可重構(gòu)天線的改進及與其相關(guān)的改進的制作方法
【專利摘要】微機電（MEMS）天線（36）被定位在基板的一側(cè)并通過通孔或過孔（48）連接至包括電容器橋（46）的MEMS開關(guān)和傳輸線（42），通孔或過孔（48）形成穿過基板的導電路徑。這種配置為天線和開關(guān)提供了公共接地面，并遮蔽開關(guān)免受從天線接收或傳送的電磁輻射的影響。開關(guān)可包括最上面的金屬層，其橫跨由聚合物層（19）形成的橋結(jié)構(gòu)延伸。聚合物層包括聚一氯對二甲苯（二氯對二甲苯二聚體）。實現(xiàn)了同構(gòu)或異構(gòu)天線陣列結(jié)構(gòu)。天線陣列可包括一個或多個不同類型的天線，這些天線例如具有不同的形狀、旋轉(zhuǎn)和映像。
【專利說明】可重構(gòu)天線的改進及與其相關(guān)的改進
[0001]本申請是2008年06月13日提交的 優(yōu)先權(quán)日:為2007年06月13日的申請?zhí)枮?00880019799.1的名稱為“可重構(gòu)天線的改進及與其相關(guān)的改進”的發(fā)明專利申請的分案申請。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及在結(jié)合有包括新型開關(guān)的微機電(MEMS)部件的無線通信中使用的可重構(gòu)天線。
【背景技術(shù)】
[0003]可動態(tài)地適應(yīng)于不斷改變環(huán)境傳播特性的無線通信系統(tǒng)將會是下一代通信應(yīng)用的關(guān)鍵。
[0004]天線在任何無線裝置中都是極其重要的部件，因為其傳送和接收無線電波。天線用作從傳輸線到自由空間以及反之亦然的匹配裝置。理想天線輻射從一個或多個預定方向?qū)μ炀€進行饋送的傳輸線進入的所有能量。天線的性能代表大多數(shù)無線裝置的性能，因此天線的性能是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。
[0005]天線配置決定天線特性，包括阻抗和VSWR (電壓駐波比)、振幅輻射方向圖、3dB波束寬度、方向性、增益、極化和帶寬。不同的天線配置具有不同的天線特性。
[0006]可重構(gòu)天線是通過改變其物理結(jié)構(gòu)來改變其輻射、極化和頻率特性的天線。可重構(gòu)天線概念與智能天線是根本不同的。
[0007]智能天線或自適應(yīng)天線是典型標準單極、雙極或貼片的元件的天線陣列。信號處理器用于通過加權(quán)和組合信號元素以改變所得到的輻射方向圖(即，陣列的空間響應(yīng)，滿足一些條件)來處理來自各個天線元件或到達各個天線元件的時域信號。這是波束形成的關(guān)鍵概念，通過其將電磁能集中于期望信號的方向，同時在噪聲或干擾源的方向上設(shè)置零信號。
[0008]貼片天線由置于接地面的介電基板上方的金屬貼片組成。該天線通過微帶線或同軸電纜線進行饋送。微帶貼片天線是一個維數(shù)大約為λ g/2的諧振式輻射器，其中，入8是波導波長。
[0009]貼片用作諧振腔，該作諧振腔具有與沿著其z方向與貼片垂直的電場。磁腔在貼片的四個邊緣具有等于零的切線分量。該結(jié)構(gòu)輻射出在貼片的邊緣處在基板上方露出的彌散場?？梢砸栽S多形狀來制造微帶天線，例如正方形、圓形、橢圓形、三角形或環(huán)形。
[0010]微帶貼片天線相對于其他天線結(jié)構(gòu)具有許多已知的優(yōu)點，包括它們的低輪廓，因此包括保形性質(zhì)、輕重量、產(chǎn)品的低成本、魯棒性質(zhì)以及與單片微波集成電路(MMIC)和光電集成電路(OEIC)技術(shù)兼容的優(yōu)點。
[0011]微機電系統(tǒng)(MEMS)開關(guān)是使用機械移動來在RF傳輸線中實現(xiàn)短路或開路的裝置。RF MEMS開關(guān)是設(shè)計為以RF至毫米波頻率(0.1至IOOGHz)進行操作并在RF通信系統(tǒng)中形成基本組成部件的特定微機械開關(guān)。例如，可以獲得機械移動所需要的力，但不是只使用靜電、靜磁、壓電或熱設(shè)計。
[0012]使用PIN 二極管的MEMS開關(guān)或FET開關(guān)的優(yōu)點是:
[0013]近零功耗:靜電致動不消耗任何電流，導致非常低的功率消耗(10?IOOnJ/切換周期)。
[0014]非常高的隔離:制造具有氣隙的RF MEMS串聯(lián)開關(guān)，因此具有非常低的斷開狀態(tài)電容(2?4fF)，導致0.1?40GHz處極好的隔離。
[0015]非常低的介入損耗:RF MEMS串聯(lián)和分路開具有關(guān)高達40GHz的-0.1dB的介入損耗。
[0016]互調(diào)產(chǎn)物:MEMS開關(guān)是非常接近線性的裝置，因此，導致非常低的互調(diào)產(chǎn)物。它們的性能大約為30dB，好于PIN或FET開關(guān)。
[0017]非常低的成本:RF MEMS開關(guān)是使用表面(或體)微機械技術(shù)制造的，并且可以構(gòu)造在石英、耐熱玻璃、低溫共燒陶瓷(LTCC)、機械等級高阻硅或GaAs基板上。
[0018]可以將MEMS開關(guān)分為以下幾類:
[0019]RF電路構(gòu)造一串聯(lián)或并聯(lián)。
[0020]機械結(jié)構(gòu)一懸臂或氣橋。
[0021]接觸形式一電容式(金屬-絕緣體-金屬)或阻抗式(金屬-金屬)。
[0022]圖1和圖2示出了典型的MEMS電容開關(guān)63，其由懸在被介電膜69覆蓋的傳輸線67上方的細金屬橋65組成。MEMS電容開關(guān)可以集成在共面波導(CPW)或微帶拓撲中。傳統(tǒng)的電容開關(guān)具有處于兩個金屬層(橋和t線)之間的介電層。
[0023]在CPW配置中，MEMS開關(guān)的支座連接至CPW接地面。如圖2所示，當將DC電壓施加在MEMS橋和微波線之間時，存在使MEMS橋在介電層上變形的靜電(或其他)力，使橋的電容增加30?100倍。該電容將t線連接至地，并在微波頻率處用作短路，導致反射性開關(guān)。當去除偏壓時，MEMS開關(guān)由于橋的復原彈簧力而返回到其原始位置。
[0024]RF MESM開關(guān)用在可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、天線和子系統(tǒng)中，因為它們具有非常低的介入損耗和高達120GHz的高Q。此外，它們可以集成在高性能可調(diào)諧濾波器、高效率天線和低損耗匹配網(wǎng)絡(luò)中使用的低介電常數(shù)基板上。
[0025]RF MEMS開關(guān)提供了非常低損耗的切換，并可使用10?120kQ的電阻線進行控制。這意味著RF MEMS開關(guān)的基本網(wǎng)絡(luò)將不會干擾以及降低天線輻射方向圖。基本網(wǎng)絡(luò)將不會消耗任何功率，這對于大天線陣列來說是很重要的。
[0026]下層機構(gòu)是以二維進行排列的緊湊MEMS懸臂開關(guān)。陣列內(nèi)的開關(guān)可以被分別驅(qū)動。陣列中的各個微開關(guān)的可尋址性提供了修改電路線路的裝置，因此允許電路元件行為的精細調(diào)諧或完全重構(gòu)。
[0027]典型的MEMS開關(guān)要求典型的50?100V的下拉電壓(它們可根據(jù)精確配置和材料系統(tǒng)而顯著較低或較高)。這是使用軟件控制DC MEMS開關(guān)覆蓋的大范圍。
[0028]加利福尼亞大學的Irvine提出了使用像素天線概念，其具有各個天線元件可經(jīng)由MEMS開關(guān)連接的陣列。通過簡單地改變天線尺寸來實現(xiàn)頻率可重構(gòu)性。通過選擇25個像素，獲得6.4GHz的上限工作頻率，而通過選擇所有64個像素來獲得4.1GHz的下限頻率。
[0029]本發(fā)明的目的在于提供一種改進的可重構(gòu)MEMS天線。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0030]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于傳送和/或接收電磁波的裝置，該裝置包括:
[0031]基板；
[0032]一個或多個天線，安裝在基板的第一表面上；
[0033]一個或多個微機電(MEMS)開關(guān)，定位在基板的第二表面上；
[0034]連接器，穿過基板延伸以操作性地將MEMS開關(guān)連接至天線。
[0035]優(yōu)選地，基板包括半導體層和至少一個絕緣層。
[0036]優(yōu)選地，至少一個絕緣層形成用于天線的基板。
[0037]優(yōu)選地，基板用于遮蔽MEMS開關(guān)免受天線影響。
[0038]優(yōu)選地，MEMS開關(guān)和天線具有公共地。
[0039]優(yōu)選地，公共地包括半導體層。
[0040]優(yōu)選地,天線包括圖案化金屬表面。
[0041]優(yōu)選地，圖案化金屬表面包括螺線。
[0042]優(yōu)選地，螺線是彎曲的。
[0043]優(yōu)選地，天線包括多個天線元件。
[0044]優(yōu)選地，連接天線元件。
[0045]優(yōu)選地，一個或多個天線元件可以接通或斷開。
[0046]優(yōu)選地，一個或多個天線元件可以接通或斷開，以控制裝置的工作頻率。
[0047]優(yōu)選地，MEMS開關(guān)是電容開關(guān)。
[0048]優(yōu)選地，MEMS開關(guān)進行操作以改變天線的輸入的相位或來自天線的輸出的相位。
[0049]優(yōu)選地，MEMS開關(guān)包括:
[0050]基板；
[0051]第一導電層；
[0052]附接至基板并在基板上形成橋結(jié)構(gòu)的材料；
[0053]第二導電層，附接至遠離基板的材料的表面；
[0054]其中，材料用作對第二導電層的機械支撐或用作電介質(zhì)。
[0055]優(yōu)選地，材料用于響應(yīng)于力的施加而彎曲，從而改變MEMS開關(guān)的電容。
[0056]優(yōu)選地，材料用于響應(yīng)于在第一和第二導電層之間施加電壓而彎曲，從而改變MEMS開關(guān)的電容。
[0057]優(yōu)選地,材料具有小于4.5GPa的彈力的楊氏模量。
[0058]優(yōu)選地，材料具有處于IMHz大于2的介電常數(shù)。
[0059]優(yōu)選地，材料是聚合物。
[0060]優(yōu)選地,材料源自對二甲苯。
[0061]更優(yōu)選地，材料是聚一氯對二甲苯。
[0062]可選地，材料是聚對二甲苯。
[0063]優(yōu)選地，第二導電層是金屬。
[0064]更優(yōu)選地，第二導電層包括鋁。
[0065]優(yōu)選地，MEMS開關(guān)還包括安裝在基板上的共面波導。[0066]可選地，MEMS開關(guān)集成在微帶拓撲中。
[0067]優(yōu)選地，橋結(jié)構(gòu)包括梁，其被成形以改變橋的機械特性以及其響應(yīng)于所施加的電壓移動的方式。
[0068]優(yōu)選地，梁是對稱的。
[0069]可選地，梁是不對稱的。
[0070]優(yōu)選地，梁包括蛇形彎曲部。
[0071]根據(jù)梁的形狀，其可以在施加電壓時以預定方式扭曲或彎曲。
[0072]優(yōu)選地，MEMS開關(guān)用于將電磁裝置連接至饋送線或信號路徑，以及將電磁裝置與饋送線或信號路徑斷開。
[0073]優(yōu)選地，MEMS開關(guān)用于改變饋送線上的信號的相位。
[0074]優(yōu)選地，利用所施加電壓的相位改變在預定電壓范圍內(nèi)基本是線性的。
[0075]優(yōu)選地，多個MEMS開關(guān)可以進行組合，以在所施加電壓進行施加時提供從O至360°C的可控相移。
[0076]優(yōu)選地，連接器是通孔或過孔。
[0077]優(yōu)選地，連接器包括附接于此的導電材料。
[0078]優(yōu)選地，該裝置還包括集成電路，該集成電路在MEMS開關(guān)處或其附近附接至該裝置。
[0079]優(yōu)選地，集成電路包括CMOS電路。
[0080]優(yōu)選地，CMOS電路包括CMOS無線電裝置。
[0081]優(yōu)選地，多個天線元件包括天線陣列，該天線陣列包括多個第一天線元件，每一個都具有第一天線配置，該天線陣列并且還包括多個第二天線元件，每一個都具有第二天線配置，其中，第一天線配置和第二天線配置是不同的。
[0082]優(yōu)選地，第二天線配置包括第一天線配置的轉(zhuǎn)換。
[0083]優(yōu)選地，轉(zhuǎn)換包括旋轉(zhuǎn)、映像、縮放和變形的至少一種。
[0084]優(yōu)選地，多個第一天線元件與多個第二天線元件交錯。
[0085]優(yōu)選地，天線陣列包括:第一元件組，包括第一天線元件和第二天線元件；以及第二元件組，包括第一元件組的轉(zhuǎn)換。
[0086]優(yōu)選地，轉(zhuǎn)換包括映像。
[0087]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了用于傳送和/或接收電磁波的裝置，該裝置包括:
[0088]天線陣列，包括:多個第一天線元件，每一個都具有第一天線配置，并且還包括多個第二天線元件，每一個都具有第二天線配置，其中，第一天線配置和第二天線配置是不同的；以及
[0089]一個或多個開關(guān)，用于接通或斷開一個或多個天線元件，以配置天線陣列。
[0090]優(yōu)選地，第二天線配置包括第一天線配置的轉(zhuǎn)換。
[0091 ] 優(yōu)選地，轉(zhuǎn)換包括旋轉(zhuǎn)、映像、縮放和變形的至少一種。
[0092]優(yōu)選地，多個第一天線元件與多個第二天線元件交錯。
[0093]優(yōu)選地，天線陣列包括:第一元件組，包括第一和第二天線元件；以及第二元件組，包括第一元件組的轉(zhuǎn)換。
[0094]優(yōu)選地，轉(zhuǎn)換包括映像?！緦＠綀D】
【附圖說明】
[0095]現(xiàn)在，將僅通過參照附圖的實例描述本發(fā)明，其中:
[0096]圖1是已知MEMS電容橋的示圖；
[0097]圖2是向其施加電壓的已知MEMS電容橋的示圖；
[0098]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的第一實施例；
[0099]圖4示出了具有對稱蛇形支撐件的裝置的第二實施例；
[0100]圖5示出了與圖4類似但具有非對稱蛇形支持的裝置；
[0101]圖6是繪出根據(jù)本發(fā)明的裝置的相位對所施加電壓的曲線圖；
[0102]圖7a至圖7g示出了用于構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明的裝置的工藝；
[0103]圖8示出了安裝在根據(jù)本發(fā)明的裝置的表面上的多個天線；
[0104]圖9示出了在不存在支撐基板的情況下天線電容橋MEMS開關(guān)和通孔的配置；
[0105]圖10示出了在不存在支撐基板的情況下的多個天線和MEMS開關(guān)；
[0106]圖11不出了 MEMS開關(guān)和輸入/輸出路線；
[0107]圖12是根據(jù)本發(fā)明的MEMS開關(guān)橋的透視圖；
[0108]圖13是圖11的裝置更加詳細的示圖；
[0109]圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的CMOS可重構(gòu)無線電裝置；
[0110]圖15是根據(jù)本發(fā)明的CMOS可重構(gòu)無線電裝置的透視圖；
[0111]圖16是示出圖14和圖15的可重構(gòu)無線電裝置的各層的側(cè)視圖；
[0112]圖17示出了又一個天線實施例；
[0113]圖18示出了在不存在支撐基板的情況下具有過孔的圖17的天線的視圖；
[0114]圖19示出了具有四種天線元件的異構(gòu)微天線的陣列；
[0115]圖20和圖21示出了同構(gòu)陣列的實例，每個元件都具有相同的形狀，但在陣列中的不同位置通過旋轉(zhuǎn)進行變化；
[0116]圖22示出了具有四種不同的天線的異構(gòu)陣列的實例；
[0117]圖23示出了具有重復且旋轉(zhuǎn)的一組四個的兩種不同類型的天線的異構(gòu)陣列的實例；
[0118]圖24示出了具有重復的一組四個的兩種不同類型的天線的異構(gòu)陣列的實例；
[0119]圖25和圖26示出了分別用于提供多極化的同構(gòu)和異構(gòu)陣列的實例；
[0120]圖27示出了具有不同天線設(shè)計的同構(gòu)陣列的組合的異構(gòu)陣列的實例；
[0121]圖28示出了具有類似天線設(shè)計的同構(gòu)陣列的組合的異構(gòu)陣列的實例；以及
[0122]圖29示出了具有所有可能極化且具有同構(gòu)陣列組合的異構(gòu)陣列的實例。
【具體實施方式】
[0123]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的實施例。裝置15包括最上面的金屬層17，其橫跨由聚合物層19形成的橋結(jié)構(gòu)延伸。聚合物層包括聚一氯對二甲苯(二氯對二甲苯二聚體(parylene-C))。
[0124]聚合物層19下方的空間容納共面波導23和基板21上的第二板75?？偟闹尉嚯xL通過共面波導的寬度的距離W和距離G來提供，其中，兩個距離G相等并提供共面波導的邊緣和聚合物19的垂直部分之間的剩余距離。
[0125]聚對二甲苯在MEMS制造中通常被用作防水材料。其是類似于具有非常低的彈簧常數(shù)(即，高彈性)的聚合物的塑料。二氯對二甲苯二聚體用在本發(fā)明的這個實施例中，因為其包含適當?shù)娜彳浂?、介電強度和其他與其作為涂覆材料的正常使用相關(guān)的特性。二氯對二甲苯二聚體是真空沉積塑料膜，其根據(jù)氣態(tài)單體形成聚合物作為固態(tài)涂層。其提供了極好的耐蝕性、重量輕、無應(yīng)力以及使其適合于空間和軍事應(yīng)用的抗輻射性。二氯對二甲苯二聚體具有2.SGPa的楊氏模量，因此其是能夠在施加電壓時隨著裝置變形而彎曲的極其柔軟的材料。
[0126]將聚對二甲苯用作主要橋材料使得MEMS裝置的橋非常柔軟，并且要求相對較低的致動電壓來拉動橋向下。這意味著需要較低的功率來控制MEMS裝置。聚對二甲苯的使用允許單個元件的制造，可動態(tài)地構(gòu)造rf相移器元件用于任何特定的校準頻率。這種相移器元件的陣列可被組裝并分別尋址，以改變rf裝置的總體特性。例如，通過附接天線元件來形成用于固定頻率范圍的操作或可重構(gòu)頻率范圍的相控陣列。
[0127]聚對二甲苯的使用提供了橋的強度構(gòu)件。如圖1所示，傳統(tǒng)的MEMS橋使用金屬橋并在底板上具有絕緣層，以提供電容開關(guān)的介電質(zhì)。與典型的MEMS橋相比，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，絕緣層從底板移到頂板。這在MEMS裝置的兩個金屬層之間提供了絕緣層，并消除了金屬線路上方對于絕緣的需求。優(yōu)選實施例將空氣作為可變電介質(zhì)，以及將聚對二甲苯用作恒定介電材料，以通過改變橋高度來改變電容。選擇聚對二甲苯作為橋的主要材料還支持將非常薄的金屬膜用作頂部金屬層。這利于非常柔軟的MEMS裝置的制造。
[0128]圖4示出了對稱的蛇形橋設(shè)計31，其包括基板33、蛇形彎曲部35、37，蛇形彎曲部35,37沿著基板的長度延伸以基本上將基板一分為二。蛇形彎曲部在凸出位置通過支撐件43來支撐。固定板41形成梁的中心部分，并在其兩端附接至蛇形彎曲部35、37。CPW39在板41下方被支撐，并與板41隔開一定間隙。
[0129]圖5示出了與圖4具有類似構(gòu)造的開關(guān)的另一個實施例。其包括基板53、蛇形梁55、CPW57、板59和支持件61。非對稱結(jié)構(gòu)可以使橋在施加電壓時扭曲。設(shè)想另一梁和彎曲部幾何形狀，其中，電壓的施加會以可控方式移動梁。
[0130]圖6是針對根據(jù)本發(fā)明的裝置的相位82對施加電壓84的曲線圖80。曲線86示出了相位變化具有指數(shù)特性并且可控。此外，在較低電壓處，該曲線近似為線性。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，使用5個這樣的裝置實施相移器控制。在那種情況下，累計效應(yīng)使得達到360°C的相移通過OV和14V之間的施加電壓來實現(xiàn)。
[0131]上述本發(fā)明的裝置提供了低功率、低電壓致動MEMS開關(guān)，其改變傳輸線上信號的相位。可以將其使用擴展到分布式MEMS傳輸線(DTML)，其中，每個單元都可被電控制。
[0132]圖7a至圖7g示出了用于制造根據(jù)本發(fā)明的裝置的工藝。圖7a示出了硅半導體基板12。在圖7b中，14示出了具有絕緣層16的η型硅基板12。圖7c示出了具有絕緣體16以及進入穿透這些層的通孔或過孔的η型硅基板12。
[0133]圖7d示出了圖7c具有形成在絕緣層的頂部上的金屬涂層的配置。金屬涂層24形成本發(fā)明的天線。圖7e示出了圖7d在硅基板與天線24相對的表面上具有附加聚合物層28的配置。在圖7f中，30示出了沉積在聚合物層28的頂部上的金屬層32。圖7g示出了一旦根據(jù)分層結(jié)構(gòu)進行蝕刻的MEMS電容開關(guān)的結(jié)構(gòu)。[0134]在圖8中，34示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的表面，其中，天線36根據(jù)基板38之上的金屬表面而成型。
[0135]電磁傳輸?shù)亩喾N應(yīng)用需要大多數(shù)電磁波頻譜的探測和利用。為了覆蓋頻率的整個范圍，又一實施例利用了非頻變天線，其性能相對于其電特性、物理尺寸和工作頻率是固定不變的。
[0136]這種非頻變天線完全通過角度來指定，并要求電流沿著結(jié)構(gòu)減弱直到在切斷點可忽略。為了使輻射和減弱發(fā)生，必須使電荷加速，并且當導體與電荷行進的方向相垂直地彎曲或彎折時才發(fā)生。因此，螺旋形的彎曲提供了寬帶寬的非頻變操作。
[0137]這種彎曲的螺旋形設(shè)計(未示出)的優(yōu)點在于這種非頻變天線的陣列可以與用于波束形成的MEMS裝置進行結(jié)合?？梢栽谄谕姆较蛏蟻聿倏v波束的總體輻射方向圖。MEMS裝置被用于分別控制在工作頻率的整個范圍內(nèi)饋送給每個天線的信號的相位，從而給出不僅采用輻射方向圖的方向性而且同時采用陣列的工作頻率的優(yōu)點。這種針對陣列內(nèi)的每個天線的同時提供陣列的頻率和定向適應(yīng)性的精確控制是本實施例的新穎特征。
[0138]圖9示出了在不存在基板的情況下的本發(fā)明的配置。繪制該圖以闡明本發(fā)明的特定特征。在該實例中，天線36被定位在基板(未示出)的一側(cè)上并通過通孔或過孔48連接至MEMS電容橋44和傳輸線42，通孔或過孔48形成了從裝置的一側(cè)到另一側(cè)穿過基板的導電路徑。
[0139]有利地，以這種方式制造本發(fā)明的裝置，以遮蔽MEMS開關(guān)免受從天線接收或傳送的電磁輻射的影響。
[0140]在現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不可以在半導體基板上整體地制造MEMS和天線。這是由于基板的高介電常數(shù)以及形成在天線和接地面之間的表面波。本發(fā)明使MEMS設(shè)置在晶片的背側(cè)，并且天線和MEMS具有公共地。將天線設(shè)計為具有非常小的背部輻射。除了在接地面背面的區(qū)域之外，沒有表面電流且具有非常小的電磁場。
[0141]圖10是本發(fā)明的又一實施例，其中，四個單獨的MEMS開關(guān)54、56、58和60連接至四個單獨的天線62、64、66和68。傳輸線52通過天線提供輸入和輸出。MEMS開關(guān)54、56、58和60是可控的，從而將各個天線62、64、66和68的每一個切換為進行電磁信號的傳輸和/或接收或不進行電磁信號的傳輸和/或接收。這通過控制對MEMS開關(guān)的輸入以改變傳送通過天線的信號的相位來實現(xiàn)。
[0142]圖11至圖13以細節(jié)的變化程度示出了裝置。圖11簡單示出了每個MEMS開關(guān)54、56、58和60都連接至基板38 —側(cè)上的傳輸線42。圖12示出了橋電路54，其包括連接至傳輸線42的多個單獨的電容開關(guān)46。此外，圖13更加詳細的示圖示出了連接至傳輸線42的電容開關(guān)46。
[0143]圖14示出了本發(fā)明的又一實施例，其中，CMOS可重構(gòu)無線電芯片連接至容納MEMS開關(guān)的基板的一側(cè)。
[0144]圖15和圖16示出了該裝置的分層結(jié)構(gòu)。其包括在一個端面上的CMOS無線電裝置03以及在另一端面上的天線05。在這些表面之間存在多個層，多個層包括絕緣體層07、硅層09、絕緣體11和MEMS裝置13。
[0145]參照圖7a至7g描述根據(jù)本發(fā)明的制造裝置的工藝。
[0146]絕緣體材料16在高導電性硅晶片12上沉積到200至500um的厚度。精確的深度取決于天線的應(yīng)用。
[0147]形成用于金屬探針的通孔20，然后小心地從基板12清除以露出裝置的背側(cè)。然后，利用銅24對背側(cè)進行電鍍到Ium的厚度，并形成直徑為20um的探針。銅24被光刻劑遮住，然后曝光以形成圖8所示期望形狀的天線。
[0148]在頂層上圖案化MEMS結(jié)構(gòu)28、32。這些MEMS裝置起到開關(guān)、相移器和匹配電路的作用，構(gòu)成可重構(gòu)MEMS應(yīng)用裝置。
[0149]因此，可以在硅晶片的一側(cè)上結(jié)合完整天線或大的天線陣列，同時在晶片的相反側(cè)上制造MEMS裝置。使MEMS處于另一側(cè)減小了來自天線的輻射干擾，并且還簡化了 RF和MEMS控制電路的3D集成。
[0150]這通過使可重構(gòu)天線與RF和其他模塊設(shè)置在相同芯片上來對芯片上系統(tǒng)增加了新的尺寸。這減少了損耗，使總的系統(tǒng)效率最大，并減少了功耗，這是因為RF和天線饋送之間的較短距離。本發(fā)明允許具有多頻率容量的多帶天線與定相陣列網(wǎng)絡(luò)的集成，以構(gòu)成用于多帶通信的可重構(gòu)微天線。天線陣列在方向性、頻率、相位和極化方面都是可重構(gòu)的。
[0151]圖17示出了具有天線規(guī)格的又一天線實施例90的平面圖。該實施例具有低功率，在多個頻率處都工作地很好，并在其操作范圍上都具有穩(wěn)定的性能。
[0152]圖18示出了不存在支撐基板的情況下具有過孔91的、圖17的天線90的示圖。
[0153]圖19示出了具有四種天線元件101、102、103和104 (每個都具有不同的配置)的異構(gòu)微天線的陣列100。沒有示出可用于接通或切斷一個或多個天線元件以構(gòu)造天線陣列100的MEMS開關(guān)。
[0154]可重構(gòu)天線陣列100橫跨在陣列100具有重復的元件組101至104。此外，橫跨較大的陣列100，元件101的陣列與元件102的陣列交錯。
[0155]可以利用小于4mm2尺寸的天線來實施同構(gòu)或異構(gòu)天線陣列結(jié)構(gòu)。天線陣列可包括一種、兩種、三種、四種及以上不同類型的天線(例如，螺旋、螺線等)。天線陣列配置可覆蓋從棋狀陣列結(jié)構(gòu)到重復天線中心的較大陣列的所有形狀和配置。這允許平滑的波束形成并相容覆蓋許多頻帶，并且還允許在相同陣列中從單種極化(垂直、水平、右旋圓和左旋圓)直到所有可能的極化。
[0156]圖19所示陣列的變化(包括處于不同定向的相同圖案的組合)提供了左旋圓和右旋圓極化以及大約水平和垂直極化。該天線陣列提供了對大頻譜、極化和空間分集的覆蓋。
[0157]下面參照附圖討論各種天線陣列結(jié)構(gòu)。
[0158]圖20和圖21示出了同構(gòu)陣列的實例，每個元件都具有相同的形狀，但在陣列中不同位置通過旋轉(zhuǎn)進行轉(zhuǎn)換。
[0159]圖22示出了與圖19所示類似的具有四種不同天線的異構(gòu)陣列的實例，但是每個組都橫跨陣列水平重復同時旋轉(zhuǎn)而被轉(zhuǎn)換。每個元件組的垂直重復并不涉及任何轉(zhuǎn)換，而僅僅是平移，所以每列都包括四個相同組的堆疊。
[0160]圖23示出了一組四個的具有兩種不同類型天線的異構(gòu)陣列的實例。存在每個四元件組的四種旋轉(zhuǎn)都水平橫跨陣列。此外，類似于圖22，每個元件組的垂直重復并不涉及任何轉(zhuǎn)換，而僅僅是平移。
[0161]圖24示出了具有兩種不同類型天線的異構(gòu)陣列的實例，其不具有橫跨陣列轉(zhuǎn)換每個四元件組。[0162]圖25示出了使用圖17的基本元件的不同旋轉(zhuǎn)提供多極化的同構(gòu)陣列的實例。天線的每個象限都與其他象限相同。
[0163]圖26示出了使用圖17的基本元件的不同旋轉(zhuǎn)和映像提供多極化的異構(gòu)陣列的實例。每半邊的天線都相對于中心線被映射，使得每個象限都是其最近相鄰象限的映像。螺旋天線元件的映像產(chǎn)生了不同的天線類型，因此陣列是異構(gòu)的。
[0164]盡管在圖中示出了通過旋轉(zhuǎn)和映像進行天線元件的轉(zhuǎn)換，但其他轉(zhuǎn)換(例如縮放和變形)也可以被用于提供不同的天線元件配置。
[0165]圖27示出了具有不同天線設(shè)計的同構(gòu)陣列組合的異構(gòu)陣列的實例。
[0166]圖28示出了具有類似天線設(shè)計的同構(gòu)陣列組合的異構(gòu)陣列的實例。每半邊的天線都相對于中心線被映射，使得每個象限都是其最近相鄰象限的映像。
[0167]圖29示出了具有4X4同構(gòu)陣列組合的異構(gòu)陣列的實例，其具有所有可能的極化。這適合于較大陣列尺寸的應(yīng)用(例如，雷達)。
[0168]使用本發(fā)明的天線陣列以使頻譜范圍最大，并且同時還具有高方向性和多極化能力。該陣列可包括多個相對于彼此以各種方向放置的不同輻射元件，以使干擾最小且使效率最大。異構(gòu)天線陣列滿足民用和軍用的較寬范圍。
[0169]每個元件的尺寸為毫米的級別，并且這種小天線元件的陣列并不會不利地被尺寸所限制，因此可以允許在陣列中使用大量的元件。陣列的結(jié)構(gòu)及其元件類型(異構(gòu)和同構(gòu))的選擇、放置和它們的數(shù)量通過所針對的應(yīng)用、頻率范圍和所要求的極化、所需要的相移、饋送系統(tǒng)的功率處理能力和芯片的封裝來調(diào)節(jié)。
[0170]通常，在天線陣列中，在不同的陣列元件之間存在固有的干擾問題，然而，本發(fā)明的陣列具有接通/切斷各個元件的能力，從而減小了處于給定頻率的干擾效應(yīng)。
[0171]陣列中元件的放置可以提供電磁輻射的各種極化，極化可以在水平、垂直、右旋圓和左旋圓極化之間進行變化。通過適當放置陣列元件，該陣列可在同一陣列上實現(xiàn)所有種類的極化。
[0172]這種設(shè)計可源于來自經(jīng)由MEMS相移器的網(wǎng)絡(luò)控制的輻射元件中分配的RF的單饋送。這簡化了 RF端，其中，系統(tǒng)將會通過改變波束的方向性來嘗試檢測期望信號的最大信噪比(SNR)。
[0173]通過可重構(gòu)MEMS的應(yīng)用，可實現(xiàn)微型低功率自適應(yīng)天線的構(gòu)想，并且通過無縫式可重構(gòu)SoC結(jié)構(gòu)，可以在單個平臺上建立多種應(yīng)用。自適應(yīng)天線陣列能夠察覺到它們的環(huán)境，并自動地調(diào)節(jié)它們的信號定向，以減少干擾并使期望的信號接收最大化。
[0174]本發(fā)明可用于多標準、多頻率通信，以實施900.1800MHz的GSM、2GHZ的3G、2.4GHz的WLAN/藍牙、5GHz的WLAN和10?66GHz的WiMAX的單個系統(tǒng)。用戶的需求是能夠利用所有這些關(guān)鍵的通信系統(tǒng)，本發(fā)明將會使用戶受益于單個裝置上完整頻譜。
[0175]作為交互裝置的天線在傳送和接收微波時具有相同特性，因此主要用于通信的天線還可以應(yīng)用于基于空間的傳感器。被動微波感測是與熱感測類似的概念，其檢測在其視場內(nèi)自然輻射的微波能量。這種輻射的能量與發(fā)射對象或表面的溫度和潮濕特性相關(guān)。
[0176]現(xiàn)在在歐洲和美國(USA)所使用的許多運輸和豪華客用機動車輛上出現(xiàn)了汽車雷達裝置。在先進的巡航控制系統(tǒng)中采用這些裝置，其可以驅(qū)動機動車輛的加速器和/或剎車，以控制其在另一車輛之后的隔離距離。這種系統(tǒng)的實例是BMW的“主動巡航控制”、Jaguar的“自適應(yīng)巡航控制”和Daimler-Benz的“限距”系統(tǒng)。期望這些系統(tǒng)的使用在未
來將變得普遍。
[0177]許多車輛進口商設(shè)法使汽車具有智能巡航控制系統(tǒng)引入澳大利亞。所提出的系統(tǒng)采用在76~77GHz的頻率范圍內(nèi)操作的脈沖雷達。歐洲郵政和電信會議(CEPT)提出了 43個歐洲監(jiān)管委員。CEPT通過歐洲無線電通信協(xié)議(ERC)決議(92)02 [2]確定76~77GHz的頻帶應(yīng)該被指定給非專屬基礎(chǔ)的汽車雷達系統(tǒng)。對于用作車輛雷達系統(tǒng)的車載場干擾傳感器，聯(lián)邦通信委員會(FCC) [3]規(guī)則支持46.7~46.9GHz頻帶和76.0~77.0GHz頻帶在USA的使用。國際電信聯(lián)盟(ITU)建議ITU R M.1310[4]將頻帶60~6IGHz和76~77GHz由汽車雷達系統(tǒng)所使用。針對這種目的的日本郵政和電信部(MPT)的對60~61GHz頻帶和76~77GHz頻帶的應(yīng)用與亞太電信聯(lián)盟標準化程序(ASTAP)相類似，其已經(jīng)提出了關(guān)于“l(fā)owPower Short-Range Vehicle Radar Equipment Operating in the60_61GHz, and76_77GHzbands”標準草案的提議。
[0178]下表是支持汽車雷達的使用的(由海外機構(gòu)做出的)各種頻帶的總結(jié)。
[0179]
所支持的頻帶機構(gòu)
76~77 GHzCEPT (歐洲)
76~77 GHzETSI (歐洲)
46.7~46.9 GHz, 76~77 GHz FCC (美國)
60~61 GHz, 76-77 GHzITU
60'61 GHz, 76~77 GHzMPT (日本)
[0180]多模式雷達是用于許多軍事運載工具(尤其是航空器)的主要任務(wù)傳感器，賦予它們跟蹤和掃描多目標的能力，并且低功率、輕重量且能夠?qū)掝l帶操作。
[0181]在這種應(yīng)用中采用本發(fā)明的可重構(gòu)天線的優(yōu)點在于:其可以按比例放大到較大陣列以在多模式雷達中創(chuàng)建有效操作的多掃描波束。由于單個天線的尺寸小于4_2，所以這種小MEMS天線的陣列將根據(jù)所需應(yīng)用給出低功率且重量輕的裝置。
[0182]單個3英寸晶片可以集成多于200的當前設(shè)計的元件(如下所示)。較大天線的每個部分都可以以不同的模式進行操作，以用于應(yīng)用所要求的對多個目標的同時跟蹤和掃描。
[0183]由于尺寸的縮小，可以實施天線的異構(gòu)陣列，每個都以多種頻率進行工作。整體的陣列會覆蓋整個頻譜。因此，在單個晶片實施的情況下，可以覆蓋I~150GHz的頻率，提供對目標的寬帶掃描和基于窄帶的跟蹤。這對于通過單個裝置進行軍事應(yīng)用和跟蹤多個目標來說是理想的。
[0184]合成孔徑雷達(SAR)是指用于通過組合雷達沿著飛機或衛(wèi)星的航跡移動所接收的信號(回波)來合成非常長的天線的技術(shù)。孔徑是指用于收集形成圖像的反射能量的開口。
[0185]SAR系統(tǒng)利用雷達信號的大范圍傳播特性和現(xiàn)代數(shù)字電子器件的復雜信息處理能力的優(yōu)點來提供高解析度圖像。合成孔徑雷達補充了攝影和其他光學成像能力，這是因為對時間和大氣條件的最低限制以及因為相對于雷達頻率的地形和文化目標的獨特響應(yīng)。[0186]合成孔徑雷達技術(shù)已經(jīng)向地質(zhì)學者提供了地形結(jié)構(gòu)信息用于礦物開發(fā)，向環(huán)境工作者提供關(guān)于漏油邊界，向領(lǐng)航員提供海況和冰暴，以及向軍事行動提供偵查和目標信息。本發(fā)明具有許多其他應(yīng)用或潛在應(yīng)用。它們中的一些(尤其是民用)還沒有被充分開發(fā)，因為較低成本的電子器件剛剛開始使SAR技術(shù)變得經(jīng)濟以進行小規(guī)模使用。
[0187]本發(fā)明可以使用本文所描述的各種結(jié)構(gòu)覆蓋SAR頻率，以制造低功率、堅固且小型化的SAR裝置的版本。
[0188]被動微波遠程感測的應(yīng)用包括氣象學、水文學和海洋學。目前所使用的大多數(shù)地球觀測衛(wèi)星承載非常特定的雷達子系統(tǒng)，該雷達子系統(tǒng)根據(jù)微波頻譜的固定頻帶來工作。在本發(fā)明可重構(gòu)設(shè)計的目標范圍內(nèi)具有P、L、S、C和X頻帶。
[0189]對于身體可佩帶天線，目前感興趣的為軍事和民用領(lǐng)域。本發(fā)明提供了可重構(gòu)天線，其較小且覆蓋了用于高數(shù)據(jù)率微波鏈路和感測的大量頻率。用于個人通信和感測的可重構(gòu)天線的設(shè)計可以被認定是非常有用的裝置應(yīng)用。
[0190]這種自適應(yīng)天線的應(yīng)用不限于通信，而是還可以用于醫(yī)學治療。用于微波諧振治療(MRT)的天線生成高頻微波，在臨床實驗中成功治療乳腺癌。與將現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)東方醫(yī)學相混合的針灸療法類似，它們還被用于生物物理治療。由于相對較小的尺寸，低功率、設(shè)計成本以及與CMOS技術(shù)相對容易的結(jié)合，在上述兩種情況下，采用相位陣列天線。
[0191]在不背離本發(fā)明權(quán)利要求的范圍的情況下，可以結(jié)合各種改進和修改。
【權(quán)利要求】
1.一種用于傳送和/或接收電磁波的裝置，所述裝置包括: 基板； 一個或多個天線，安裝在所述基板的第一表面上； 一個或多個微機電(MEMS)開關(guān),定位在所述基板的第二表面上； 連接器，穿過所述基板延伸以操作性地將所述MEMS開關(guān)連接至所述天線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述基板包括半導體層和至少一個絕緣層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述至少一個絕緣層形成用于所述天線的基板。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述基板用于遮蔽所述MEMS開關(guān)免受所述天線影響。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述MEMS開關(guān)和所述天線具有公共地。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中，所述公共地包括半導體層。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述天線包括圖案化金屬表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中，所述圖案化金屬表面包括螺線。
9.根據(jù)權(quán)利 要求8所述的裝置，其中，所述螺線是彎曲的。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述天線包括多個天線元件。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中，所述天線元件是被連接的。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的裝置，其中，一個或多個天線元件被接通或斷開。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12中任一項所述的裝置，其中，一個或多個天線元件被接通或斷開，以控制所述裝置的工作頻率。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述MEMS開關(guān)是電容開關(guān)。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述MEMS開關(guān)進行操作以改變所述天線的輸入的相位或來自所述天線的輸出的相位。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述MEMS開關(guān)包括: 基板； 第一導電層； 附接至所述基板并在所述基板上形成橋結(jié)構(gòu)的材料； 第二導電層，附接至遠離所述基板的所述材料的表面； 其中，所述材料用作對所述第二導電層的機械支撐以及用作電介質(zhì)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中，所述材料用于響應(yīng)于力的施加而彎曲，從而改變所述MEMS開關(guān)的電容。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中，所述材料用于響應(yīng)于在所述第一導電層和所述第二導電層之間施加電壓而彎曲，從而改變所述MEMS開關(guān)的電容。
19.根據(jù)權(quán)利要求16至18中任一項所述的裝置，其中，所述材料具有小于4.5GPa的彈力的楊氏模量。
20.根據(jù)權(quán)利要求16至19中任一項所述的裝置，其中，所述材料具有處于IMHz大于2的介電常數(shù)。
21.根據(jù)權(quán)利要求16至20中任一項所述的裝置，其中，所述材料是聚合物。
22.根據(jù)權(quán)利要求16至21中任一項所述的裝置，其中，所述材料源自對二甲苯。
23.根據(jù)權(quán)利要求16至22中任一項所述的裝置，其中，所述材料是聚一氯對二甲苯
24.根據(jù)權(quán)利要求16至23中任一項所述的裝置，其中，所述材料是聚對二甲苯。
25.根據(jù)權(quán)利要求16至24中任一項所述的裝置，其中，所述第二導電層是金屬。
26.根據(jù)權(quán)利要求16至25中任一項所述的裝置，其中，所述第二導電層包括鋁。
27.根據(jù)權(quán)利要求16至26中任一項所述的裝置，其中，所述MEMS開關(guān)還包括安裝在所述基板上的共面波導。
28.根據(jù)權(quán)利要求16至27中任一項所述的裝置，其中，所述MEMS開關(guān)集成在微帶拓撲中。
29.根據(jù)權(quán)利要求18至28中任一項所述的裝置，其中，所述橋結(jié)構(gòu)包括梁，所述梁被成形以改變橋的機械特性以及其響應(yīng)于所施加的電壓移動的方式。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，其中，所述梁是對稱的。
31.根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，其中，所述梁是不對稱的。
32.根據(jù)權(quán)利要求29至31中任一項所述的裝置，其中，所述梁包括蛇形彎曲部。
33.根據(jù)權(quán)利要求29至32中任一項所述的裝置，其中，配置所述梁的形狀，使得在施加電壓時所述梁以預定方式扭曲或彎曲。
34.根據(jù)權(quán)利要求29至3 3中任一項所述的裝置，其中，所述MEMS開關(guān)被配置為將電磁裝置連接至饋送線或信號路徑，以及將所述電磁裝置與所述饋送線或所述信號路徑斷開。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的裝置，其中，所述MEMS開關(guān)用于改變所述饋送線上的信號的相位。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的裝置，其中，利用所施加電壓的相位改變在預定電壓范圍內(nèi)基本是線性的。
37.根據(jù)權(quán)利要求35或36所述的裝置，其中，多個MEMS開關(guān)進行組合，以在所施加電壓進行施加時提供從O至360°C的可控相移。
38.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述連接器是通孔或過孔。
39.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述連接器包括附接于此的導電材料。
40.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述裝置還包括集成電路，所述集成電路在所述MEMS開關(guān)出或其附近附接至所述裝置。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的裝置，其中，所述集成電路包括CMOS電路。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的裝置，其中，所述CMOS電路包括CMOS無線電裝置。
43.根據(jù)權(quán)利要求10至42中任一項所述的裝置，其中，所述多個天線元件包括天線陣列，所述天線陣列包括多個第一天線元件，每一個都具有第一天線配置，并且所述天線陣列還包括多個第二天線元件，每一個都具有第二天線配置，其中，所述第一天線配置和所述第二天線配置是不同的。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的裝置，其中，所述第二天線配置包括所述第一天線配置的轉(zhuǎn)換。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的裝置，其中，所述轉(zhuǎn)換包括旋轉(zhuǎn)、映像、縮放和變形的至少一種。
46.根據(jù)權(quán)利要求43至45中任 一項所述的裝置，其中，所述多個第一天線元件與所述多個第二天線元件交錯。
47.根據(jù)權(quán)利要求43至46中任一項所述的裝置，其中，所述天線陣列包括:第一元件組，包括第一天線元件和第二天線元件；以及第二元件組，包括所述第一元件組的轉(zhuǎn)換。
48.根據(jù)權(quán)利 要求44所述的裝置，其中，所述轉(zhuǎn)換包括映像。
【文檔編號】H01Q3/30GK103887602SQ201310653354
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2008年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2007年6月13日
【發(fā)明者】格里爾·阿斯蘭, 安東尼·約翰·沃爾頓, 納庫爾·R·哈里達斯 申請人:索凡特科技有限公司