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作者: 发布时间:2009-04-19 17:50:22 来源: 繁体版
射频微机械移相器 娄建忠 ,赵正平, 杨瑞霞, 吕苗,胡小东 (1.河北工业大学信息学院,天津300130;2.河北大学电子信息
射频微机械移相器 娄建忠 ,赵正平, 杨瑞霞, 吕苗,胡小东 (1.河北工业大学信息学院,天津300130;2.河北大学电子信息工程学院,) 1 引言 微波移相器是相控阵雷达、卫星通信、移动通信设备中的核心组件,它的工作频带、插入损耗直接影响着这些设备的抗干扰能力和灵敏度,以及系统的重量、体积和成本,因此研究宽带、低插损的移相器在军事上和民用卫星通信领域具有重要的意义。近年来,随着RF MEMS开关的研究不断取得进展,使MEMS开关替代传统的铁氧体开关、p·i-n二极管、FET,设计制造宽带、低插损RFMEMS移相器成为可能。因此采用MEMS微波开关技术的单片集成RFMEMS移相器,具有较低 的插入损耗、宽带宽、小体积的特点,是实现』万单元相控阵天线的关键技术,对卫星组网技术.战术、战略侦察、制导均有重要意义。 2 发展现状 由于相控阵雷达、卫星通信等领域应用的需要,RF MEMS移相器在国际上有众多的研究者,工作频段从几GHz到上百GHz,采用的结构有DMTL型、开关线型和反射型。 2.1国外发展现状 2.1.1 DMTL型移相器 DMTL型移相器是DistributedMEMS Trans—mission line的简称,其结构和等效电路如图1所示。它是在CPW传输线上周期性的加载一定电容 比的并联RFMEMS开关,在中心信号线和桥之间加驱动电压,将改变CPW传输线的负载电容,从而改变传输线的特征阻抗和传输系数实现移相。 DMTL型移相器是美国密歇根大学的N.ScottBarker在1998年11月第一次设计制造的,为一模拟移相器,它是通过表面MEMS工艺在500gm厚的石英衬底上制作带有周期性MEMS桥电容的CPW传输线(W二G二100 u m),驱动电压为0-V”,V”为桥电容的下拉电压。当电压在0~V间变化时,相移发生连续变化。测量结果显示该移相器可在0~60GHz工作,在60GHz时相移118‘,插损为—2dB,在40GHz时相移为84‘,插损为—1.8dB,驱动电压为10”23V。 2000年1月加州大学圣·巴巴拉分校的AndreaBorgioli等人采用MEMS桥和固定MIM电容串联,以减少下态电容,实现了第一个1位数字DMTL移 相器。该移相器驱动电压为75V,在25GHz时相移为180’,插损为上态—0.98dB,下态—1.17dB,在35GHz时相移270‘,插损为上态—1.07dB,下态—1.69dB,反射损失好于—11dB。 DMTL型移相器具有频带宽、插损小、纯时延、工艺简单的优点,芯片尺寸较大, 目前多在低介电常数衬底上制造,在高介电常数衬底上制造 需继续减小桥电容和间距以满足布拉格频率,’,的要求。 2.1.2开关线型MEMS移相器 开关线型MEMS移相器是通过RF MEMS开关,选择不同的长度的信号路径实现相移。雷讯实验室的B.Pillans等人于1999年12月利用MEMS并联电容耦合开关设计制造了3位、4位Ka波段开关线移相器,4)。3位的平均插损是—1.7dB,4位的平均插损是—2.2dB,带宽为32~36GHz,反射损失小于—10dB。驱动电压45V。2002年G.L.Tan,,]使用单刀四掷串联MEMS开关,通过4条不同的路径实现2位开关线移相器,如图2所示,在8-12GHz平均插损为—0.55dB,反射损失好于—17dB。在DC~18GHz相移有很好的线性度,是目前体积最小的MEMS移相器。 2.1.3反射型MEMS移相器 反射型MEMS移相器是通过RFMEMS开关改变3dB耦合器反射臂的电抗来实现相移。1999年12月雷讯公司C.L.Goldsmithr利用微带LANGE耦合器和MEMS并联电容耦合开关设计制造了4位×波段反射型移相器,在8GHz时平均插损为—1.4dB,反射损失好于—11dB。2002年汉城大学的Hong-TeukKim等人,’,采用MEMS空气覆盖型低损耗耦合器,设计了2位(135。) CPW反射型移相器(图3),6个金—金接触串连MEMS开关,控制短路反射线的长度,在60GHz时平均插损—4dB,反射损失从50~70GHz为—11.7dB,尺寸为1.5mm× 2.1mm。 反射型MEMS移相器芯片面积较小,但插损较大,其中3dB耦合器的插损随频率增加而增加,不可忽视,同时反射线长度变短,使开关制造有一定困难。 2.2国内发展现状 本文采用DMTL结构在高阻硅衬底上实现了2位DC~30GHz数字移相器,30GHz时相移为105,最大插损小于—1.8dB,驻波好于—11dB。由于驱动电压加在桥与CPW地线之间,增加驱动面积使驱动电压小于20V。 2.2.1设计与制造 2位DC~30GHz移相器是采用高阻硅衬底,在3.3mm长CPW传输线上周期性制造6个并联MEMS电容,如图4所示。通过桥与CPW传输线的地之间加载DC驱动来改变CPW传输线的负载电容,偏置电压通过高阻线直接加载到桥上,各个桥之间通过弯曲的高阻线连接,使桥之间隔离。 2.2.2测试结果 使用HP8510c矢量网络分析仪和150llmGGB探针台对移相器进行在片测量,使用LRM校准,驱动电压为18V。测量结果如图5所示。表1是在15GHz时一组相移数据。 从测试结果可以看出,在32GHz以下具有很好的线性,插损小于—1.8dB,驻波好于—11dB,在30GHz时最大,相应为105。32GHz以上相移曲 线明显向上弯曲,产生非线性,插损也明显增大,实际相移小于设计相移是由于CPW的地线与MEMS桥的锚位间隙较小,使桥不能与CPW的地线完全接触,减小了下态电容。 3 发展趋势 RFMEMS移相器具有低插损、低功耗、宽带宽、小体积、重量轻的优点,是机载雷达、星用雷达的理想器件,对战术、战略侦察、制导均有重要意义,其中开关线型移相器的插损主要取决于开关导通时的插损,同时要求两条路径之间有足够高的隔离,因此要求开关具有较低的导通插损和高的截止隔离度,因此它的带宽取决于开关的带宽,同时设计上须对T型头进行匹配设计,保证在宽频带内有较小的反射。反射型MEMS移相器频带较窄、芯片面积较小,但插损较大, 同时高频时反射线长度变短,使开关制造有一定困难。DMTL型移相器和开关线型移相器都具有纯时延的特性,插损小,设计和制造较容易,是未来发展的重点。我们相信RFMEMS移相器在未来雷达和通讯系统中将起到越来越大的作用。

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