基於左手傳輸線的mems負載線型2位移相器的製作方法

2023-09-22 04:59:25 1

專利名稱：基於左手傳輸線的mems負載線型2位移相器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種MEMS負載線型2位移相器，特別涉及一種基於左手傳輸線的MEMS負載線型2位移相器。
背景技術：
移相器用於控制信號的相位變化，是無線通信系統的基本部件，是構成相控陣雷達、微波毫米波接收發機的關鍵組件。根據信號延遲機理的不同，可以分為反射線型移相器、開關線型移相器和負載線型移相器。其中，負載線型移相器是通過調整負載阻抗值來控制不同負載情況下的相位差。目前，傳統的移相器一般基於PIN 二極體、EFT開關或鐵氧體材料來實現。隨著信息技術的發展，移動通信、衛星通信等通信系統的工作頻率不斷升高。傳統的移相器由於存在尺寸大、功耗高的缺點，不能很好地滿足通信系統對器件日益嚴格的性能指標。微機電系統(MEMQ是近年發展起來的一種新型多學科交叉技術，涉及微電子學、機械學、材料學、力學、光學、熱學等多種學科。它通過採用微電子技術和微加工技術相結合的製造工藝，製造出各種性能優異和價格低廉的微型電子器件。與傳統的PIN 二極體、EFT開關相比，MEMS開關具有插入損耗低、隔離度高、線性度高、工作頻帶寬等優點，缺點是可靠性低，工作壽命短。如果將MEMS開關應用於移相器的設計，就會使得移相器在任何頻率處都有較低的損耗。此外，由於MEMS開關具有較好兼容性，能夠與其他器件集成到一塊晶片上，使產品集成化和微型化，大幅度地降低了成本和減小了尺寸。從已發表文獻來看，目前報導的2位MEMS移相器使用的MEMS開關的數量較多。例如，美國密西根大學Juo-JimgHung等人製作的2位分布式MEMS移相器需要M個MEMS開關。這無疑會降低MEMS移相器的可靠性，縮短其工作壽命。所以目前的2位MEMS移相器中存在MEMS開關相移量小和開關數量多的問題。

發明內容
本發明的目的是為了解決2位MEMS移相器中MEMS開關相移量小和開關數量多的問題，提供一種基於左手傳輸線的MEMS負載線型2位移相器。本發明的基於左手傳輸線的MEMS負載線型2位移相器，它包括微帶線和三組移相單元；微帶線包括覆蓋有金屬層的接地板、基底和信號線，信號線固定在基底的上表面，並且位於基底沿寬度方向的中間位置，信號線分為四段，每相鄰兩段之間通過一個移相單元實現電的連接；移相單元包括短截線、交指電容、MEMS開關和圓柱形金屬過孔；短截線和交指電容構成左手傳輸線的結構單元；交指電容的兩端分別設置一根短截線和一個MEMS開關，短截線的一端與交指電容的一端的中心處連接，短截線的另一端通過一個圓柱形金屬過孔與接地板連接，短截線與交指電容共面垂直；
MEMS開關兩端分別固定在對應短截線的兩側，MEMS開關兩端與基底連接的位置為錨區，每個錨區均設置一個圓柱形金屬過孔，所述圓柱形金屬過孔將MEMS開關一端與接地板連接，所述MEMS開關的橋梁懸浮在短截線的上方，該橋梁下表面的中間設置有立方體接觸點，該立方體接觸點位於短截線的正上方，所述立方體接觸點與短截線之間有間隙。本發明的優點在於每組移相單元採用交指電容和1對過孔接地的短截線分別作為串聯電容和並聯電感，構造了左手傳輸線的周期結構單元，在左手傳輸線的接地的短截線上加載MEMS開關，利用其左手特性和後向波特性，增加單個MEMS開關的所引起的相移量，進而減少MEMS開關的使用數量，有助於提高MEMS移相器的可靠性；通過MEMS開關同時斷開，或者同時閉合來調整左手傳輸線的負載阻抗值，一組移相單元在25GHz處能實現相移90° ；三組移相單元有規律地級聯，在25GHz處就能有4種相移狀態，分別為0°、90°、180°和270°，即實現了 2位移相器的功能；此外，該移相器在25GHz處，4種相移狀態下的插入損耗優於-2. ldB，回波損耗小於-10dB。綜上所述，本發明的基於左手傳輸線的MEMS移相器具有尺寸小、損耗低、移相精度高和開關數量少的優點。


圖1為本發明的俯視圖。圖2為本發明的立體結構示意圖。圖3為本發明的移相單元結構示意圖。圖4為本發明的MEMS開關閉合時結構示意圖的俯視圖。圖5為本發明的MEMS開關閉合時結構示意圖的正視圖。圖6為本發明的移相器的相位特性曲線，其中，曲線A表示當3對MEMS開關都閉合時移相器的相位特性曲線，曲線B表示當第1對和第2對MEMS開關閉合、第3對MEMS開關斷開時移相器的相位特性曲線，曲線C表示當第1對MEMS開關閉合、第2對和第3對MEMS開關斷開時移相器的相位特性曲線，曲線D表示當3對MEMS開關都斷開時移相器的相位特性曲線。圖7為移相器的插入損耗和回波損耗曲線示意圖，其中，E所指示的四條曲線分別表示本發明的移相器在圖6所示的四種情況下的插入損耗曲線示意圖，F所指示的四條曲線分別表示本發明的移相器在圖6所示的四種情況下的回波損耗曲線示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一結合圖1、圖2、圖3、圖4和圖5說明本實施方式，本實施方式所述的基於左手傳輸線的MEMS負載線型2位移相器，它包括微帶線1和三組移相單元2 ；微帶線1包括覆蓋有金屬層的接地板1-1、基底1-2和信號線1-3，信號線1-3固定在基底1-2的上表面，並且位於基底1-2沿寬度方向的中間位置，信號線1-3分為四段，每相鄰兩段之間通過一個移相單元2實現電的連接；移相單元2包括短截線2-1、交指電容2_2、MEMS開關2_3和圓柱形金屬過孔2_4 ；短截線2-1和交指電容2-2構成左手傳輸線的結構單元；交指電容2-2的兩端分別設置一根短截線2-1和一個MEMS開關2_3，短截線2_1的一端與交指電容2-2的一端的中心處連接，短截線2-1的另一端通過一個圓柱形金屬過孔2-4與接地板1-1連接，短截線2-1與交指電容2-2共面垂直；MEMS開關兩端分別固定在對應短截線2-1的兩側，MEMS開關兩端與基底1_2連接的位置為錨區，每個錨區均設置一個圓柱形金屬過孔2-4，所述圓柱形金屬過孔2-4將MEMS開關一端與接地板1-1連接，所述MEMS開關2-3的橋梁2-3-1懸浮在短截線2_1的上方，該橋梁2-3-1下表面的中間設置有立方體接觸點2-3-2，該立方體接觸點2-3-2位於短截線2-1的正上方，所述立方體接觸點2-3-2與短截線2-1之間有間隙。每組移相單元採用交指電容3-2和1對過孔接地的短截線3-1分別作為串聯電容和並聯電感，構造了左手傳輸線的周期結構單元。根據負載線型移相器的工作原理，通過MEMS開關3-3來改變接地短截線3-1的長度，從而精確控制不同負載情況下的相位差，實現了移相的功能。這1對短截線3-1通過圓柱形金屬過孔技術與基底的金屬接地板連接，構成並聯電感。當對MEMS開關3-3施加直流驅動電壓時，MEMS開關3_3由於受到靜電力的向下閉合，使得MEMS開關3-3的立方體接觸點3-3-2與接地的短截線3_1接觸，從而通過調整接地短截線的長度來改變左手傳輸線的負載阻抗值，達到移相的效果。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一所述的基於左手傳輸線的MEMS負載線型2位移相器不同的是，相鄰的單個移相單元2的中心距離為800 μ m。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一所述的基於左手傳輸線的MEMS負載線型2位移相器不同的是，移相器的長度為3. 0mm、寬度為1. 8mm、高度為0. 234mm。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一所述的基於左手傳輸線的MEMS負載線型2位移相器不同的是，微帶線1的信號線1-3的寬度和厚度分別為200 μ m和2 μ m,微帶線1的信號線1-3的材料為金或銅。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一所述的基於左手傳輸線的MEMS負載線型2位移相器不同的是，所述接地板1-1的厚度為2μπι，所述金屬層的材料為金或銅。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一所述的基於左手傳輸線的MEMS負載線型2位移相器不同的是，基底1-2採用介電常數為11. 9的材料矽，厚度為230 μ m。
具體實施方式
七結合圖3說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一所述的基於左手傳輸線的MEMS負載線型2位移相器不同的是，移相單元2的交指電容2-2由10根金屬條交錯排列構成，每根金屬條的長為188 μ m，寬為11 μ m，厚度為2 μ m,金屬條的相互間距為10 μ m ；排列順序為奇數的金屬條的一端與交指電容一側的微帶線1的信號線1-3連接，另一端與交指電容另一側的微帶線1的信號線1-3的間距為2ym;排列順序為偶數的金屬條一端交指電容一側的微帶線1的信號線1-3的間距為2 μ m，另一端與交指電容另一側的微帶線1的信號線1-3連接；金屬條的材料為金或銅。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一所述的基於左手傳輸線的MEMS負載線型2位移相器不同的是，移相單元2的短截線2-1的長度為320 μ m,寬度為10 μ m,厚度為2 μ m ；短截線的材料為金或銅。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一所述的基於左手傳輸線的MEMS負載線型2位移相器不同的是，圓柱形金屬過孔2-4的內徑為30 μ m,圓柱形金屬過孔2_4的材料為金或銅。
具體實施方式
十結合圖4和圖5說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一所述的基於左手傳輸線的MEMS負載線型2位移相器不同的是，MEMS開關2_3的立方體接觸點2-3-2的中心與短截線2-1的一端的直線距離等於30 μ m，所述短截線2_1的一端為與交指電容2-2連接的一端；橋梁2-3-1的長度為100 μ m,寬度為20 μ m,厚度為2 μ m ；立方體接觸點2-3-1的長度為4 μ m，寬度為4 μ m，厚度為2 μ m ；立方體接觸點2-3-1與短截線2-1之間的間隙為2 μ m。本發明的工作原理為在25GHz處，對於每組移相單元，1對MEMS開關同時斷開和同時閉合兩種狀態，實現90°的相移。3對MEMS開關都斷開時，相位為-76. 3°的；第1對MEMS開關閉合、第2對和第3對MEMS開關斷開時，相位為12. 4° ；第1對和第2對MEMS開關閉合、第3對MEMS開關斷開時，相位為105. 1° ；3對MEMS開關都閉合時，相位為195. 5°。在25GHz處，這4種情況下的插入損耗優於-2. ldB，回波損耗低於-10dB。因此，4種相移狀態分別為0°、90°、180°和270°，為2位移相器。本發明所述的基於左手傳輸線的MEMS負載線型2位移相器的結構不局限於上述各個實施例所述的具體結構，還可以是上述各實施方式所述的技術特徵的合理組合。
權利要求
1.基於左手傳輸線的MEMS負載線型2位移相器，它包括微帶線(1)和三組移相單元(2)；微帶線(1)包括覆蓋有金屬層的接地板(1-1)、基底(1-2)和信號線(1-3)，信號線(1-3)固定在基底(1-2)的上表面，並且位於基底(1-2)沿寬度方向的中間位置，信號線(1-3)分為四段，每相鄰兩段之間通過一個移相單元O)實現電的連接；其特徵在於，移相單元⑵包括短截線0-1)、交指電容0_2)、MEMS開關0-3)和圓柱形金屬過孔(2-4)；短截線(2-1)和交指電容0-2)構成左手傳輸線的結構單元；交指電容0-2)的兩端分別設置一根短截線(2-1)和一個MEMS開關0-3)，短截線(2-1)的一端與交指電容(2- 的一端的中心處連接，短截線(2-1)的另一端通過一個圓柱形金屬過孔0-4)與接地板(1-1)連接，短截線與交指電容0-2)共面垂直；MEMS開關兩端分別固定在對應短截線的兩側，MEMS開關兩端與基底(1_2)連接的位置為錨區，每個錨區均設置一個圓柱形金屬過孔0-4)，所述圓柱形金屬過孔(2-4)將MEMS開關一端與接地板(1-1)連接，所述MEMS開關Q-3)的橋梁Q-3-1)懸浮在短截線(2-1)的上方，該橋梁0-3-1)下表面的中間設置有立方體接觸點0-3-2)，該立方體接觸點(2-3-2)位於短截線的正上方，所述立方體接觸點0-3-2)與短截線之間有間隙。
2.根據權利要求1所述的基於左手傳輸線的MEMS負載線型2位移相器，其特徵在於，相鄰的單個移相單元的中心距離為800 μ m。
3.根據權利要求1所述的基於左手傳輸線的MEMS負載線型2位移相器，其特徵在於移相器的長度為3. Omm、寬度為1. 8mm和高度為0. 234mm。
4.根據權利要求1所述的基於左手傳輸線的MEMS負載線型2位移相器，其特徵在於是微帶線⑴的信號線(1-3)的寬度和厚度分別為200μπι和2μπι，微帶線⑴的信號線(1-3)的材料為金或銅。
5.根據權利要求1所述的基於左手傳輸線的MEMS負載線型2位移相器，其特徵在於，所述接地板(1-1)的厚度為2 μ m，所述金屬層的材料為金或銅。
6.根據權利要求1所述的基於左手傳輸線的MEMS負載線型2位移相器，其特徵在於，基底(1-2)採用介電常數為11.9的材料矽，厚度為230 μ m。
7.根據權利要求1所述的基於左手傳輸線的MEMS負載線型2位移相器，其特徵在於，移相單元的交指電容0-2)由10根金屬條交錯排列構成，每根金屬條的長為188 μ m，寬為11 μ m，厚度為2 μ m，金屬條的相互間距為10 μ m ；排列順序為奇數的金屬條的一端與交指電容一側的微帶線(1)的信號線(1-3)連接，另一端與交指電容另一側的微帶線(1)的信號線(1-3)的間距為2μπι;排列順序為偶數的金屬條一端與交指電容一側的微帶線⑴的信號線(1-3)的間距為2 μ m，另一端與交指電容另一側的微帶線⑴的信號線(1-3)連接；金屬條的材料為金或銅。
8.根據權利要求1所述的基於左手傳輸線的MEMS負載線型2位移相器，其特徵在於移相單元的短截線的長度為320 μ m,寬度為10 μ m,厚度為2 μ m ；短截線的材料為金或銅。
9.根據權利要求1所述的基於左手傳輸線的MEMS負載線型2位移相器，其特徵在於，圓柱形金屬過孔0-4)的內徑為30 μ m，圓柱形金屬過孔0-4)的材料為金或銅。
10.根據權利要求1所述的基於左手傳輸線的MEMS負載線型2位移相器，其特徵在於，MEMS開關0-3)的立方體接觸點0-3-2)的中心與短截線的一端的直線距離等於30μπι，所述短截線的一端為與交指電容(2-2)連接的一端；橋梁0-3-1)的長度為100 μ m,寬度為20 μ m,厚度為2 μ m ；立方體接觸點0-3-1)的長度為4 μ m，寬度為4 μ m，厚度為2μπι;立方體接觸點0-3-1)與短截線之間的間隙為2 μ m。
全文摘要
基於左手傳輸線的MEMS負載線型2位移相器，涉及一種MEMS負載線型2位移相器，為了解決2位MEMS移相器中MEMS開關相移量小和開關數量多的問題。微帶線包括覆蓋有金屬層的接地板、基底和信號線，信號線固定在基底的上表面，並且位於基底沿寬度方向的中間位置，信號線分為四段，每相鄰兩段之間通過一個移相單元實現電的連接；移相單元包括短截線、交指電容、MEMS開關和圓柱形金屬過孔；交指電容的兩端分別設置一根短截線和一個MEMS開關，短截線的一端與交指電容一端的中心處連接，MEMS開關的橋梁下表面的中間設置有立方體接觸點懸浮在短截線的上方。它用於控制信號的相位變化。
文檔編號B81B7/02GK102569951SQ20121003212
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月14日 優先權日2012年2月14日
發明者傅佳輝, 吳群, 孟繁義, 張狂, 楊國輝, 陳鵬 申請人:哈爾濱工業大學