專利名稱：基于左手傳輸線的mems負(fù)載線型2位移相器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種MEMS負(fù)載線型2位移相器，特別涉及一種基于左手傳輸線的MEMS負(fù)載線型2位移相器。
背景技術(shù)：
移相器用于控制信號(hào)的相位變化，是無線通信系統(tǒng)的基本部件，是構(gòu)成相控陣?yán)走_(dá)、微波毫米波接收發(fā)機(jī)的關(guān)鍵組件。根據(jù)信號(hào)延遲機(jī)理的不同，可以分為反射線型移相器、開關(guān)線型移相器和負(fù)載線型移相器。其中，負(fù)載線型移相器是通過調(diào)整負(fù)載阻抗值來控制不同負(fù)載情況下的相位差。目前，傳統(tǒng)的移相器一般基于PIN 二極管、EFT開關(guān)或鐵氧體材料來實(shí)現(xiàn)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信等通信系統(tǒng)的工作頻率不斷升高。傳統(tǒng)的移相器由于存在尺寸大、功耗高的缺點(diǎn)，不能很好地滿足通信系統(tǒng)對(duì)器件日益嚴(yán)格的性能指標(biāo)。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMQ是近年發(fā)展起來的一種新型多學(xué)科交叉技術(shù)，涉及微電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等多種學(xué)科。它通過采用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)相結(jié)合的制造工藝，制造出各種性能優(yōu)異和價(jià)格低廉的微型電子器件。與傳統(tǒng)的PIN 二極管、EFT開關(guān)相比，MEMS開關(guān)具有插入損耗低、隔離度高、線性度高、工作頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是可靠性低，工作壽命短。如果將MEMS開關(guān)應(yīng)用于移相器的設(shè)計(jì)，就會(huì)使得移相器在任何頻率處都有較低的損耗。此外，由于MEMS開關(guān)具有較好兼容性，能夠與其他器件集成到一塊芯片上，使產(chǎn)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(fā)表文獻(xiàn)來看，目前報(bào)道的2位MEMS移相器使用的MEMS開關(guān)的數(shù)量較多。例如，美國(guó)密歇根大學(xué)Juo-JimgHung等人制作的2位分布式MEMS移相器需要M個(gè)MEMS開關(guān)。這無疑會(huì)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(guān)相移量小和開關(guān)數(shù)量多的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決2位MEMS移相器中MEMS開關(guān)相移量小和開關(guān)數(shù)量多的問題，提供一種基于左手傳輸線的MEMS負(fù)載線型2位移相器。本發(fā)明的基于左手傳輸線的MEMS負(fù)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(hào)線，信號(hào)線固定在基底的上表面，并且位于基底沿寬度方向的中間位置，信號(hào)線分為四段，每相鄰兩段之間通過一個(gè)移相單元實(shí)現(xiàn)電的連接；移相單元包括短截線、交指電容、MEMS開關(guān)和圓柱形金屬過孔；短截線和交指電容構(gòu)成左手傳輸線的結(jié)構(gòu)單元；交指電容的兩端分別設(shè)置一根短截線和一個(gè)MEMS開關(guān)，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(gè)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(guān)兩端分別固定在對(duì)應(yīng)短截線的兩側(cè)，MEMS開關(guān)兩端與基底連接的位置為錨區(qū)，每個(gè)錨區(qū)均設(shè)置一個(gè)圓柱形金屬過孔，所述圓柱形金屬過孔將MEMS開關(guān)一端與接地板連接，所述MEMS開關(guān)的橋梁懸浮在短截線的上方，該橋梁下表面的中間設(shè)置有立方體接觸點(diǎn)，該立方體接觸點(diǎn)位于短截線的正上方，所述立方體接觸點(diǎn)與短截線之間有間隙。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于每組移相單元采用交指電容和1對(duì)過孔接地的短截線分別作為串聯(lián)電容和并聯(lián)電感，構(gòu)造了左手傳輸線的周期結(jié)構(gòu)單元，在左手傳輸線的接地的短截線上加載MEMS開關(guān)，利用其左手特性和后向波特性，增加單個(gè)MEMS開關(guān)的所引起的相移量，進(jìn)而減少M(fèi)EMS開關(guān)的使用數(shù)量，有助于提高M(jìn)EMS移相器的可靠性；通過MEMS開關(guān)同時(shí)斷開，或者同時(shí)閉合來調(diào)整左手傳輸線的負(fù)載阻抗值，一組移相單元在25GHz處能實(shí)現(xiàn)相移90° ；三組移相單元有規(guī)律地級(jí)聯(lián)，在25GHz處就能有4種相移狀態(tài)，分別為0°、90°、180°和270°，即實(shí)現(xiàn)了 2位移相器的功能；此外，該移相器在25GHz處，4種相移狀態(tài)下的插入損耗優(yōu)于-2. ldB，回波損耗小于-10dB。綜上所述，本發(fā)明的基于左手傳輸線的MEMS移相器具有尺寸小、損耗低、移相精度高和開關(guān)數(shù)量少的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明的俯視圖。圖2為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的移相單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明的MEMS開關(guān)閉合時(shí)結(jié)構(gòu)示意圖的俯視圖。圖5為本發(fā)明的MEMS開關(guān)閉合時(shí)結(jié)構(gòu)示意圖的正視圖。圖6為本發(fā)明的移相器的相位特性曲線，其中，曲線A表示當(dāng)3對(duì)MEMS開關(guān)都閉合時(shí)移相器的相位特性曲線，曲線B表示當(dāng)?shù)?對(duì)和第2對(duì)MEMS開關(guān)閉合、第3對(duì)MEMS開關(guān)斷開時(shí)移相器的相位特性曲線，曲線C表示當(dāng)?shù)?對(duì)MEMS開關(guān)閉合、第2對(duì)和第3對(duì)MEMS開關(guān)斷開時(shí)移相器的相位特性曲線，曲線D表示當(dāng)3對(duì)MEMS開關(guān)都斷開時(shí)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(fā)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(xiàn)所指示的四條曲線分別表示本發(fā)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(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖1、圖2、圖3、圖4和圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的基于左手傳輸線的MEMS負(fù)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(hào)線1-3，信號(hào)線1-3固定在基底1-2的上表面，并且位于基底1-2沿寬度方向的中間位置，信號(hào)線1-3分為四段，每相鄰兩段之間通過一個(gè)移相單元2實(shí)現(xiàn)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(guān)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(gòu)成左手傳輸線的結(jié)構(gòu)單元；交指電容2-2的兩端分別設(shè)置一根短截線2-1和一個(gè)MEMS開關(guān)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(gè)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(guān)兩端分別固定在對(duì)應(yīng)短截線2-1的兩側(cè)，MEMS開關(guān)兩端與基底1_2連接的位置為錨區(qū)，每個(gè)錨區(qū)均設(shè)置一個(gè)圓柱形金屬過孔2-4，所述圓柱形金屬過孔2-4將MEMS開關(guān)一端與接地板1-1連接，所述MEMS開關(guān)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(shè)置有立方體接觸點(diǎn)2-3-2，該立方體接觸點(diǎn)2-3-2位于短截線2-1的正上方，所述立方體接觸點(diǎn)2-3-2與短截線2-1之間有間隙。每組移相單元采用交指電容3-2和1對(duì)過孔接地的短截線3-1分別作為串聯(lián)電容和并聯(lián)電感，構(gòu)造了左手傳輸線的周期結(jié)構(gòu)單元。根據(jù)負(fù)載線型移相器的工作原理，通過MEMS開關(guān)3-3來改變接地短截線3-1的長(zhǎng)度，從而精確控制不同負(fù)載情況下的相位差，實(shí)現(xiàn)了移相的功能。這1對(duì)短截線3-1通過圓柱形金屬過孔技術(shù)與基底的金屬接地板連接，構(gòu)成并聯(lián)電感。當(dāng)對(duì)MEMS開關(guān)3-3施加直流驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，MEMS開關(guān)3_3由于受到靜電力的向下閉合，使得MEMS開關(guān)3-3的立方體接觸點(diǎn)3-3-2與接地的短截線3_1接觸，從而通過調(diào)整接地短截線的長(zhǎng)度來改變左手傳輸線的負(fù)載阻抗值，達(dá)到移相的效果。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的基于左手傳輸線的MEMS負(fù)載線型2位移相器不同的是，相鄰的單個(gè)移相單元2的中心距離為800 μ m。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的基于左手傳輸線的MEMS負(fù)載線型2位移相器不同的是，移相器的長(zhǎng)度為3. 0mm、寬度為1. 8mm、高度為0. 234mm。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的基于左手傳輸線的MEMS負(fù)載線型2位移相器不同的是，微帶線1的信號(hào)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(hào)線1-3的材料為金或銅。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的基于左手傳輸線的MEMS負(fù)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(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的基于左手傳輸線的MEMS負(fù)載線型2位移相器不同的是，基底1-2采用介電常數(shù)為11. 9的材料硅，厚度為230 μ m。
具體實(shí)施方式
七結(jié)合圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的基于左手傳輸線的MEMS負(fù)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(cuò)排列構(gòu)成，每根金屬條的長(zhǎng)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?yàn)槠鏀?shù)的金屬條的一端與交指電容一側(cè)的微帶線1的信號(hào)線1-3連接，另一端與交指電容另一側(cè)的微帶線1的信號(hào)線1-3的間距為2ym;排列順序?yàn)榕紨?shù)的金屬條一端交指電容一側(cè)的微帶線1的信號(hào)線1-3的間距為2 μ m，另一端與交指電容另一側(cè)的微帶線1的信號(hào)線1-3連接；金屬條的材料為金或銅。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的基于左手傳輸線的MEMS負(fù)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(zhǎng)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(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的基于左手傳輸線的MEMS負(fù)載線型2位移相器不同的是，圓柱形金屬過孔2-4的內(nèi)徑為30 μ m,圓柱形金屬過孔2_4的材料為金或銅。
具體實(shí)施方式
十結(jié)合圖4和圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的基于左手傳輸線的MEMS負(fù)載線型2位移相器不同的是，MEMS開關(guān)2_3的立方體接觸點(diǎn)2-3-2的中心與短截線2-1的一端的直線距離等于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(zhǎng)度為100 μ m,寬度為20 μ m,厚度為2 μ m ；立方體接觸點(diǎn)2-3-1的長(zhǎng)度為4 μ m，寬度為4 μ m，厚度為2 μ m ；立方體接觸點(diǎn)2-3-1與短截線2-1之間的間隙為2 μ m。本發(fā)明的工作原理為在25GHz處，對(duì)于每組移相單元，1對(duì)MEMS開關(guān)同時(shí)斷開和同時(shí)閉合兩種狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)90°的相移。3對(duì)MEMS開關(guān)都斷開時(shí)，相位為-76. 3°的；第1對(duì)MEMS開關(guān)閉合、第2對(duì)和第3對(duì)MEMS開關(guān)斷開時(shí)，相位為12. 4° ；第1對(duì)和第2對(duì)MEMS開關(guān)閉合、第3對(duì)MEMS開關(guān)斷開時(shí)，相位為105. 1° ；3對(duì)MEMS開關(guān)都閉合時(shí)，相位為195. 5°。在25GHz處，這4種情況下的插入損耗優(yōu)于-2. ldB，回波損耗低于-10dB。因此，4種相移狀態(tài)分別為0°、90°、180°和270°，為2位移相器。本發(fā)明所述的基于左手傳輸線的MEMS負(fù)載線型2位移相器的結(jié)構(gòu)不局限于上述各個(gè)實(shí)施例所述的具體結(jié)構(gòu)，還可以是上述各實(shí)施方式所述的技術(shù)特征的合理組合。
權(quán)利要求
1.基于左手傳輸線的MEMS負(fù)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(hào)線(1-3)，信號(hào)線(1-3)固定在基底(1-2)的上表面，并且位于基底(1-2)沿寬度方向的中間位置，信號(hào)線(1-3)分為四段，每相鄰兩段之間通過一個(gè)移相單元O)實(shí)現(xiàn)電的連接；其特征在于，移相單元⑵包括短截線0-1)、交指電容0_2)、MEMS開關(guān)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(gòu)成左手傳輸線的結(jié)構(gòu)單元；交指電容0-2)的兩端分別設(shè)置一根短截線(2-1)和一個(gè)MEMS開關(guān)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(gè)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(guān)兩端分別固定在對(duì)應(yīng)短截線的兩側(cè)，MEMS開關(guān)兩端與基底(1_2)連接的位置為錨區(qū)，每個(gè)錨區(qū)均設(shè)置一個(gè)圓柱形金屬過孔0-4)，所述圓柱形金屬過孔(2-4)將MEMS開關(guān)一端與接地板(1-1)連接，所述MEMS開關(guān)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(shè)置有立方體接觸點(diǎn)0-3-2)，該立方體接觸點(diǎn)(2-3-2)位于短截線的正上方，所述立方體接觸點(diǎn)0-3-2)與短截線之間有間隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于左手傳輸線的MEMS負(fù)載線型2位移相器，其特征在于，相鄰的單個(gè)移相單元的中心距離為800 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于左手傳輸線的MEMS負(fù)載線型2位移相器，其特征在于移相器的長(zhǎng)度為3. Omm、寬度為1. 8mm和高度為0. 234mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于左手傳輸線的MEMS負(fù)載線型2位移相器，其特征在于是微帶線⑴的信號(hào)線(1-3)的寬度和厚度分別為200μπι和2μπι，微帶線⑴的信號(hào)線(1-3)的材料為金或銅。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于左手傳輸線的MEMS負(fù)載線型2位移相器，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求1所述的基于左手傳輸線的MEMS負(fù)載線型2位移相器，其特征在于，基底(1-2)采用介電常數(shù)為11.9的材料硅，厚度為230 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于左手傳輸線的MEMS負(fù)載線型2位移相器，其特征在于，移相單元的交指電容0-2)由10根金屬條交錯(cuò)排列構(gòu)成，每根金屬條的長(zhǎng)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?yàn)槠鏀?shù)的金屬條的一端與交指電容一側(cè)的微帶線(1)的信號(hào)線(1-3)連接，另一端與交指電容另一側(cè)的微帶線(1)的信號(hào)線(1-3)的間距為2μπι;排列順序?yàn)榕紨?shù)的金屬條一端與交指電容一側(cè)的微帶線⑴的信號(hào)線(1-3)的間距為2 μ m，另一端與交指電容另一側(cè)的微帶線⑴的信號(hào)線(1-3)連接；金屬條的材料為金或銅。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于左手傳輸線的MEMS負(fù)載線型2位移相器，其特征在于移相單元的短截線的長(zhǎng)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(jù)權(quán)利要求1所述的基于左手傳輸線的MEMS負(fù)載線型2位移相器，其特征在于，圓柱形金屬過孔0-4)的內(nèi)徑為30 μ m，圓柱形金屬過孔0-4)的材料為金或銅。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于左手傳輸線的MEMS負(fù)載線型2位移相器，其特征在于，MEMS開關(guān)0-3)的立方體接觸點(diǎn)0-3-2)的中心與短截線的一端的直線距離等于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(zhǎng)度為100 μ m,寬度為20 μ m,厚度為2 μ m ；立方體接觸點(diǎn)0-3-1)的長(zhǎng)度為4 μ m，寬度為4 μ m，厚度為2μπι;立方體接觸點(diǎn)0-3-1)與短截線之間的間隙為2 μ m。
全文摘要
基于左手傳輸線的MEMS負(fù)載線型2位移相器，涉及一種MEMS負(fù)載線型2位移相器，為了解決2位MEMS移相器中MEMS開關(guān)相移量小和開關(guān)數(shù)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(hào)線，信號(hào)線固定在基底的上表面，并且位于基底沿寬度方向的中間位置，信號(hào)線分為四段，每相鄰兩段之間通過一個(gè)移相單元實(shí)現(xiàn)電的連接；移相單元包括短截線、交指電容、MEMS開關(guān)和圓柱形金屬過孔；交指電容的兩端分別設(shè)置一根短截線和一個(gè)MEMS開關(guān)，短截線的一端與交指電容一端的中心處連接，MEMS開關(guān)的橋梁下表面的中間設(shè)置有立方體接觸點(diǎn)懸浮在短截線的上方。它用于控制信號(hào)的相位變化。
文檔編號(hào)B81B7/02GK102569951SQ20121003212
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月14日
發(fā)明者傅佳輝, 吳群, 孟繁義, 張狂, 楊國(guó)輝, 陳鵬 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)