Ka波段0/Π MEMS移相器

报道了一种Ka波段实时延MEMS移相器芯片。该移相器基于开关线式移相器设计原理,集成了4个MEMS三端口直接接触式毫米波开关单元,使用共面波导(CPW)传输线,利用阶梯阻抗的方式实现传输线拐角和CPW空气桥结构的传输线阻抗匹配。芯片采用RF MEMS表面牺牲层工艺制作在400μm厚的高阻硅衬底上,面积为1.4 mm×2.8 mm。测试显示,在34~36 GHz频率范围内,相移误差3.2°,插入损耗2 dB,反射损耗小于-15 dB。     

电阻率对硅衬底微波传输特性影响分析

针对传统硅衬底介质损耗大的现象,通过软件电磁仿真手段分析不同电阻率硅衬底上微带线的传输特性,系统研究电阻率变化对硅衬底微波传输特性的影响,并与基于MEMS三维加工的低阻硅衬底进行比较。在30 GHz频率范围内,当硅衬底电阻率从10Ω·cm提升至4 000Ω·cm时,微带线插入损耗从20 dB/cm降低至0.6 dB/cm。电阻率大于100Ω·cm的高阻硅衬底微波传输特性优于带MEMS空腔的10Ω·cm低阻硅衬底。结果表明提升电阻率可有效降低硅衬底微波传输损耗,结合低成本成熟工艺等优点,高阻硅衬底具有广阔的微波集成应用前景。     

基于MEMS技术的射频移相器

微波与毫米波移相器是通讯和雷达应用上相控阵天线的基本单元，MEMS技术的引入提供了一个在移相器设计中用最小损耗的开关来大量减少移相器插入损耗的方法，该方法可以降低器件的功耗，改善插入损耗、隔离度、频带宽度等性能。相比于GaAs移相器，基于MEMS开关的射频移相器，无论是开关线型、分布式或是反射型，都有很好的RF性能。     

硅MEMS器件加工技术及展望

介绍了几种典型的硅基MEMS加工技术以及应用,并简单展望了MEMS加工技术发展趋势。硅基MEMS加工技术主要包括体硅MEMS加工技术和表面MEMS加工技术。体硅MEMS加工技术的主要特点是对硅衬底材料的深刻蚀,可得到较大纵向尺寸可动微结构,体硅工艺包括湿法SOG(玻璃上硅)工艺、干法SOG工艺、正面体硅工艺、SOI(绝缘体上硅)工艺。表面MEMS加工技术主要通过在硅片上生长氧化硅、氮化硅、多晶硅等多层薄膜来完成MEMS器件的制作,利用表面工艺得到的可动微结构的纵向尺寸较小,但与IC工艺的兼容性更好,易与电路实现单片集成。阐述了这些MEMS加工技术的工艺原理、优缺点、加工精度、应用等。提出了MEMS加工技术的发展趋势,包括MEMS器件圆片级封装(WLP)技术、MEMS工艺标准化、MEMS与CMOS单片平面集成、MEMS器件与其他芯片的3D封装集成技术等。     

交直流隔离的分布式MEMS移相器设计

设计了一种五位分布式微电子机械系统（MEMS）移相器,通过分析对比传统分布式MEMS移相器加载直流偏置的两种方式,提出了一种新的直流偏置的加载方式,能解决传统方式带来的交直流干扰和引线繁杂问题,同时工艺容易实现。采用ADS软件对移相器进行级联仿真,优化了微波性能参数,仿真得出移相器在35 GHz时移相精确度小于3°,移相器的插入损耗小于0.5 dB,回波损耗大于23 dB。给出了五位分布式MEMS移相器的工艺流程,同时验证了所设计加载直流偏置方式工艺简单的优势。     

一种K~D波段宽带射频MEMS开关设计

针对卫星通信、电子对抗及微波测试系统对开关提出的宽带宽、低插损、低功耗的应用需求,设计了一种K~D波段宽带射频MEMS开关。通过优化衬底材料和十字型上电极结构提高开关的带宽,降低开关的损耗。利用HFSS电磁波仿真软件对开关的几何参数进行优化计算。结果表明,所设计的射频MEMS开关可工作在18~188 GHz的频带内,且插入损耗小于1.47 dB,隔离度大于20.12 dB,其整体体积约为0.75 mm³。此开关可与移相器、延时器、谐振器等结构集成,实现宽带且低损耗的射频可重构MEMS器件及系统,可用于新一代通信及微波测试等领域。     

分布式MEMS移相器桥高度与相移量的机电集成模型及应用

移相器是控制相控阵天线空间波束捷变的方向盘,其性能的优良决定着相控阵天线性能的高低。微机电系统(MEMS)移相器优势明显,但由于相控阵天线工作环境复杂,环境载荷会导致MEMS移相器结构变形,进而直接降低整个相控阵天线的性能。为此,该文研究MEMS移相器关键结构参数和电性能之间的耦合关系,将复杂环境要素对物理结构的影响传递到结构参数和电参数上,推导出分布式MEMS移相器的机电集成模型,并利用集成模型对变形MEMS移相器进行电性能快速评估和结构公差计算。仿真结果说明了集成模型的有效性和工程应用价值。     

新颖的衬底pn结隔离型硅射频集成电感

提出了一种新的减小硅集成电感衬底损耗的方法.这种方法是直接在硅衬底形成间隔的pn结隔离以阻止螺旋电感诱导的涡流.衬底pn结间隔能用标准硅工艺实现而不需另外的工艺.本文设计和制作了硅集成电路,测量了硅集成电感的S参数并且从测量数据提取了电感的参数.研究了衬底结隔离对硅集成电感的品质因素Q的影响.结果表明一定深度的衬底结隔离能够取得很好的效果.在3GHz,衬底pn结隔离能使电感的品质因素Q值提高40%.     

新颖的衬底pn结隔离型硅射频集成电感

提出了一种新的减小硅集成电感衬底损耗的方法 .这种方法是直接在硅衬底形成间隔的 pn结隔离以阻止螺旋电感诱导的涡流 .衬底 pn结间隔能用标准硅工艺实现而不需另外的工艺 .本文设计和制作了硅集成电路 ,测量了硅集成电感的 S参数并且从测量数据提取了电感的参数 .研究了衬底结隔离对硅集成电感的品质因素 Q的影响 .结果表明一定深度的衬底结隔离能够取得很好的效果 .在 3GHz,衬底 pn结隔离能使电感的品质因素 Q值提高4 0 % .     

微波MEMS移相器的特性分析与实现

从移相器的基本原理出发,分别介绍了开关线型、耦合器型和加载线型三种采用微机械加工技术制备而成的微波MEMS移相器的结构特点和工作原理。在此基础上,设计制备了CPW分布式加载线型MEMS移相器,并进行测试和分析,结果表明MEMS移相器较传统的移相器有微型化、低损耗、低成本、宽带等突出优点。     

A 2-bit RF MEMS phase shifter in a thick-film BGA ceramic package

The development of a thick-film hermetic BGA package for a radio-frequency (RF) microelectromechanical systems (MEMS) 2-bit phase shifter is presented. The measured packaged MEMS phase shifter average in-band insertion loss was 1.14 dB with an average return loss of 15.9 dB. The package transition insertion loss was less than 0.1 dB per transition with excellent agreement between simulated and measured results. It was also demonstrated that the RF MEMS phase shift performance could be improved to obtain a phase error of less than 3.3 degrees. The first reported measurements of the average rise and fall times associated with a MEMS circuit (in this case a 2-bit phase shifter) were 26 and 70 /spl mu/s, respectively. The advent of packaged RF MEMS phase shifters will reduce the cost (both design and building) of future phase arrays.     

基于SP4T开关的4位MEMS开关线式移相器设计

设计了一款4位MEMS开关线式移相器,由SP4TMEMS开关和微带传输线构成,工作于X波段。单刀四掷(single pole 4throw,SP4T)开关用于切换两条不同电长度的信号通道,即参考相位通道和延迟相位通道。每个SP4T开关包含4个悬臂梁接触式RF MEMS串联开关。介绍了4位MEMS开关线式移相器的总体设计,并给出了其关键部件SP4T开关和相位延迟线的设计细节。采用ADS软件仿真分析了器件的电气性能。仿真分析得到:SP4T开关在中心频率10GHz处的回波损耗为-36dB,插入损耗约为0.18dB;移相器各相位的回波损耗均低于-15dB,插入损耗为-0.8～-0.4dB。这种射频MEMS移相器具有小型化、低功耗和高隔离度的优点。     

Distributed MEMS analog phase shifter with enhanced tuning

The design, fabrication, and measurement of a tunable microwave phase shifter is described. The phase shifter combines two techniques: a distributed capacitance transmission line phase shifter, and a large tuning range radio frequency (RF) microelectromechanical system (MEMS) capacitor. The resulting device is a large bandwidth, continuously tunable, low-loss phase shifter, with state-of-the-art performance. Measurements indicate analog tuning of 170/spl deg/ phase shift per dB loss is possible at 40 GHz, with a 538/spl deg/ phase shift per centimeter. The structure is realized with high-Q MEMS varactors, capable of tuning C/sub max//C/sub min/= 3.4. To our knowledge, this presents the lowest loss analog millimeter wave phase shifter performance to date.     

基于微机电系统开关的四位移相器设计

为了解决相控阵雷达小型化和低损耗的问题,设计了一个工作频率为2.2 GHz的射频微机电系统(MEMS)四位开关线型移相器。首先分析了直接接触式MEMS串联开关的插入损耗和隔离度,并得到仿真结果。在此基础上设计了基于该开关的移相范围为0~180o的四位移相器电路,相移量为12o每步。采用HFSS软件对其进行仿真,得到移相精确度、插入损耗和隔离度等关键结果,移相器工作在2.2 GHz时,隔离度大于20 dB,插入损耗小于1 dB。该设计与传统移相器相比体积更小,且具有更小的插入损耗和更大的隔离度。     

用于X波段移相器的RF MEMS开关设计

针对某片上集成开关线式MEMS移相器设计了一款串联接触式悬臂梁开关。该移相器要求结构紧凑,工作频段为X波段,工作电压低于27V。利用Ansoft HFSS软件仿真分析了开关关键结构参数对电磁性能的影响,包括传输线断开间距d,接触金属与传输线之间的垂直间距h,接触金属的宽度B,总结了各参数对开关电磁性能的影响趋势,确定了本设计中各结构参数的最优取值;利用MEMS CAD软件CoventorWare对初始设计的开关进行机电耦合仿真,确定了开关的详细结构参数。仿真结果表明,设计的串联接触式悬臂梁开关驱动电压约为18V;中心频率为10GHz时,开关闭合态回波损耗为0.02dB,隔离度为36dB,导通态下,插入损耗为0.028dB。     

A 2-bit miniature X-band MEMS phase shifter

The design and performance of a compact low-loss X-band true-time-delay (TTD) MEMS phase shifter fabricated on 8-mil GaAs substrate is described. A semi-lumped approach using microstrip transmission lines and metal-insulator-metal (MIM) capacitors is employed for the delay lines in order to both reduce circuit size as well as avoid the high insertion loss found in typical miniaturized designs. The 2-bit phase shifter achieved an average insertion loss of -0.70 dB at 9.45 GHz, and an associated phase accuracy of /spl plusmn/1.3/spl deg/. It occupies an area of only 5 mm/sup 2/, which is 44% the area of the smallest known X-band MEMS phase shifter . The phase shifter operates over 6-14 GHz with a return loss of better than -14 dB.     

Ka波段开关线型MEMS移相器的设计与研究

面向现代通信及相控阵雷达领域的需求,设计了一种移相间隔为22.5°的Ka波段4位开关线型射频MEMS移相器。主要对实现移相功能的四个移相单元进行了设计,采用台阶补偿技术优化移相单元上下通路分工选通,以提供最佳的阻抗匹配;采用直角转角结构,设计了可提高CPW直角性能的延迟线,并对应用该延迟线的4位开关线型移相器进行了总体设计。用HFSS进行建模仿真,结果表明,在0~40 GHz工作频段内,16个状态的插入损耗均小于2.15 dB,回波损耗均大于19.18 dB,驻波比均小于1.25,在40 GHz频点处的相移误差在1.57°以内,整体尺寸为10 mm²。     

Electromechanical coupling modelling of distributed MEMS phase shifter for phased array antennas

MEMS phase shifter has many advantages as the ‘steering wheel’ of phased array antenna beam steering. The deformation of mechanical structures of MEMS phase shifter influenced by the complex environmental factors, which became the biggest obstacle to further enhance the performance of phased array antennas. The electromechanical coupling model between the bridge height and phase shift of the distributed MEMS phase shifter is developed. The coupling model could be used to predict the phase error and determine the bridge height tolerance for the deformed MEMS phase shifter. The simulation results of four-bit distributed MEMS phase shifter with 15 bridges illustrate the validity of coupling model and demonstrate the application potential for engineering design and test.