一種90分布式MEMS移相器的設(shè)計(jì)

RF MEMS移相器具有傳統(tǒng)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(dǎo)信號(hào)線上貼敷低介電常數(shù)的薄層絕緣介質(zhì),使得MEMS金屬橋與共面波導(dǎo)信號(hào)線在“關(guān)”態(tài)下形成MIM電容的方法,實(shí)現(xiàn)了提高“關(guān)”“開”兩種狀態(tài)下的電容比,從而提高了單位長(zhǎng)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(duì)其進(jìn)行了仿真優(yōu)化,達(dá)到要求的技術(shù)指標(biāo)。

0 序言

近年來(lái)隨著射頻微機(jī)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(tǒng)的移相器相比，MEMS移相器多采用半導(dǎo)體材料作襯 底，用微機(jī)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(yīng)用前景。美國(guó)密歇根大 學(xué)的Barker博士通過(guò)在共面波導(dǎo)上周期加載MEMS 金屬橋的方法，首先實(shí)現(xiàn)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(shù)，從而達(dá)到改變相移的目的。本文基于電容耦合式MEMS開關(guān)，設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì)思想是在共面波導(dǎo)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(dǎo)與地之間的分布電容，使共面波導(dǎo)傳輸線成為一個(gè)慢 波系統(tǒng)，起到相位延遲的作用。在線上施加一個(gè)直流偏壓，可以改變分布式電容，引起 傳輸線參數(shù)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傳輸線的分布電容和電感。

其中S 是開關(guān)電容的周期性間距， Cb 為加載的開關(guān)電容。隨著并聯(lián)的開關(guān)電容的增加與無(wú)負(fù)載相比，相速度減小，要用更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)傳輸信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)一定的相移量。

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

2 Ka 波段下90°分布式MEMS 移相器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)指標(biāo)：通帶34－38GHz，帶內(nèi)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(dǎo)信號(hào)線上貼敷低介電常數(shù)的薄層絕緣介質(zhì)，使得MEMS金屬橋與共面波 導(dǎo)信號(hào)線在“關(guān)”態(tài)下形成MIM電容的方法，實(shí)現(xiàn)了提高“關(guān)”“開”兩種狀態(tài)下的電容 比，從而提高了單位長(zhǎng)度上的相移量。同時(shí),該結(jié)構(gòu)也避免了因?yàn)閱蝹€(gè)橋下落到信號(hào)線上造 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以內(nèi),在中心頻率36GHz的反射系數(shù)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°以內(nèi)。而且這種分布 式MEMS移相器仍然可以在較寬的頻帶內(nèi)獲得良好的線性度.。

優(yōu)化得出W＝19 μm,L=134 μm，C=25 fF 。

3 結(jié)語(yǔ)

分布式MEMS移相器的發(fā)展是越來(lái)越快了，在傳統(tǒng)的分布式MEMS移相器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上, 使用在共面波導(dǎo)信號(hào)線和MEMS金屬橋之間貼敷低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)的方法,實(shí)現(xiàn)了兩種工 作狀態(tài)下的高電容比,從而提高了單位長(zhǎng)度的相移量。本文中我著重從小型化等效電路出發(fā)， 分析了最簡(jiǎn)單的一種設(shè)計(jì)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(jì)算 機(jī)仿真，移相器的反射損耗在通帶4GHz內(nèi)小于-20dB，插入損耗大于-0.044dB，為了達(dá)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。