專利名稱：低激勵電壓和精確控制相移特性的mems毫米波移相器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種移相器。
背景技術(shù)：
相控陣天線波束的相控掃描依靠的是天線陣中的大量移相器，在相控陣?yán)走_(dá)中，相控陣天線有上千個單元，每一個單元都需要有一個移相器。陣列中每個單元上移相器的相位可在(0～2π)之間調(diào)整。用電控方式調(diào)節(jié)移相器，可改變天線孔徑上的相位分布，實(shí)現(xiàn)波束在空間掃描。因此，移相器是饋電系統(tǒng)中一個關(guān)鍵微波元件。在S、L和P波段相控陣中高頻數(shù)字式移相器大多由PIN開關(guān)二極管實(shí)現(xiàn)，C、X和Ku波段多采用鐵氧體器件來實(shí)現(xiàn)。但是到了毫米波頻段，上述實(shí)現(xiàn)方式已經(jīng)不再適用，當(dāng)頻率升高到此波段后，其天線陣元的間距非常小，布局的不合理將引起功率容量和柵瓣增加等一系列問題，因此研發(fā)更高性能的移相器，這包括拓寬頻帶寬度、降低損耗、減小移相器體積等。因此應(yīng)用MEMS(microelectromachiningsystem)技術(shù)，研究和開發(fā)基于MEMS工藝的毫米波移相器可大大減小體積和重量。MEMS移相器以其隔離度好、插入損耗低、控制電路能耗低、工作頻帶寬、功率容量大、加工成本低等優(yōu)點(diǎn)而在許多微波毫米波系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
傳統(tǒng)的分布式移相器結(jié)構(gòu)，如圖1所示，它采用了分布式傳輸線結(jié)構(gòu)，通過在共面波導(dǎo)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從而改變傳輸線上的傳播常數(shù)，實(shí)現(xiàn)改變?nèi)肷洳ㄏ嘁频哪康摹?br> 這種金屬橋結(jié)構(gòu)由于本身的橋面寬度較大，造成金屬橋的下拉電壓較高，通常在20～100V之間，在通信系統(tǒng)中，如此高的直流電壓在系統(tǒng)中是難于實(shí)現(xiàn)的。而且由于金屬橋的疲勞效應(yīng)，在工作一段時間后，金屬橋在下拉狀態(tài)下定位不準(zhǔn)，會造成對相位的精度控制不夠準(zhǔn)確，而且一旦金屬橋與信號線接觸，會造成短路而降低器件的使用壽命。
對毫米波分布式MEMS移相器而言，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)用化目的，除了要保證其原有的寬頻帶、低損耗等電氣特性外，還要進(jìn)一步降低其激勵電壓和提高相位控制精度，更重要的是這些性能的提高不能以犧牲成本、體積等性能指標(biāo)為代價，但目前為止并沒有這樣一種移相器出現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有的MEMS移相器存在激勵電壓高、相位精度低的問題，本發(fā)明提供一種不但具有寬頻帶、低損耗等良好的電氣特性，而且進(jìn)一步降低了激勵電壓和提高了相位控制精度，實(shí)現(xiàn)了成本低、體積小的低激勵電壓和精確控制相移特性的MEMS毫米波移相器。
一種低激勵電壓和精確控制相移特性的MEMS毫米波移相器，它包括底部基板1，在底部基板1上間隔設(shè)置有信號線2和地線3，它還包括跨越信號線2正上方的金屬橋4，所述地線3上固定有電感量在10nH以上的電感線圈8，電感線圈8與地線3之間設(shè)有絕緣層7，所述電感線圈8與金屬彈簧6的一端連接，金屬彈簧6的另一端與金屬橋4連接并對金屬橋4進(jìn)行支撐，在金屬橋4下方的信號線2的上表面設(shè)置有介電常數(shù)εr為2≤εr≤20的介質(zhì)基片5。
本發(fā)明所述MEMS移相器工作在30-40GHz的毫米波工作頻段，與以往的設(shè)計相比，它在不增加成本的前提下具有寬頻帶(工作頻段30GHz-40GHz)，損耗低、激勵電壓低、相移控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)，本發(fā)明所述移相器的損耗＜-1dB、反射系數(shù)低于-10dB、相移精度在±5°內(nèi)、激勵電壓低于10V，并且本發(fā)明所述移相器尺寸小，壽命長，成本低，完全適合大批量低成本生產(chǎn)，可以廣泛的應(yīng)用于射頻通信系統(tǒng)以及小型相控陣天線系統(tǒng)中，利于推廣應(yīng)用。


圖1是傳統(tǒng)的分布式移相器結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明所述移相器結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是本發(fā)明所述移相器主視圖，圖4是圖3的A-A剖視圖，圖5是圖3的I處放大示意圖，圖6是圖4的K處放大示意圖，圖7是具體實(shí)施方式
十所述射頻仿真結(jié)果示意圖，圖8是具體實(shí)施方式
十所述激勵電壓仿真結(jié)果示意圖，圖9是具體實(shí)施方式
十所述MEMS移相器的相移示意圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式是一種低激勵電壓和精確控制相移特性的MEMS毫米波移相器，參照圖2～圖6，它包括底部基板1，在底部基板1上間隔設(shè)置有信號線2和地線3，它還包括跨越信號線2正上方的金屬橋4，所述地線3上固定有電感量在10nH以上的電感線圈8，電感線圈8與地線3之間設(shè)有絕緣層7，所述電感線圈8與金屬彈簧6的一端連接，金屬彈簧6的另一端與金屬橋4連接并對金屬橋4進(jìn)行支撐，在金屬橋4下方的信號線2的上表面設(shè)置有介電常數(shù)εr為2≤εr≤20的介質(zhì)基片5。
本實(shí)施方式要求電感線圈8的電感量在10nH以上，可以起到對射頻電流的扼流作用，電感量在10nH以上都可以實(shí)現(xiàn)所述目的，比如電感量在20nH、50nH、100nH、200nH、500nH，電感量越大效果越好。
本實(shí)施方式與傳統(tǒng)的分布式MEMS移相器不同的是采用了兩項(xiàng)重要的技術(shù)來降低激勵電壓和提高相移控制精度一、通過在MEMS金屬橋上使用彈簧結(jié)構(gòu)來提高金屬橋的彈簧系數(shù)從而降低了下拉的應(yīng)力，因此降低了激勵電壓。二、通過信號線和金屬橋之間的介質(zhì)基片來精確控制相移，與傳統(tǒng)的工作方式不同，當(dāng)施加直流電壓后，金屬橋會直接下拉到介質(zhì)基片上實(shí)現(xiàn)金屬橋高度的精確定位，從而實(shí)現(xiàn)了對相移的精確控制，此外這種方式還還可以提高移相器的優(yōu)值(單位長度的相移量)和使用壽命。
具體實(shí)施方式
二與具體實(shí)施方式
一不同之處在于，本實(shí)施方式選用的介質(zhì)基片5是聚酰亞胺材料制成，聚酰亞胺的介電常數(shù)εr＝3.4，所述介質(zhì)基片5的厚度h1是0.1μm。
具體實(shí)施方式
三與具體實(shí)施方式
一不同之處在于，本實(shí)施方式選用石英作為介質(zhì)基片，石英的介電常數(shù)εr＝3.78，所述介質(zhì)基片5的厚度h1是5μm。
具體實(shí)施方式
四與具體實(shí)施方式
一不同之處在于，本實(shí)施方式選用Rogers 5880作為介質(zhì)基片，Rogers 5880型材料的介電常數(shù)εr＝2.2，所述介質(zhì)基片5的厚度h1是1μm。
具體實(shí)施方式
五與具體實(shí)施方式
一不同之處在于，本實(shí)施方式選擇介電常數(shù)εr在8～10之間的硅材料作為介質(zhì)基片，所述介質(zhì)基片5的厚度h1是3μm。
具體實(shí)施方式
六與具體實(shí)施方式
一不同之處在于，本實(shí)施方式選擇介電常數(shù)εr在2～20之間的絕緣材料制備絕緣層7，絕緣材料的介電常數(shù)越大，越能增加隔離度，降低損耗。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
六不同之處在于，選擇介電常數(shù)εr＝7.6的氮化硅材料制作絕緣層7，氮化硅具有原料易得、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
六不同之處在于，選擇介電常數(shù)εr＝3.4的聚酰亞胺材料制作絕緣層7，聚酰亞胺具有原料易得、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式選擇金或銅材料制作金屬彈簧6，金具有損耗低的優(yōu)點(diǎn)，銅具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇。實(shí)際使用中，也可以選擇其他金屬如鎳或鉻材料制作金屬彈簧6，都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述目的，都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式所選用的底部基板1為Rogers 5880材料制成，參照圖2，底部基板1的厚度h2＝508μm，底部基板1的介電常數(shù)εr＝2.2，共面波導(dǎo)中心信號線2導(dǎo)體帶條寬度W1＝100μm，信號線2和地線3之間距離G＝100μm，MEMS金屬橋4寬度w2＝25μm，相鄰金屬橋4之間距離s＝100μm，金屬橋4的節(jié)數(shù)n＝10，在MEMS金屬橋4和信號線2之間的介質(zhì)基片5選用聚酰亞胺材質(zhì)制成，聚酰亞胺的介電常數(shù)εr＝3.4。通過在金屬橋4和信號線2之間施加直流電壓來改變金屬橋4的高度，當(dāng)不施加電壓時，金屬橋4保持正常狀態(tài)，在施加電壓后金屬橋4產(chǎn)生形變，下拉直至貼敷到信號線2的介質(zhì)基片5上，這時金屬橋4和信號線2之間的電容發(fā)生變化，引起傳輸線上相移常數(shù)變化，從而實(shí)現(xiàn)了相移的改變。
圖7～圖9是基于上述結(jié)構(gòu)的電磁場仿真結(jié)果。在30-40GHz的頻帶內(nèi)，插入損耗低于-1dB，反射系數(shù)低于-10dB。激勵電壓在金屬橋?qū)挾确謩e為25μm和50μm時都低于10V。在整個通帶內(nèi)相移具有較好的線性度，在35GHz處相移可以達(dá)到90°，誤差精度在±5°內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種低激勵電壓和精確控制相移特性的MEMS毫米波移相器，它包括底部基板(1)，在底部基板(1)上間隔設(shè)置有信號線(2)和地線(3)，它還包括跨越信號線(2)正上方的金屬橋(4)，其特征在于所述地線(3)上固定有電感量在10nH以上的電感線圈(8)，電感線圈(8)與地線(3)之間設(shè)有絕緣層(7)，所述電感線圈(8)與金屬彈簧(6)的一端連接，金屬彈簧(6)的另一端與金屬橋(4)連接并對金屬橋(4)進(jìn)行支撐，在金屬橋(4)下方的信號線(2)的上表面設(shè)置有介電常數(shù)εr為2≤εr≤20的介質(zhì)基片(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低激勵電壓和精確控制相移特性的MEMS毫米波移相器，其特征在于所述介質(zhì)基片(5)是由聚酰亞胺材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低激勵電壓和精確控制相移特性的MEMS毫米波移相器，其特征在于所述介質(zhì)基片(5)是由石英材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低激勵電壓和精確控制相移特性的MEMS毫米波移相器，其特征在于所述介質(zhì)基片(5)是由Rogers 5880型材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低激勵電壓和精確控制相移特性的MEMS毫米波移相器，其特征在于所述介質(zhì)基片(5)是由介電常數(shù)εr在8～10之間的硅材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的低激勵電壓和精確控制相移特性的MEMS毫米波移相器，其特征在于所述介質(zhì)基片(5)的厚度(h1)為0＜h1≤5μm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的低激勵電壓和精確控制相移特性的MEMS毫米波移相器，其特征在于所述絕緣層(7)由介電常數(shù)εr為2≤εr≤20的絕緣材料制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的低激勵電壓和精確控制相移特性的MEMS毫米波移相器，其特征在于所述絕緣材料是氮化硅或聚酰亞胺。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的低激勵電壓和精確控制相移特性的MEMS毫米波移相器，其特征在于所述金屬彈簧(6)是由金或銅材料制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的低激勵電壓和精確控制相移特性的MEMS毫米波移相器，其特征在于所述金屬彈簧(6)是由鎳或鉻材料制成。
全文摘要
低激勵電壓和精確控制相移特性的MEMS毫米波移相器，涉及一種移相器。針對現(xiàn)有的MEMS移相器存在激勵電壓過高、移相精度偏低的問題，本發(fā)明提供一種激勵電壓低和相移控制精確的MEMS毫米波移相器，它在地線(3)上固定有電感量在10nH以上的電感線圈(8)，電感線圈(8)與地線(3)之間設(shè)有絕緣層(7)，所述電感線圈(8)與金屬彈簧(6)的一端連接，金屬彈簧(6)的另一端與金屬橋(4)連接并對金屬橋(4)進(jìn)行支撐，在金屬橋(4)下方的信號線(2)的上表面設(shè)置有介電常數(shù) ε
文檔編號H01Q3/36GK1851972SQ20061001006
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月19日
發(fā)明者吳群, 金博識, 孟繁義, 賀訓(xùn)軍, 傅佳輝 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)