一種90分布式MEMS移相器的設計

RF MEMS移相器具有傳統移相器所無(wú)法比擬的體積小、損耗小、成本低、頻帶寬、易于集成等突出優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)在共面波導信號線(xiàn)上貼敷低介電常數的薄層絕緣介質(zhì),使得MEMS金屬橋與共面波導信號線(xiàn)在“關(guān)”態(tài)下形成MIM電容的方法,實(shí)現了提高“關(guān)”“開(kāi)”兩種狀態(tài)下的電容比,從而提高了單位長(cháng)度上的相移量。在Ka波段下,建立90°分布式MEMS移相器的等效電路,并對其進(jìn)行了仿真優(yōu)化,達到要求的技術(shù)指標。

0 序言

近年來(lái)隨著(zhù)射頻微機械技術(shù)的發(fā)展，MEMS移相器越來(lái)越受到人們廣泛關(guān)注，已經(jīng)成為 人們主要研究的MEMS器件之一。與傳統的移相器相比，MEMS移相器多采用半導體材料作襯 底，用微機械加工技術(shù)制備，具有頻帶寬、損耗小、成本低、超小型化、易于與IC、MMIC 電路集成等優(yōu)點(diǎn)，因此在微波及毫米波控制電路中具有廣泛的應用前景。美國密歇根大 學(xué)的Barker博士通過(guò)在共面波導上周期加載MEMS 金屬橋的方法，首先實(shí)現了毫米波段寬頻 帶的MEMS移相器，如圖1 所示,它的基本原理是通過(guò)改變MEMS 金屬橋的高度來(lái)改變傳輸 路徑上的相移常數，從而達到改變相移的目的。本文基于電容耦合式MEMS開(kāi)關(guān)，設計 出一種90° 分布式MEMS移相器。

1 分布式MEMS移相器的工作原理

分布式MEMS移相器的基本設計思想是在共面波導上周期性的加載有高電容比率的 MEMS可動(dòng)薄膜橋，從而增加共面波導與地之間的分布電容，使共面波導傳輸線(xiàn)成為一個(gè)慢 波系統，起到相位延遲的作用。在線(xiàn)上施加一個(gè)直流偏壓，可以改變分布式電容，引起 傳輸線(xiàn)參數的變化，從而改變電磁波的相位。相移量大小由MEMS單元電容的比率 ( up down C C )和傳輸線(xiàn)自身電容所決定。

分布式MEMS移相器工作在移相時(shí)的等效電路圖如圖2所示。

C1 和 L1 分別是CPW傳輸線(xiàn)的分布電容和電感。

其中S 是開(kāi)關(guān)電容的周期性間距， Cb 為加載的開(kāi)關(guān)電容。隨著(zhù)并聯(lián)的開(kāi)關(guān)電容的增加與無(wú)負載相比，相速度減小，要用更長(cháng)的時(shí)間來(lái)傳輸信號，從而實(shí)現一定的相移量。

如果移相器在兩個(gè)狀態(tài)下的移相系數分別為β1 和β2 ，則移相器的單位長(cháng)度相移量為：

2 Ka 波段下90°分布式MEMS 移相器的優(yōu)化設計

設計指標：通帶34－38GHz，帶內衰減小于0.5dB，起伏小于0.4dB，S(21)的相移在85 °到95°之間。反射損耗在36GHz 頻率上小于-20dB。

通過(guò)在共面波導信號線(xiàn)上貼敷低介電常數的薄層絕緣介質(zhì)，使得MEMS金屬橋與共面波 導信號線(xiàn)在“關(guān)”態(tài)下形成MIM電容的方法，實(shí)現了提高“關(guān)”“開(kāi)”兩種狀態(tài)下的電容 比，從而提高了單位長(cháng)度上的相移量。同時(shí),該結構也避免了因為單個(gè)橋下落到信號線(xiàn)上造 成短路而使移相器失效的問(wèn)題。

由以上三個(gè)圖可以看出移相器的損耗在-1dB以?xún)?在中心頻率36GHz的反射系數小于 -20dB,插入損耗大于-0.042dB,中心頻率時(shí)相移為90°，相移精度±5°以?xún)?。而且這種分布 式MEMS移相器仍然可以在較寬的頻帶內獲得良好的線(xiàn)性度.。

優(yōu)化得出W＝19 μm,L=134 μm，C=25 fF 。

3 結語(yǔ)

分布式MEMS移相器的發(fā)展是越來(lái)越快了，在傳統的分布式MEMS移相器結構的基礎上, 使用在共面波導信號線(xiàn)和MEMS金屬橋之間貼敷低介電常數絕緣介質(zhì)的方法,實(shí)現了兩種工 作狀態(tài)下的高電容比,從而提高了單位長(cháng)度的相移量。本文中我著(zhù)重從小型化等效電路出發(fā)， 分析了最簡(jiǎn)單的一種設計方法，沒(méi)有考慮金屬的等效阻抗的一種理想的電路模型。通過(guò)計算 機仿真，移相器的反射損耗在通帶4GHz內小于-20dB，插入損耗大于-0.044dB，為了達到90° 的相移量，只需3個(gè)MEMS金屬橋即可。這大大縮小了移相器的總體尺寸,提高了工作的可靠性。