專利名稱：鋸齒形共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的毫米波mems移相器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種小型化毫米波移相器。
技術(shù)背景移相器是相控陣?yán)走_(dá)、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信設(shè)備中的核心組件中最重要的 部分，它的工作頻帶、插入損耗直接影響著這些設(shè)備的抗干擾能力和靈敏度， 以及系統(tǒng)的重量、體積和成本。在傳統(tǒng)的移相器電路中常常采用二極管或鐵氧 體器件作為移相器電路的主體元器件，但是傳統(tǒng)移相器具有功耗高、插入損耗 高、可靠性差、成本高等缺點(diǎn)。而且應(yīng)用傳統(tǒng)移相器來(lái)設(shè)計(jì)毫米波段(如Ka 波段)相控陣的饋電網(wǎng)絡(luò)是行不通的，因?yàn)殛囋拈g距在毫米數(shù)量級(jí)，甚至已 小于元器件的物理尺寸。而射頻微機(jī)電系統(tǒng)(Radio Frequency Micro Electro Mechanical Systems,縮寫為RFMEMS)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)，可使得微波電路的 結(jié)構(gòu)、性能發(fā)生根本性改變。因此應(yīng)用MEMS技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)基于MEMS工 藝的毫米波移相器可大大減小設(shè)備的體積和重量，具有十分重要的意義。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(guò)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(lái) 控制橋的高度來(lái)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?。這種移相器由于僅僅通過(guò)改變兩種狀態(tài)下橋的高度來(lái)改變相移，而金屬橋 的高度變化范圍有限，只能產(chǎn)生很小的一段位移，因此兩種狀態(tài)下的電容比非 常低，因而相移量較小。而且由于金屬橋的疲勞效應(yīng)，在工作一段時(shí)間后，金 屬橋在下拉狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)定位不準(zhǔn)的現(xiàn)象，從而造成對(duì)相位的精度控制不夠準(zhǔn) 確，而且一旦金屬橋與信號(hào)線接觸，會(huì)造成短路使得電路失效。發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有的MEMS移相器存在單橋相移量小、相位精度低的問(wèn)題， 本發(fā)明提供了一種鋸齒形共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的毫米波MEMS移相器。它包括共面
波導(dǎo)6和n個(gè)金屬橋4，所述共面波導(dǎo)6由基板1、信號(hào)線2、兩根地線3組 成，信號(hào)線2固定在基板1上表面的中間，在信號(hào)線2的兩側(cè)間隔固定有地線 3，所述金屬橋周期跨在共面波導(dǎo)6的基板1上，所述金屬橋4與所述信號(hào)線 2垂直，每個(gè)金屬橋4的兩端分別固定在共面波導(dǎo)6上的兩根地線3上，其特 征在于它還包括n個(gè)絕緣的介質(zhì)基片5，在每個(gè)金屬橋4正下方的信號(hào)線2的 兩側(cè)有對(duì)稱的向內(nèi)凹陷的鋸齒61，在與所述鋸齒61對(duì)應(yīng)的信號(hào)線2上表面固 定有介質(zhì)基片5，所述介質(zhì)基片5的介電常數(shù)為2 20，所述介質(zhì)基片5的厚 度t為0.1pm 5nm，所述n為大于l的自然數(shù)。本發(fā)明所述的鋸齒形共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的毫米波MEMS移相器，工作在34 36 GHz的毫米波工作頻段，它在不增加成本、不增加反射損耗的前提下提高 了單橋相移量和相移控制精度，并且本發(fā)明的移相器尺寸小、使用壽命長(zhǎng)，適 合大批量生產(chǎn)，可以廣泛的應(yīng)用于射頻通信系統(tǒng)以及小型相控陣?yán)走_(dá)、相控陣 天線等系統(tǒng)中。


圖l是傳統(tǒng)的分布式移相器結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖 3是圖2中的共面波導(dǎo)6的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是圖2的A-A剖視圖，圖5、圖 6、圖7是具體實(shí)施方式
十所述的鋸齒形共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的毫米波MEMS移相器 的射頻仿真結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
一參見(jiàn)圖2至圖4說(shuō)明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式所述的鋸齒形共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的毫米波MEMS移相器包括共面波導(dǎo)6和n個(gè)金屬橋4， 所述共面波導(dǎo)6由基板1、信號(hào)線2、兩根地線3組成，信號(hào)線2固定在基板1 上表面的中間，在信號(hào)線2的兩側(cè)間隔固定有地線3，所述金屬橋周期跨在共 面波導(dǎo)6的基板1上，所述金屬橋4與所述信號(hào)線2垂直，每個(gè)金屬橋4的兩 端分別固定在共面波導(dǎo)6上的兩根地線3上，它還包括n個(gè)絕緣的介質(zhì)基片5， 在每個(gè)金屬橋4正下方的信號(hào)線2的兩側(cè)有對(duì)稱的向內(nèi)凹陷的鋸齒61，在與所 述鋸齒61對(duì)應(yīng)的信號(hào)線2上表面固定有介質(zhì)基片5，所述介質(zhì)基片5的介電常 數(shù)為2 20，所述介質(zhì)基片5的厚度t為0.1nm 5pm，所述n為大于l的自然 數(shù)。
本實(shí)施方式與傳統(tǒng)的分布式MEMS移相器相比，主要優(yōu)點(diǎn)有 一、通過(guò)在金屬橋與信號(hào)線間使用介質(zhì)層，一方面提高了移相器在兩種工作狀態(tài)下金屬橋所引入的電容比，進(jìn)而提高單橋的相移量；另一方面，本實(shí)施方式的移相器 在"關(guān)態(tài)"時(shí)，金屬橋被下拉到介質(zhì)層上，通過(guò)控制介質(zhì)層的厚度來(lái)精確的限 定在"關(guān)態(tài)"下金屬橋與信號(hào)線之間的距離，進(jìn)而不但實(shí)現(xiàn)了對(duì)相移的精確控 制，還可以提高移相器的使用壽命。二、通過(guò)將共面波導(dǎo)上的信號(hào)線設(shè)置成鋸 齒形，使其在工作的時(shí)候所引進(jìn)的電感基本抵消金屬橋所引入的電容，從而減 小引入的介質(zhì)層與并聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)對(duì)原傳輸線的影響，起到了降低反射的作 用。本實(shí)施方式的移相器在不增加反射損耗的情況下來(lái)提高單橋相移量及其控 制精度。 具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的鋸齒形共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的毫米波MEMS移相器的不同之處在于，所述介質(zhì)基片5的介電常數(shù)為2 11。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的鋸齒形共面波導(dǎo) 結(jié)構(gòu)的毫米波MEMS移相器的不同之處在于，所述介質(zhì)基片5的介電常數(shù)為 11 20。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的鋸齒形共面波導(dǎo) 結(jié)構(gòu)的毫米波MEMS移相器的不同之處在于，所述介質(zhì)基片5的厚度t為 0.1jim 2 )im。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的鋸齒形共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的毫米波MEMS移相器的不同之處在于，所述介質(zhì)基片5的厚度t為2pm 5 pm。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的鋸齒形共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的毫米波MEMS移相器的不同之處在于，所述介質(zhì)基片5的厚度t為lpm 或3 ,。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的鋸齒形共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的毫米波MEMS移相器的不同之處在于，所述介質(zhì)基片5采用聚酰亞胺或 氮化硅或二氧化硅材料制成。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
七所述的鋸齒形共面波導(dǎo) 結(jié)構(gòu)的毫米波MEMS移相器的不同之處在于，所述聚酰亞胺材料的介電常數(shù)為 3.4，所述介質(zhì)基片5的厚度為0. ljim 0.6nm。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
七所述的鋸齒形共面波導(dǎo) 結(jié)構(gòu)的毫米波MEMS移相器的不同之處在于，所述氮化硅材料的介電常數(shù)為 7.5，所述介質(zhì)基片5的厚度ti.3nm 0.5pm。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
九所述的鋸齒形共面波導(dǎo) 結(jié)構(gòu)的毫米波MEMS移相器的不同之處在于，所述底部基板1為介電常數(shù)為 11.9的附有二氧化硅層的高阻硅材料，所述底部基板l的厚度H:500 pm，所述 共面波導(dǎo)6上的信號(hào)線2導(dǎo)體帶條寬度W=100 )im，所述信號(hào)線2和地線3之 間距離G=100)im，金屬橋4寬度X=25 pm，相鄰金屬橋4之間距離S=100 |am， 金屬橋4的節(jié)數(shù)n=4，鋸齒形結(jié)構(gòu)61深入到信號(hào)線2中的深度Gl=120pm。本實(shí)施方式的鋸齒形共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的毫米波MEMS移相器在工作的時(shí) 候，通過(guò)在金屬橋4和信號(hào)線2之間施加直流電壓來(lái)改變金屬橋4的高度，當(dāng) 不施加電壓時(shí)，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(hào)線2的介質(zhì)基片5上，這時(shí)金屬橋4和信號(hào)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5 圖7是本實(shí)施方式所述的鋸齒形共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的毫米波MEMS移 相器的電磁場(chǎng)仿真結(jié)果。在34 36GHz的頻帶內(nèi)，插入損耗高于-2dB，反射 損耗低于-10dB。在整個(gè)通帶內(nèi)相移具有較好的線性度，在35GHz處僅四橋 結(jié)構(gòu)相移即可以大于90°，且誤差精度在±5°內(nèi)，單橋相移量高達(dá)22.5。。
權(quán)利要求
1、鋸齒形共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的毫米波MEMS移相器，它包括共面波導(dǎo)(6)和n個(gè)金屬橋(4)，所述共面波導(dǎo)(6)由基板(1)、信號(hào)線(2)、兩根地線(3)組成，信號(hào)線(2)固定在基板(1)上表面的中間，在信號(hào)線(2)的兩側(cè)間隔固定有地線(3)，所述金屬橋周期跨在共面波導(dǎo)(6)的基板(1)上，所述金屬橋(4)與所述信號(hào)線(2)垂直，每個(gè)金屬橋(4)的兩端分別固定在共面波導(dǎo)(6)上的兩根地線(3)上，其特征在于它還包括n個(gè)絕緣的介質(zhì)基片(5)，在每個(gè)金屬橋(4)正下方的信號(hào)線(2)的兩側(cè)有對(duì)稱的向內(nèi)凹陷的鋸齒(61)，在與所述鋸齒(61)對(duì)應(yīng)的信號(hào)線(2)上表面固定有介質(zhì)基片(5)，所述介質(zhì)基片(5)的介電常數(shù)為2～20，所述介質(zhì)基片(5)的厚度t為0.1μm～5μm，所述n為大于1的自然數(shù)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋸齒形共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的毫米波MEMS移相器， 其特征在于所述介質(zhì)基片(5)的介電常數(shù)為2 11。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋸齒形共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的毫米波MEMS移相器， 其特征在于所述介質(zhì)基片(5)的介電常數(shù)為11 20。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋸齒形共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的毫米波MEMS移相器， 其特征在于所述介質(zhì)基片(5)的厚度t為0.1)im 2^im。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋸齒形共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的毫米波MEMS移相器， 其特征在于所述介質(zhì)基片(5)的厚度t為2pm 5iim。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋸齒形共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的毫米波MEMS移相器， 其特征在于，所述介質(zhì)基片(5)采用聚酰亞胺或氮化硅或二氧化硅材料制成。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的鋸齒形共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的毫米波MEMS移相器， 其特征在于所述聚酰亞胺材料的介電常數(shù)為3.4，所述介質(zhì)基片(5)的厚度為 0. 1, 0.6,。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的鋸齒形共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的毫米波MEMS移相器， 其特征在于所述氮化硅材料的介電常數(shù)為7.5，所述介質(zhì)基片(5)的厚度 t=0.3|im 0.5pm。
全文摘要
鋸齒形共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的毫米波MEMS移相器，涉及一種小型化毫米波移相器。它解決了現(xiàn)有MEMS移相器存在單橋相移量小、相位精度低的問(wèn)題。它包括共面波導(dǎo)和n個(gè)金屬橋，共面波導(dǎo)由基板、信號(hào)線、兩根地線組成，信號(hào)線固定在基板上表面的中間，在信號(hào)線的兩側(cè)間隔固定有地線，金屬橋周期跨在共面波導(dǎo)基體上，每個(gè)金屬橋的兩端分別固定在共面波導(dǎo)上的兩根地線上，它還包括n個(gè)介質(zhì)基片，在每個(gè)金屬橋正下方的信號(hào)線的兩側(cè)有對(duì)稱的向內(nèi)凹陷的鋸齒，在所述鋸齒對(duì)應(yīng)的信號(hào)線上表面固定有介質(zhì)基片，所述介質(zhì)基片的介電常數(shù)為2～20，厚度t為0.1μm～5μm。本發(fā)明可以廣泛的應(yīng)用于射頻通信系統(tǒng)以及小型相控陣?yán)走_(dá)、相控陣天線等系統(tǒng)中。
文檔編號(hào)H01P1/18GK101159345SQ200710144428
公開(kāi)日2008年4月9日 申請(qǐng)日期2007年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月12日
發(fā)明者傅佳輝, 群 吳, 愷 唐, 孟繁義, 楊國(guó)輝, 賀訓(xùn)軍 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)