射頻MEMS及其在相控陣系統(tǒng)中的應(yīng)用*

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引 言

微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro Electro-Mechanical System,MEMS)是采用集成電路工藝在半導(dǎo)體材料上制作的微型器件與器件陣列，是微電子與精密機(jī)械技術(shù)集成的產(chǎn)物，目前更進(jìn)一步向微光電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro Optical Electro-Mechanical System,MOEMS)發(fā)展。

MEMS由于具有一系列優(yōu)點(diǎn)，自1979年首次報(bào)道以來，在民用與軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，甚至有人將MEMS技術(shù)與工業(yè)革命、晶體管技術(shù)并稱為現(xiàn)代科技發(fā)展的3個(gè)里程碑。

MEMS的民用領(lǐng)域涵蓋了汽車、消費(fèi)電子、移動通信、計(jì)算機(jī)、醫(yī)療保健與工業(yè)控制等行業(yè)，iPhone手機(jī)、Wii游戲機(jī)、汽車ESP是最著名的應(yīng)用產(chǎn)品。

射頻MEMS的軍用領(lǐng)域包括雷達(dá)、通信與自動控制等，典型應(yīng)用是MEMS移相器。

本文將對射頻MEMS在相控陣系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)與分析。

2 射頻MEMS開關(guān)與移相器

射頻MEMS開關(guān)體積小，慣性小，動作快，用靜電場等方式觸發(fā)。MEMS開關(guān)幾乎不消耗功率，插損、寬帶、隔離度等方面均具有優(yōu)勢，但是開關(guān)速度、器件面積、控制電壓大小、承受的射頻功率與開關(guān)壽命等方面呈劣勢[1]。

1991年第一次報(bào)道了旋轉(zhuǎn)型和金屬接觸型懸臂梁射頻MEMS開關(guān)。根據(jù)信號傳輸路徑，MEMS開關(guān)分為電容型與金屬接觸型兩類，前者依賴于開關(guān)前后電容的變化率，適于較高頻率；后者呈電阻特性，插損隨信號頻率增加，適于較低頻率。

射頻MEMS開關(guān)支持與集成電路工藝相容的各種基片材料，如硅(低成本)、砷化鎵與磷化銦(適于高頻信號)、石英與鋁(適于低損耗混合電路)。

用射頻MEMS開關(guān)置換各種電子器件中的二極管、三極管開關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)MEMS移相器、自適應(yīng)濾波器與功率放大器、寬帶陣列天線單元等。

2.1 MEMS移相器

移相器是相控陣系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。1998年首次報(bào)道了MEMS移相器，迄今還在不斷改進(jìn)之中。MEMS移相器分為3類：

(1)開關(guān)線型MEMS移相器。如果移相器中的任意兩個(gè)傳輸線長度差值是波長的整數(shù)倍，則可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)延遲線。密歇根大學(xué)(Michigan University)研究人員用單刀四擲MEMS開關(guān)完成的X頻段4位移相器，8～12 GHz平均插損1.0～1.6 dB，尺寸4.9 mm×4.35 mm[2]；

(2)耦合型MEMS移相器。通過改變3 dB耦合器反射臂的電抗實(shí)現(xiàn)移相，芯片面積小，不要求阻抗匹配，損耗較低，工作頻帶較寬。利用微帶Lange耦合器與MEMS并聯(lián)電容開關(guān)，Raytheon公司設(shè)計(jì)的4位移相器，8 GHz處平均插損1.4 dB[3]；

(3)分布式MEMS傳輸線移相器(DMTL)。利用帶有分布式射頻開關(guān)的傳輸線，可實(shí)現(xiàn)精確的實(shí)時(shí)延遲線。DMTL工作頻帶寬，插損小，純時(shí)延，工藝簡單，芯片尺寸較大。DMTL移相器比較適于Ka及以上頻段[4]。2006年報(bào)道的4位移相器，長度4.6 mm，DC～50 GHz插損小于1.2 dB[5]。

通常MEMS開關(guān)面積較大，懸臂梁的典型尺寸為100 μm×(20～200) μm，而晶體管為(0.15～1) μm×20 μm。但是射頻集成電路的尺寸主要取決于無源電路，而不是有源器件，故MEMS移相器與MMIC移相器的尺寸差別并沒有想象中那樣大。隨著MEMS技術(shù)的成熟，MEMS移相器尺寸還有望進(jìn)一步減小。

2.2 毫米波MEMS移相器

受惠于極低的損耗，毫米波MEMS移相器最受關(guān)注。Raytheon公司早年完成的4位開關(guān)傳輸線MEMS移相器，工作頻率32～36 GHz，插損1.8～3.0 dB，平均2.25 dB，封裝額外引入0.7～0.75 dB插損，驅(qū)動電壓45 V，尺寸10 mm×5 mm[7]。羅克威爾科技中心(Rockwell Scientific Center)研制的開關(guān)線實(shí)時(shí)延遲3位移相器，35 GHz處平均插損2.2 dB，芯片尺寸3.5 mm×2.6 mm[8]。

漢城大學(xué)研制的V頻段反射型MEMS移相器，采用空氣縫隙覆蓋型共面波導(dǎo)耦合，60 GHz處平均插損4 dB，尺寸1.5 mm×2.1 mm[9]。

Michigan大學(xué)研制的2位Ka頻段DMTL移相器，平均插損1.5 dB，21個(gè)分布式射頻開關(guān)尺寸8.4 mm×2.1 mm[10]。2位寬帶W頻段(75～110 GHz)移相器[11]，平均插損2.2 dB，24個(gè)射頻開關(guān)長度4.3 mm。

2.3 國內(nèi)射頻MEMS研究情況

國內(nèi)有多家單位在研究射頻MEMS開關(guān)、MEMS移相器/傳感器及其應(yīng)用，如華東師范大學(xué)、南京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國電子科技集團(tuán)公司第十三、五十五研究所等。

南京理工大學(xué)開展了毫米波MEMS天線陣列基礎(chǔ)技術(shù)研究，采用0/π移相器，Ka頻段器件尺寸為2.6 mm×2.1 mm×0.2 mm[12]。

中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所與南京大學(xué)開發(fā)的5位開關(guān)線MEMS移相器[13]，采用三端口RF MEMS開關(guān)，尺寸為7 mm×4 mm，X頻段平均插損3.6 dB，移相誤差小于5°。

2.4 射頻MEMS改進(jìn)

1990年代末期，鑒于射頻MEMS開關(guān)的巨大優(yōu)點(diǎn)以及移相器芯片研發(fā)獲得初步成功，人們對MEMS應(yīng)用期望非常高。1999年，美國國防部高級研究計(jì)劃署(DARPA)發(fā)起了可重構(gòu)孔徑與基于MEMS移相器的Ka導(dǎo)引頭研究[14]。由于MEMS技術(shù)尚不成熟，沒有成功，主要原因是：當(dāng)時(shí)射頻MEMS開關(guān)的壽命約1億次，對于大多數(shù)雷達(dá)應(yīng)用來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠；工藝技術(shù)不夠穩(wěn)定成熟，MEMS移相器一致性差；密封封裝技術(shù)更加不成熟，封裝成本很高。

隨后DARPA發(fā)起了RF MEMS改進(jìn)項(xiàng)目：研究RF MEMS開關(guān)模型，開發(fā)封裝技術(shù)，改進(jìn)移相器、可變延遲線與可調(diào)濾波器。MEMS開關(guān)改進(jìn)的一些目標(biāo)如表1所示[14]。

表1 射頻MEMS開關(guān)改進(jìn)的目標(biāo)

2007年文獻(xiàn)[15]報(bào)道，射頻MEMS開關(guān)壽命達(dá)到9 000億次，封裝后尺寸1.5 mm×1.5 mm；X頻段插損0.25 dB， 0～40 GHz插損小于0.5 dB；開關(guān)時(shí)間5 μs[16]。

3 射頻MEMS的相控陣系統(tǒng)應(yīng)用

射頻MEMS器件可應(yīng)用于天線單元、陣列天線、移相器、信道開關(guān)、濾波器、振蕩器等各個(gè)環(huán)節(jié)。由于在插損、成本、功耗方面的明顯優(yōu)勢，射頻MEMS技術(shù)能夠顯著提高系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)系統(tǒng)，大幅度降低成本。以移相器為例，其性能、成本比較如表2所示。

表2 四位移相器性能成本比較

3.1 提高系統(tǒng)性能

二維相控陣，特別是機(jī)載、彈載與星載相控陣系統(tǒng)，由于技術(shù)指標(biāo)要求高，重量、功耗與成本嚴(yán)格控制，鐵氧體甚至PIN二極管移相器都被排除在應(yīng)用之外，因前者重量與成本高，后者功耗大。如果用MEMS移相器置換GaAs MMIC移相器，可以顯著提高系統(tǒng)性能。

在X與Ka頻段，MEMS移相器的插損比MMIC移相器通常要低3 dB以上，采用線性功放的有源相控陣，其功率孔徑積就提高了3 dB，雷達(dá)作用距離提高19%；對于無源相控陣，其噪聲系數(shù)還改善了3 dB，雷達(dá)作用距離提高41%。

NASA研究了在天基相控陣通信系統(tǒng)中，GaAs MMIC移相器用MEMS移相器置換以后，即使接收天線直徑減半，通信數(shù)據(jù)率也可以提高1倍[6]。

采用飽和功放的有源相控陣，維持相同的發(fā)射功率，功放芯片的增益可以減小3 dB，可減小GaAs芯片面積與功率消耗，同時(shí)也降低了對散熱冷卻系統(tǒng)的要求。如果T/R組件能夠省卻一個(gè)放大級，則每個(gè)陣元減少直流功耗20 mW到數(shù)百毫瓦。天基大型相控陣列的陣元數(shù)多達(dá)105量級，整個(gè)系統(tǒng)的功耗、重量與成本改善是很可觀的。

在收/發(fā)MMIC芯片中，用MEMS單刀雙擲開關(guān)取代電子開關(guān)，能夠提高T/R芯片的收發(fā)隔離度、工作帶寬、接收與發(fā)射增益，降低噪聲系數(shù)。圖1是Rockwell開發(fā)的Ka頻段PHEMT MMIC T/R芯片，集成了射頻MEMS開關(guān)。26～30 GHz發(fā)射增益22 dB，18～25 GHz接收增益22 dB，隔離度大于50 dB，發(fā)射功率50 mW，尺寸4.0 mm×2.4 mm[17]。

圖1 集成MEMS開關(guān)的Ka頻段收/發(fā)MMIC芯片

3.2 可重構(gòu)系統(tǒng)

在復(fù)雜的電磁對抗環(huán)境中，寬帶與自適應(yīng)(方向圖、工作頻率、增益、發(fā)射功率、極化等)陣列尤其受到重視。射頻MEMS開關(guān)的插損小(0.1 dB)、工作頻帶寬(1～40 GHz)、功耗低(～10 μW)，是實(shí)現(xiàn)寬帶與自適應(yīng)(可重構(gòu))的理想器件。

可重構(gòu)系統(tǒng)的研究領(lǐng)域包括增益、帶寬、功率等可調(diào)的低噪聲放大器、功放與濾波器[18-19]；可重構(gòu)功分器[20]；指向可變的天線單元[1]；天線單元的形狀尺寸重構(gòu)；可重構(gòu)饋線；混合結(jié)構(gòu)的封裝。

DARPA曾經(jīng)發(fā)起的可重構(gòu)孔徑項(xiàng)目(RECAP)，目標(biāo)是研制一個(gè)10倍頻程的相控陣天線[14]。超過12家合同商都研發(fā)了創(chuàng)新的MEMS應(yīng)用技術(shù)，但因?yàn)楫?dāng)時(shí)RF MEMS技術(shù)不成熟，沒有獲得成功。2003年結(jié)題時(shí)，該項(xiàng)目最大的成果卻是不需要系統(tǒng)重構(gòu)就實(shí)現(xiàn)了超寬帶掃描。

Georgia Tech Research Institute(GTRI)使用MEMS開關(guān)調(diào)整輻射陣元的諧振頻率，雖然瞬時(shí)帶寬窄，但是可以在0.8～2.5 GHz范圍內(nèi)調(diào)諧。Mission Research Corporation開發(fā)了一個(gè)緊耦合的偶極子陣列，演示了7：1的工作帶寬，不需要MEMS開關(guān)就能掃描60°×25°。Raytheon公司開發(fā)了一個(gè)雙極化的喇叭槽陣列，測試了1.8～18 GHz的帶寬，每個(gè)陣元都使用了各種固定時(shí)間延遲線。

RECAP最后卻引發(fā)了疑問：誰會用到7：1或10：1的工作帶寬？陣列的發(fā)射帶寬不僅受硬件的限制，還受到頻率分配標(biāo)準(zhǔn)的約束：單功能應(yīng)用(如雷達(dá))連續(xù)分配的頻率不會超過20%，10倍頻程應(yīng)用也僅限于接收陣列。

雖然如此，人們對超寬帶陣列仍然興趣不減， GTRI還在開發(fā)帶寬33：1(潛力100：1)的陣列天線[21]。

3.3 低成本無源子陣

射頻MEMS器件能夠降低相控陣系統(tǒng)的成本，除了器件自身的成本很低，還降低了系統(tǒng)的重量功耗等因素，最引人矚目的原因是在有源相控陣系統(tǒng)中應(yīng)用無源子陣。

MEMS移相器插損很低，若移相器前置到輻射陣元之后，若干個(gè)陣元可以共用一個(gè)T/R組件。如圖2所示，2元子陣可以節(jié)省50%的TR組件；4陣元的子陣節(jié)省75%的T/R組件?？紤]到功分/合成網(wǎng)絡(luò)的損耗，8元以上的子陣要仔細(xì)斟酌。

圖2 有源相控陣與基于無源子陣的混合型相控陣

基于MEMS移相器的無源子陣在天基大型陣列應(yīng)用中很有優(yōu)勢，不僅成本而且整個(gè)系統(tǒng)功耗也大大降低[22]。

Ka～W頻段采用反射陣只需要一個(gè)T/R組件，即使每個(gè)陣元必須再使用放大器而成為有源反射陣，也因?yàn)镸EMS移相器損耗低，對放大器的增益要求不高，GaAs放大器芯片面積小，功耗低，還是能節(jié)省很多成本。

美國的低成本巡航導(dǎo)彈防御計(jì)劃的一個(gè)研究方向是基于MEMS移相器的電掃描導(dǎo)引頭[14]，工作頻率35 GHz，口徑152.4 mm，672個(gè)陣元，目標(biāo)成本是4萬美元。雖然沒有成功，但為后續(xù)研究開辟了道路。

2008年美陸軍研究實(shí)驗(yàn)室報(bào)告測試了一個(gè)Ku頻段2位MEMS移相的1×8實(shí)驗(yàn)線陣。

4 MEMS相控陣系統(tǒng)實(shí)例與方案

經(jīng)過一段時(shí)間的沉寂，隨著技術(shù)的進(jìn)步，射頻MEMS在相控陣系統(tǒng)上的應(yīng)用再度受到關(guān)注。

4.1 X頻段系統(tǒng)

Radant透鏡是塊移相器，用二極管開關(guān)控制行列陣元之間的相位梯度。用射頻MEMS開關(guān)代替電子開關(guān)，可以顯著節(jié)省透鏡天線的成本、功耗與重量，擴(kuò)展帶寬。

在空軍研究實(shí)驗(yàn)室和DARPA的支持下，Radant Technologies公司研制了一個(gè)X頻段0.4 m2的Radant MEMS電掃描透鏡天線(見圖3(a)), 并在洛馬公司用AN/APG-67雷達(dá)進(jìn)行了目標(biāo)檢測實(shí)驗(yàn)[15]。

該透鏡天線使用了25 000個(gè)MEMS開關(guān)；E面掃描±60°，1 GHz帶寬；4位相位控制，峰值副瓣電平-20 dB；天線射頻損失～1.25 dB。設(shè)計(jì)的8 m2MEMS電掃描天線重188 kg。

針對大型天基相控陣應(yīng)用，加拿大學(xué)者設(shè)計(jì)了瓦片式集成結(jié)構(gòu)，每個(gè)8×8子陣，由天線、移相器與功分器、T/R組件3層瓦片組成[23]。其中，3位MEMS移相器與功分器垂直無孔集成在一個(gè)雙面晶圓上，如圖3(b)所示。開關(guān)線移相器采用4個(gè)級聯(lián)的SP3T開關(guān)，插損2.5±0.2 dB，移相誤差±6°。該集成芯片尺寸22 mm×11 mm，152.4 mm的晶圓可以布置64個(gè)。

(a)X頻段Radant MEMS電掃描天線

(b)集成了MEMS移相器與功分器的芯片

4.2 Ka頻段系統(tǒng)

瑞典與芬蘭的學(xué)者提出在小型無人機(jī)上(僅提供50 W電源功率)應(yīng)用低成本的Ka頻段多功能電掃描共形陣列天線，完成防撞、SAR/GMTI和數(shù)據(jù)鏈功能[24]。采用無源子陣技術(shù)，4×4陣元一個(gè)T/R組件，共1 728個(gè)陣元。設(shè)計(jì)的4位MEMS移相器，低兩位用加載線，高兩位用開關(guān)延遲線，插損要求低于2 dB。

德國學(xué)者提出Ka頻段自適應(yīng)波束形成相控陣導(dǎo)引頭方案：采用4位加載線MEMS移相器，三角形柵格布陣。演示驗(yàn)證規(guī)模256個(gè)陣元，并已經(jīng)測試了1×8線陣[25]，如圖4所示。

圖4 Ka頻段MEMS移相1×8線陣

Michigan大學(xué)研制了一個(gè)8陣元的晶圓級集成相控陣[26]，如圖5(a)所示。該實(shí)時(shí)延遲無源電掃陣列，采用分布式傳輸線時(shí)間延遲單元，每個(gè)單元60個(gè)射頻MEMS變?nèi)荻O管，最大延遲時(shí)間280 ps，實(shí)現(xiàn)360°移相，控制電壓24 V。陣列陣元間距4.74 mm，設(shè)計(jì)頻率38 GHz。陣列增益10 dBi，噪聲系數(shù)6 dB，最大發(fā)射功率4 W，最小切換時(shí)間4 μs。

針對陸軍“動中通”衛(wèi)星通信應(yīng)用，美陸軍研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一個(gè)16元的Ka頻段MEMS電掃描演示陣列[27]，如圖5(b)所示。該陣列采用共面波導(dǎo)縫隙耦合貼片天線，在RT/Duroid 6010基片上集成了功分器與Raytheon公司的4位MEMS移相器，移相器偏置電壓35～40 V。該線陣尺寸100 mm×100 mm。

(a)3英寸晶圓上的8元MEMS集成相控陣

(b)16元MEMS電掃描陣列

5 結(jié)束語

毫米波相控陣系統(tǒng)陣元間距小，功放效率低，目標(biāo)成本低；天基應(yīng)用的大型相控陣系統(tǒng)陣元數(shù)眾多，經(jīng)典的GaAs有源相控陣面臨成本、功耗、散熱等一系列困難，射頻MEMS器件功耗低，插損小，給此類相控陣系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來新的解決方案。

據(jù)稱，2011年全球MEMS市場將沖擊100億美元?？梢灶A(yù)期，就像民用無線通信促進(jìn)了軍用微電子技術(shù)的發(fā)展一樣，民用MEMS技術(shù)的快速發(fā)展，也會促進(jìn)軍用射頻MEMS技術(shù)的應(yīng)用，甚至給軍事技術(shù)帶來革命性的突破。

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