰器件間 的電磁幹擾。本發明有效地減小了附加的波導橋尺寸。本發明廣泛適用於射頻 通信系統、小型相控陣雷達和相控陣天線系統。


圖1是現有分布式移相器結構示意圖，圖2是本發明帶有金屬槽形矩形橋 8的結構示意圖，圖3是圖2在豎直方向的右側視圖，圖4是矩形橋式共面波 導結構的毫米波MEMS移相器信號線3上鋸齒槽7的結構示意圖，圖5是具 體實施方式九中矩形橋式共面波導結構的毫米波MEMS移相器在"關態"下 的射頻特性示意圖，圖6是具體實施方式
九中矩形橋式共面波導結構的毫米波 MEMS移相器在"開態"下的射頻特性示意圖，圖7是具體實施方式
九中矩 形橋式共面波導結構的毫米波MEMS移相器在"開態"和"關態"下的相移 特性示意圖。圖中a為射頻輸入信號，b為射頻輸出信號，且&,代表信號的 反射，代表信號的傳輸。
具體實施方式
具體實施方式
一結合圖2、圖3描述本實施方式。本實施方式由共面 波導1、信號線3、地線4、金屬橋5和金屬槽形矩形橋8組成，金屬槽形矩形橋8延水平方向覆蓋在n個金屬橋5的上方，金屬槽形矩形橋8的下端固定 在共面波導1上的兩根地線4上，金屬槽形矩形橋8頂部的橋梁與共面波導1 平行(所述n為大於l的自然數)。
具體實施方式
二結合圖3描述本實施方式。本實施方式還包含有n個 絕緣介質基片6，每個絕緣介質基片6設在^個金屬橋5正下方信號線3的上 方，在每個絕緣介質基片6的上下兩側的信號線3上對稱向內開有鋸齒槽7(所 述的n為大於1的自然數)。通過在金屬橋與信號線間設有絕緣介質基片6， 提高了移相器在兩種工作狀態下金屬橋所引入的電容比，進而提高了單橋的相 移量。
具體實施方式
三本實施方式的每個絕緣介質基片6的寬度小於信號線 3的寬度；絕緣介質基片6與金屬橋5的個數相同。
具體實施方式
四結合圖2、圖3描述本實施方式，本實施方式所述的金 屬槽形矩形橋8橋壁距信號線3中心的距離為200pm 40(^m;金屬槽形矩形 橋8的高度為10nm 20pm，所述金屬槽形矩形橋8左右兩端部距信號線3左 右兩端部的距離為Onm 300pm。
具體實施方式
五本實施方式所述的金屬槽形矩形橋8為金、鋁或銅材料 製成。
具體實施方式
六本實施方式所述的絕緣介質基片6採用氮化矽材料。
具體實施方式
七本實施方式所述的底部基板2為高阻矽材料，其介電常 數為1L9，厚度為525 pm，其上表面附著有厚度為lpm的二氧化矽層，所述 的共面波導1上的信號線3導體線條寬度為100 nm，所述的信號線3和地線4 之間的距離為100pm，金屬橋5寬度為25 nm，相鄰金屬橋5之間的距離為 340 nm，金屬橋5的節數n-2，且所述金屬橋5、信號線3、地線4的材料均 為金，所述的介質基片6採用氮化矽材料，介電常數為7.5，厚度為0.3pm, 所述的鋸齒槽7的深度為20nm,鋸齒槽7寬出金屬橋5兩側各lpm，所述的 金屬槽形矩形橋8橋壁距信號線3中心的距離為30(Him，金屬槽形矩形橋8 的高度為18.7pm，所述的金屬槽形矩形橋8左右兩端部距信號線3左右兩端 部的距離為300pm。本實施方式所述的矩形橋式共面波導結構的毫米波MEMS移相器的電磁場在34 36GHz的頻帶內測得，插入損耗高於-2dB，反射損耗低於-10dB。 在整個通帶內相移具有較好的線性度，在35 GHz處僅覆蓋兩個金屬橋5的相 移即能達到150。，且誤差精度在±5°內，單個金屬橋5相移量高達75°。本發明的矩形橋式共面波導結構的毫米波MEMS移相器在工作的時候， 通過在金屬橋5和信號線3之間施加直流電壓來改變金屬橋5的高度，當不施 加電壓時，金屬橋5保持正常狀態，在施加電壓後金屬橋5產生形變，下拉直 至貼敷到信號線3上方的絕緣介質基片6上，使金屬橋5和信號線3之間的電 容值發生變化，傳輸線上相移常數也隨之而變化，從而實現了相移的改變。
權利要求
1. 矩形橋式共面波導結構的毫米波微機電系統移相器，它包含共面波導(1)、信號線(3)、地線(4)、金屬橋(5)和金屬槽形矩形橋(8)，其特徵在於金屬槽形矩形橋(8)覆蓋在n個金屬橋(5)的上方，金屬槽形矩形橋(8)壁的下端固定在共面波導(1)上的兩根地線(4)上，金屬槽形矩形橋(8)頂部的橋梁與共面波導(1)平行。
2、 根據權利要求1所述的矩形橋式共面波導結構的毫米波微機電系統移 相器，其特徵在於它還包含有n個絕緣介質基片(6),每個絕緣介質基片(6) 設在每個金屬橋(5)正下方信號線(3)的上方，在每個絕緣介質基片(6) 的上下兩側的信號線(3)上對稱開有鋸齒槽(7)。
3、 根據權利要求1或2所述的矩形橋式共面波導結構的毫米波微機電系 統移相器，其特徵在於所述的n為大於1的自然數。
4、 根據權利要求1或2所述的矩形橋式共面波導結構的毫米波微機電系 統移相器，其特徵在於絕緣介質基片(6)的寬度小於信號線(3)的寬度。
5、 根據權利要求1或2所述的矩形橋式共面波導結構的毫米波微機電系 統移相器，其特徵在於金屬橋(5)與絕緣介質基片(6)的個數相同。
6、 根據權利要求1所述的矩形橋式共面波導結構的毫米波微機電系統移 相器，其特徵在於金屬槽形矩形橋(8)橋壁距信號線(3)中心的距離為200nm 400pm;金屬槽形矩形橋(8)的高度為10nm 20nm。
7、 根據權利要求1所述的矩形橋式共面波導結構的毫米波微機電系統移 相器，其特徵在於所述金屬槽形矩形橋(8)左右兩端部距信號線(3)左右兩 端部的距離為Onm 300nm。
8、 根據權利要求1所述的矩形橋式共面波導結構的毫米波微機電系統移 相器，其特徵在於金屬槽形矩形橋(8)為金、鋁或銅材料製成。
9、 根據權利要求1或2所述的矩形橋式共面波導結構的毫米波微機電系 統移相器，其特徵在於絕緣介質基片(6)採用氮化矽材料。
10、 根據權利要求l、 2、 6、 7或9所述的矩形橋式共面波導結構的毫米 波微機電系統移相器，其特徵在於信號線(3)線條寬度為100nm,所述的信 號線(3)和地線(4)之間的距離為100nm,金屬橋(5)的寬度為25 nm,相鄰金屬橋(5)之間的距離為340 nm，金屬橋(5)的節數n=2，且所述金 屬橋(5)、信號線(3)、地線(4)的材料均為金，絕緣介質基片(6)採用氮 化矽材料，介電常數為7.5，厚度為0.3pm，鋸齒槽(7)的深度為20pm，鋸 齒槽(7)寬出金屬橋(5)兩側各lpm，金屬槽形矩形橋(8)左右兩側距信 號線(3)中心的距離為300pm，金屬槽形矩形橋(8)的高度為18.7pm，金 屬槽形矩形橋(8)左右兩端部距信號線(3)左右兩端部的距離為300pm。
全文摘要
矩形橋式共面波導結構的毫米波微機電系統移相器，它涉及微機電系統移相器。它解決了現有MEMS移相器存在單橋相移量小、相位精度低的問題。本發明的金屬槽形矩形橋(8)覆蓋在n個金屬橋(5)的上方，金屬槽形矩形橋(8)的橋壁下端固定在共面波導(1)上的兩根地線(4)上，金屬槽形矩形橋(8)頂部的橋梁與共面波導(1)平行。本發明的金屬槽形矩形橋覆蓋了MEMS金屬橋及跨接了兩側的地線，使得電磁波的傳輸被限制在矩形橋以內，因而降低移相器的輻射損耗，由於信號線和地線之間的耦合度增大，表面電流得到分散，進而降低了傳導損耗，減少了相鄰器件間的電磁幹擾，有效地減小了附加的波導橋尺寸。
文檔編號H01P1/18GK101276950SQ200810064370
公開日2008年10月1日 申請日期2008年4月23日 優先權日2008年4月23日
發明者傅佳輝, 群 吳, 愷 唐, 孟繁義, 楊國輝, 賀訓軍, 靳爐魁 申請人:哈爾濱工業大學