0 序言

       近年來(lái)隨著射頻微機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，MEMS移相器越來(lái)越受到人們廣泛關(guān)注，已經(jīng)成為人們主要研究的MEMS器件之一。與傳統(tǒng)的移相器相比，MEMS移相器多采用半導(dǎo)體材料作襯底，用微機(jī)械加工技術(shù)制備，具有頻帶寬、損耗小、成本低、超小型化、易于與IC、MMIC電路集成等優(yōu)點(diǎn)，因此在微波及毫米波控制電路中具有廣泛的應(yīng)用前景。美國(guó)密歇根大學(xué)的Barker博士通過(guò)在共面波導(dǎo)上周期加載MEMS 金屬橋的方法，首先實(shí)現(xiàn)了毫米波段寬頻帶的MEMS移相器，如圖1 所示,它的基本原理是通過(guò)改變MEMS 金屬橋的高度來(lái)改變傳輸路徑上的相移常數(shù)，從而達(dá)到改變相移的目的。本文基于電容耦合式MEMS開(kāi)關(guān)，設(shè)計(jì)出一種90° 分布式MEMS移相器。

1 分布式MEMS移相器的工作原理

        分布式MEMS移相器的基本設(shè)計(jì)思想是在共面波導(dǎo)上周期性的加載有高電容比率的MEMS可動(dòng)薄膜橋，從而增加共面波導(dǎo)與地之間的分布電容，使共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)成為一個(gè)慢波系統(tǒng)，起到相位延遲的作用【3】。在線(xiàn)上施加一個(gè)直流偏壓，可以改變分布式電容，引起傳輸線(xiàn)參數(shù)的變化，從而改變電磁波的相位。相移量大小由MEMS單元電容的比率( )和傳輸線(xiàn)自身電容所決定。分布式MEMS移相器工作在移相時(shí)的等效電路圖如圖2所示【4】。

          1 C 和1 L 分別是CPW傳輸線(xiàn)的分布電容和電感。

        則特性阻抗為:

         相速度為：

2 Ka 波段下90°分布式MEMS 移相器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

        設(shè)計(jì)指標(biāo)：通帶34－38GHz，帶內(nèi)衰減小于0.5dB，起伏小于0.4dB，S(21)的相移在85°到95°之間。反射損耗在36GHz 頻率上小于-20dB。

        通過(guò)在共面波導(dǎo)信號(hào)線(xiàn)上貼敷低介電常數(shù)的薄層絕緣介質(zhì)，使得MEMS金屬橋與共面波導(dǎo)信號(hào)線(xiàn)在“關(guān)”態(tài)下形成MIM電容的方法，實(shí)現(xiàn)了提高“關(guān)”“開(kāi)”兩種狀態(tài)下的電容比，從而提高了單位長(zhǎng)度上的相移量。同時(shí),該結(jié)構(gòu)也避免了因?yàn)閱蝹€(gè)橋下落到信號(hào)線(xiàn)上造成短路而使移相器失效的問(wèn)題【5】。

        從小型化等效電路出發(fā)，該移相器工作在移相時(shí)的仿真原理圖如圖3所示：

        圖4-6是使用ADS計(jì)算得出的仿真結(jié)果。

        由以上三個(gè)圖可以看出移相器的損耗在-1dB以?xún)?nèi),在中心頻率36GHz的反射系數(shù)小于-20dB,插入損耗大于-0.042dB,中心頻率時(shí)相移為90°，相移精度±5° 以?xún)?nèi)。而且這種分布式MEMS移相器仍然可以在較寬的頻帶內(nèi)獲得良好的線(xiàn)性度.。

        優(yōu)化得出W＝19 μm,L=134 μm，C=25 fF 。
        下面通過(guò)ADS 優(yōu)化得出電容的尺寸。通過(guò)來(lái)設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。我們都知道這個(gè)公式：

        由此算得出的值。得到了這個(gè)值便可以?xún)?yōu)化出了電容幾何尺寸的最佳值了。

        由ADS計(jì)算得出電容幾何尺寸為：W= 0.18mm,L= 1.63mm (7)

3 結(jié)語(yǔ)

        分布式MEMS移相器的發(fā)展是越來(lái)越快了，在傳統(tǒng)的分布式MEMS移相器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,使用在共面波導(dǎo)信號(hào)線(xiàn)和MEMS金屬橋之間貼敷低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)的方法,實(shí)現(xiàn)了兩種工作狀態(tài)下的高電容比,從而提高了單位長(zhǎng)度的相移量。本文中我著重從小型化等效電路出發(fā)，分析了最簡(jiǎn)單的一種設(shè)計(jì)方法，沒(méi)有考慮金屬的等效阻抗的一種理想的電路模型。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，移相器的反射損耗在通帶4GHz內(nèi)小于-20dB，插入損耗大于-0.044dB，為了達(dá)到90°的相移量，只需3個(gè)MEMS金屬橋即可。這大大縮小了移相器的總體尺寸,提高了工作的可靠性。