射频MEMS移相器

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RF MEMS移相器成为可能。因此采用MEMS微波开关技术的单片集成RF MEMS移相器，具有较低的插入损耗、宽带宽、小体积的特点，是实现上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DistributedMEMSTransmissionline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RF MEMS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。

图1、DMTL型移相器结构和等效电路

DMTL型移相器是美国密歇根大学的N.ScottBarker^[1]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500mm厚的石英衬底上制作带有周期性MEMS桥电容的CPW传输线（W=G=100μm），驱动电压为0~V_p，V_p为桥电容的下拉电压。当电压在0~V_p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^[2]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^[3]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^[5]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。

图2、Rockwell中心的单刀多掷开关线移相器

开关线型MEMS移相器插损取决于开关导通时的损耗和传输线损耗，要满足插损小、体积小，设计上须保证匹配，因此要对线的长度和阻抗进行优化。

2.1.3 反射型MEMS移相器

反射型MEMS移相器是通过RF MEMS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.Goldsmith^[6]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X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^[7]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。

图3、汉城大学的反射型MEMS移相器

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。

图4、2位移相器扫描电镜照片

2.2.2 测试结果

使用HP8510c矢量网络分析仪和150μmGGB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

RF MEMS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RF MEMS移相器在未来雷达和通讯系统中将起到越来越大的作用。

参考文献：

[1] BARKER N S, REBEIZ G M. Distributed MEMS truetime delay phase shifter and wide-band switches[J]. IEEE Trans on MTT, 1998, 46(11):1-10.
[2] BORGIOLI A, LIU Y, NAGRA A S, et al. Low-loss distributed mems phase shifter[J]. IEEE Microwave and Guided Wave Lett, 2000, 10(1):7-10.
[3] HAYDEN J S, REBEIZ G M. A low-loss Ka-band distributed MEMS 2-bit phase shifter using metal-airmetal capacitors [A]. 2002 IEEE MTT-S Int Microwave Symp Digest[C]. Seattle, Washington, 2002,337- 340.
[4] PILLANS B, ESHELMAN S, MALCZEWSKI A, et al. Ka-band RF MEMS phase shifters[J]. IEEE Microwave Guided Wave Lett, 1999, 9(12):520-522.
[5] TAN G L, MIHAILOVICH R.E, HACKER J B, et al. A very-low-loss 2-bit X-band RF MEMS phase shifter [A]. 2002 IEEE MTT-S Digest[C].Seattle, Washington,2002,333-335.
[6] MALCZEWSKI A, et al. X-band RF MEMS phase shifters for phased array applications[J]. IEEE Microwave Wireless Comp Lett, 1999, 9(12):517-519.
[7] KIM H T,PARK J H, YIM J H et al. A compact V-band 2-bit reflection-type MEMS phase shifter[J]. IEEE Microwave and Wireless Comp Lett, 2002, 12(9): 324- 326.

作者：娄建忠，赵正平，杨瑞霞，吕苗，胡小东