一種新型螺旋形分布式RF MEMS移相器的設計

張曉桐，董自強，張 松，胡天宇，苗 峻，李 旭，朱 林，唐立赫，王大宇

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

由于RF MEMS微波器件的優(yōu)良特性[1-6]，應用于移相器的研究逐漸增多[7-12]，尤其對于分布式RF MEMS移相器的研究更為廣泛[13]。

高楊等[14]利用19個MEMS開關，采用CPW傳輸線，按折疊布局，設計平面面積1.81 mm×3.84 mm的分布式MEMS移相器，在Ka波段的插入損耗均小于0.8 dB，回波損耗均大于15 dB，相移誤差小于0.4°。Das A等[15]利用30個MEMS開關膜橋及兩端的固定電容，設計4位分布式RF MEMS移相器，在15 GHz工作頻率下，插入損耗小于0.88 dB，回波損耗大于4.12 dB，相移誤差小于2.29°。Dey S等[16]利用62個MEMS開關及其兩端的金屬—空氣—金屬電容，設計平面面積19.4 mm2的5位分布式RF MEMS移相器，在8～12 GHz工作頻率下，平均插入損耗為4.72 dB，回波損耗大于12 dB，相移誤差小于3.2°。

分布式RF MEMS移相器結構簡單，損耗較??；但開關數(shù)量影響其面積，使制造難度及成本增加；同時工作頻率皆低于40 GHz。而當微波通信系統(tǒng)的工作頻率達到40 GHz及以上，尤其是超過100 GHz時，常規(guī)傳輸線和波導由于阻抗不匹配等原因，會造成急劇增加的金屬損耗[17-19]，且會產(chǎn)生信號衰減、反射和干涉等信號畸變現(xiàn)象。

由于現(xiàn)有的RF MEMS移相器還存在工作頻率低、相移精度低、MEMS開關數(shù)量多、平面面積大、損耗大、制造難度大及成本高的問題，還不能完全滿足相控陣雷達系統(tǒng)的需求。因此對RF MEMS移相器的改進存在必要性。針對上述問題進行了結構創(chuàng)新，以獲得高工作頻率、小體積、高精度和低損耗的分布式RF MEMS移相器。

1 螺旋形分布式RF MEMS移相器結構設計

傳統(tǒng)的分布式RF MEMS移相器所有MEMS開關并排排列，其長寬比過大，導致器件易脆，可靠性較低；同時，這種結構包含MEMS開關數(shù)量多，對制作工藝的要求更高，并且其面積較大，無法滿足現(xiàn)在對于微波器件易集成、小體積的要求。

針對傳統(tǒng)分布式RF MEMS移相器所存在的問題，提出了一種新型的5位螺旋形分布式RF MEMS移相器，結構模型如圖1所示。提出的移相器采用共用CPW地線的螺旋狀布線結構，同時具有高工作頻率、高可靠性、低功耗、小型化、低成本、可保證高頻信號完整性和易于移相位數(shù)增加的優(yōu)點。

圖1 螺旋形分布式RF MEMS移相器結構模型

這種螺旋狀布線方式是CPW左右地線、信號線全部螺旋布于RF MEMS移相器基板上[20]，其中CPW信號線的內(nèi)圈和外圈共用CPW右地線。該結構有效減少了基板面積，降低了制造成本，提高了器件可靠性。同時采用圓形CPW信號線，阻抗匹配良好，傳輸功率大，在高頻時可以保證微波信號的完整性，并且在CPW信號線的內(nèi)圈與外圈連接處設有拐角，這是為了提高信號線阻抗匹配的良好性，使螺旋形分布式RF MEMS移相器在40 GHz及以上的頻段內(nèi)正常工作。

RF MEMS移相器的MEMS開關組包含31個電容式MEMS開關，每個MEMS開關的兩端通過錨點跨接于CPW左地線與CPW右地線上，且位于CPW信號線上方。5個開關單元分別對應1，2，4，8，16個MEMS開關，并可以實現(xiàn)11.25°，22.5°，45°，90°，180°的相移。通過對5位相位變化的兩兩組合或多個組合，可以獲得步長為11.25°的31種相位變化。

2 尺寸參數(shù)及電學參數(shù)分析

2.1 CPW尺寸參數(shù)

在CPW尺寸選擇過程中，應考慮移相器整體面積和制作成本，以獲得更優(yōu)結果。為了獲得合適的CPW尺寸參數(shù)，利用ADS中Linecalc模塊進行計算。本文所設計RF MEMS移相器的CPW參數(shù)為：基板材料為高阻硅，其介電常數(shù)εr為11.9，未加載負載傳輸線的特征阻抗Z0為65 Ω，CPW信號線和地線的厚度T為1 μm，CPW基板的厚度H為500 μm，CPW信號線的寬度W為100 μm，CPW信號線和地線的間距G為148.5 μm。

2.2 RF MEMS開關尺寸參數(shù)

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，在ADS軟件中，設置2組數(shù)據(jù)：第1組為CPW信號線寬度為70 μm，CPW信號線和地線間距為109 μm；第2組為CPW信號線寬度為100 μm，CPW信號線和地線間距為148.5 μm。對2組CPW結構進行仿真分析，得到CPW尺寸對于MEMS開關性能的影響。2個不同CPW結構的插入損耗與回波損耗對比如圖2所示，相移變化對比如圖3所示。

圖2 不同CPW結構的MEMS開關損耗對比

由圖2可以看出，在整個工作頻率范圍內(nèi)，第2組插入損耗S21略大于第1組插入損耗S21，均小于0.04 dB；回波損耗S11的數(shù)據(jù)較為接近，均大于25 dB。2組數(shù)據(jù)表明所設計的MEMS開關具有良好的S參數(shù)，較低的損耗。

圖3 不同CPW結構的MEMS開關相移對比

由圖3可以看出，采用不同CPW結構的MEMS開關的相移變化量十分相近。雖然第1組數(shù)據(jù)所得到的RF MEMS移相器的尺寸相對第2組較小，但在設計過程中，考慮制作工藝、制作難度和成本等因素，本文設計的CPW信號線寬度為100 μm，CPW信號線和地線間距為148.5 μm。

2.3 下拉電壓的仿真分析

MEMS開關的下拉電壓與MEMS開關膜橋的寬度、厚度、長度和膜橋高度等參數(shù)相關，過高的下拉電壓會導致MEMS開關失效。

在不同的MEMS開關膜橋厚度下，下拉電壓隨著MEMS開關膜橋長度的變化曲線如圖4所示。

圖4 膜橋長度、厚度對下拉電壓的影響

由圖4可以看出，當MEMS開關膜橋長度為400 μm時，膜橋厚度為0.7，1.5，2.4 μm的MEMS開關下拉電壓n42，n40，n38為36.9，54.0，68.3 V；當MEMS開關膜橋長度為600 μm時，MEMS開關的下拉電壓n43，n41，n39為30.1，44.1，55.7 V。當MEMS開關膜橋厚度相同時，下拉電壓隨著MEMS開關膜橋長度的增加而降低；當MEMS開關膜橋長度相同時，MEMS開關膜橋厚度越大，需要的下拉電壓越大。

在不同的CPW信號線寬度下，下拉電壓隨著MEMS開關膜橋長度的變化曲線如圖5所示。

圖5 CPW信號線寬度對下拉電壓的影響

由圖5可以看出，當MEMS開關膜橋長度為400 μm時，CPW信號線寬度為100，70 μm的MEMS開關下拉電壓n58，n56為36.9，44.1 V；當MEMS開關膜橋長度為600 μm時，MEMS開關的下拉電壓n59，n57為30.1，36.0 V。當CPW信號線寬度相同時，下拉電壓隨著MEMS開關膜橋長度的增加而降低；當MEMS開關膜橋長度相同時，CPW信號線寬度越大，MEMS開關需要的下拉電壓越小。

在不同的CPW信號線寬度和MEMS開關膜橋長度下，下拉電壓隨著MEMS開關膜橋高度的變化曲線如圖6所示。

圖6 膜橋和CPW信號線的距離對下拉電壓的影響

由圖6可以看出，當MEMS開關膜橋高度為2 μm時，CPW信號線寬度為100，70 μm的MEMS開關下拉電壓n62，n60為15.5，30.0 V；當MEMS開關膜橋高度為4 μm時，MEMS開關的下拉電壓n63，n61為43.8，84.7 V。當CPW結構相同時，下拉電壓隨著開關膜橋和CPW信號線的距離的增加而增加；當MEMS開關膜橋和CPW信號線的距離相同時，CPW結構面積越大下拉電壓越小。

2.4 布拉格頻率的仿真及分析

在ADS中建立31個MEMS開關單元串聯(lián)模型，設置不同的MEMS開關間距s參數(shù)，仿真獲得移相器最高工作頻率，同時可以得到布拉格頻率和MEMS開關間距s、MEMS開關數(shù)量的關系。設置MEMS開關間距s為100 μm，RF MEMS移相器的插入損耗和回波損耗仿真結果如圖7所示。

圖7 MEMS開關單元距離為100 μm的損耗

由圖7可以看出，RF MEMS移相器的插入損耗S21在拐點k7之前變化較小，在拐點k7之后隨著頻率的增大迅速減??；RF MEMS移相器的回波損耗S11在拐點k8之前大于5 dB，在拐點k8之后等于0 dB，這表示信號已經(jīng)全部反射，在此之后移相器失效，拐點的頻率值就是移相器的最高工作頻率。綜合開關尺寸及移相器尺寸的要求，設計開關間距s取120 μm，根據(jù)仿真結果，布拉格頻率為210 GHz。

2.5 RF MEMS開關的建模及仿真分析

為了減小MEMS開關的下拉電壓，采用低彈性系數(shù)的固支結構梁，這種結構梁彈性系數(shù)較小，可以減小壓膜阻尼，提高MEMS開關的響應速度。設置w0是MEMS開關膜橋固定端寬度，l0是MEMS開關膜橋方形孔的長邊長度。

在HFSS中建立MEMS開關模型，為了獲取MEMS開關膜橋?qū)挾鹊淖顑?yōu)值，設置膜橋?qū)挾葁為本地變量，取值為50～150 μm，對比單個開關的相移變化仿真值。MEMS開關開態(tài)和關態(tài)的相移仿真結果如圖8所示。

圖8 單個MEMS開關開態(tài)和關態(tài)的相移

由圖8可以看出，MEMS開關在開態(tài)和關態(tài)的相移量隨著MEMS開關膜橋的寬度w的增加而增加；在相同工作頻率下，MEMS開關膜橋的寬度w較大，相移量也較大。提取圖中40 GHz的MEMS開關的開態(tài)和關態(tài)的相移量，計算出同一MEMS開關膜橋?qū)挾?，開態(tài)和關態(tài)的相移量差值，如表1所示。

表1 單個MEMS開關在40 GHz的開、關態(tài)相移

膜橋?qū)挾?μm開態(tài)相移/(°)關態(tài)相移/(°)相移差值/(°)50-46.297 5 -53.207 6 6.910 1 60-46.723 6 -56.953 4 10.229 8 70-49.784 7 -59.059 8 9.275 1 80-51.062 0 -60.684 5 9.622 5 90-53.283 2 -66.765 6 13.482 4 100-54.953 5 -68.707 9 13.754 4 110-57.790 9 -69.314 2 11.523 3 120-59.573 4 -69.979 9 10.406 5 130-62.552 2 -74.607 9 12.055 7 140-62.992 0 -78.505 5 15.513 5 150-65.191 7 -79.989 8 14.798 1

MEMS開關膜橋在同一膜橋?qū)挾认麻_態(tài)和關態(tài)的相移差值，即為RF MEMS移相器中單個MEMS開關所獲得的相移量。對比11組數(shù)據(jù)，當MEMS開關膜橋?qū)挾葹?10 μm時，開關態(tài)相移差值為11.523 3°，是最接近11.25°的一組數(shù)據(jù)，因此MEMS開關膜橋?qū)挾冗x為110 μm。

3 螺旋形分布式RF MEMS移相器建模及仿真分析

模型選取的各個尺寸參數(shù)如表2所示。MEMS開關膜橋、CPW信號線、CPW地線皆選取金材料，基板選取高阻硅材料，介質(zhì)薄膜選取三氧化二鋁材料；根據(jù)RF MEMS移相器的結構，其模型的整體體積為2.6 mm×2.6 mm×0.505 mm，螺旋形分布式RF MEMS移相器模型如圖9所示。

表2 螺旋形分布式RF MEMS移相器結構參數(shù)

結構參數(shù)及對應值/μmMEMSwlw0l0ts開關膜橋11040051502120CPWWGTHg0g110015015002.50.1

圖9 螺旋形分布式RF MEMS移相器模型

在HFSS軟件中對螺旋形分布式RF MEMS移相器進行仿真分析。提取工作頻率為40 GHz的所有相移量值并計算相移精度，如表3所示，表中相移量含義為在HFSS中仿真獲得的相移量；精度的含義為仿真獲得相移量與設計目標的差值。

由表3中的數(shù)據(jù)可以看出，RF MEMS移相器的仿真相移量與設計相移量存在誤差，其中編號25的數(shù)據(jù)，RF MEMS移相器出現(xiàn)最大相移誤差值為3.72°。同時提取實現(xiàn)11.25°，22.5°，45°，90°，180°的RF MEMS移相器在40 GHz時插入損耗及回波損耗，分別為15.109 2/8.912 0 dB，14.227 1/9.905 3 dB，15.109 2/8.912 0 dB，13.243 9/11.667 9 dB，16.304 6/10.205 7 dB。

4 結束語

鑒于現(xiàn)有RF MEMS移相器不能完全滿足相控陣雷達系統(tǒng)在工作頻率、體積、功耗、相移量和成本等方面的需求，提出一種高工作頻率、小體積、高精度的5位螺旋形分布式RF MEMS移相器。雖然移相器在40 GHz的仿真結果與設計目標相移量的誤差在3.72°，但這種創(chuàng)新型的共面波導結構為之后分布式RF MEMS移相器的改進，提供了新的方向及新的思路。由于實驗條件和時間的限制，并沒有對RF MEMS移相器制作和測試，同時MEMS開關和螺旋形共面波導正對面積的推導也有待完善。近來新型復合材料發(fā)展迅速，為射頻微波器件也提供了新的發(fā)展方向。移相器在實際制作過程可以嘗試應用性能更為優(yōu)越復合材料，以降低RF MEMS移相器的損耗。