專利名稱：一種五位x波段移相器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子科學(xué)技術(shù)中的射頻通信及微電子機(jī)械加工領(lǐng)域，特別是涉及一種射頻微機(jī)電系統(tǒng)(RF MEMS)的五位X波段小型化移相器；該移相器可與各種X波段通信設(shè)備配套使用。
背景技術(shù)：
微波和毫米波移相器是電信和雷達(dá)中相控陣天線的關(guān)鍵組件，目前一般基于鐵氧體材料、PIN 二極管(positive-intrinsic negative diode)或場效應(yīng)晶體管(FET)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。鐵氧體材料移相器具有優(yōu)良的性能，但其制造成本昂貴，同時(shí)跟PIN 二極管或FET開關(guān)的移相器一樣消耗相對較大的直流功率。近年來，RF MEMS(射頻微機(jī)電系統(tǒng))移相器發(fā)展迅速，得到廣泛的關(guān)注。RF MEMS移相器是利用RF MEMS開關(guān)線性分布控制的一種移相器。相比較傳統(tǒng)的PIN 二極管或FET開關(guān)移相器，具有尺寸小、低功耗、高品質(zhì)因素、高線性度以及批量制作成本低等特點(diǎn)。但是普遍設(shè)計(jì)的分布式MEMS移相器都是由級聯(lián)的開關(guān)陣列構(gòu)成。例如在公開號為CN101694896A、發(fā)明名稱為《五位射頻微機(jī)電式移相器》就是由31個(gè)MEMS開關(guān)并列、順器件的軸線直線排列而成；因此，傳統(tǒng)的5位或者更多位的移相器由于其器件太長，因而存在強(qiáng)度及穩(wěn)定性相對較差、使用過程中容易損壞，應(yīng)用范圍也受到一定限制，同時(shí)此類移相器生產(chǎn)過程中封裝的難度和生產(chǎn)成本亦較高等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對背景技術(shù)存在的缺陷，研究設(shè)計(jì)一種五位X波段移相器，以達(dá)到器件結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，器件的強(qiáng)度及穩(wěn)定性高、插入損耗小、Q值大，可與各種X波段通信設(shè)備配套使用，以及降低生產(chǎn)過程中的封裝難度和生產(chǎn)成本等目的。本發(fā)明的解決方案是在背景技術(shù)基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將原CPW(Coplanar waveguide共面波導(dǎo))信號線順器件的軸線直線布置、MEMS開關(guān)相互并列沿CPW信號線排列，改為將CPff信號線回旋設(shè)置，采用23個(gè)MEMS開關(guān)，各開關(guān)與CPW信號線垂直、且沿CPW信號線相互間隔排列，以減小移相器的體積及縮短移相器器件的長度，提高其強(qiáng)度；為了降低轉(zhuǎn)角處磁場分布的突兀性變化對移相器性能的影響，將CPW信號線轉(zhuǎn)角的外角及與該外角所對CPff地線的內(nèi)角處、切去一等邊角，同時(shí)在各轉(zhuǎn)角處前、后兩端的CPW地線之間跨CPW信號線增設(shè)連接橋;MEMS電容仍采用MAM型(金屬-空氣-金屬)三層結(jié)構(gòu)電容。因此，本發(fā)明五位X波段移相器包括含CPW信號線、CPW地線及設(shè)于信號線上表面的絕緣層，MEMS開關(guān)梁及設(shè)于兩端的支撐板，MAM電容上極板、下極板及其支撐片在內(nèi)的元器件組成的MEMS開關(guān)組，偏置電極及其表面絕緣層，偏置電極正極和負(fù)極連接導(dǎo)線，上表面設(shè)有絕緣層的基板；關(guān)鍵在于該移相器為包含23個(gè)MEMS開關(guān)、5個(gè)直流加載電極組合而成的五位移相器，CPff信號線回旋式設(shè)于基板上、各MEMS開關(guān)梁與CPW信號線垂直、沿CPW信號線不等間距排列，且在CPW信號線各轉(zhuǎn)角處的外角切去一等邊角(倒角)，與此相應(yīng)在該外角所對CPW地線的內(nèi)角處相應(yīng)擴(kuò)展一等邊三角形面積的地線、以確保各轉(zhuǎn)角處CPW地線與CPW信號線的距離與其它部位相等，同時(shí)在各轉(zhuǎn)角處前、后兩端的CPW地線之間跨CPW信號線增設(shè)連接橋；CPW信號線以及MAM電容的下極板固定在基片的絕緣層之上，MAM電容的上極板通過支撐板固定在CPW傳輸線的地線上，MEMS開關(guān)梁通過其支撐板固定于MAM電容的下極板上，各連接橋通過其支撐板與CPW信號線兩側(cè)的CPW地線跨接，直流偏置電極直接與偏置電極正極電接頭連接，而MEMS開關(guān)梁則經(jīng)MAM電容下極板與偏置電極的負(fù)極連接。整個(gè)移相器采用微電子機(jī)械技術(shù)加工。上述CPW信號線回旋式設(shè)于基板上，CPW信號線上各回轉(zhuǎn)角均為直角。所述23個(gè)MEMS開關(guān)、5個(gè)直流加載電極組合而成的五位移相器，移相器相位變化依次為11.25°、22.5°、180°、90°和45°，共31種移向狀態(tài)。而所述MEMS開關(guān)梁、各MEMS開關(guān)梁正對CPW信號線部分為平板(實(shí)體)梁、而兩側(cè)則為中心開設(shè)矩形工藝孔的叉形梁，以方便加工時(shí)釋放MEMS開關(guān)梁下方的犧牲層。所述在CPW信號線各轉(zhuǎn)角處的外角切去一等邊角(倒角)，切去的等邊角兩邊的長均為CPW信號線寬度的1/2— I。
本發(fā)明CPW信號線由于采用直角回旋結(jié)構(gòu)設(shè)于基板上、并采用23個(gè)MEMS開關(guān)沿CPW信號線不等間距排列，從而有效縮短了器件的長度和面積；在CPW信號線回轉(zhuǎn)角的外角及與該外角所對CPW地線的內(nèi)角處均進(jìn)行倒角處理、同時(shí)在各轉(zhuǎn)角處前、后兩端的CPW地線之間跨CPW信號線均增設(shè)連接橋，以有效抑制寄生槽線模式、同時(shí)產(chǎn)生定值的電容值，消除MEMS開關(guān)梁在運(yùn)動(dòng)過程中帶來的不穩(wěn)定性，降低了轉(zhuǎn)角處因磁場分布的突變對移相器性能的影響；本發(fā)明與傳統(tǒng)五位X波段移相器相比其面積減少了近三分之一，同時(shí)提高了移相器的性能和穩(wěn)定性。因而本發(fā)明具有器件的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，強(qiáng)度及穩(wěn)定性高、插入損耗小、Q值大、移相精度高，以及可實(shí)現(xiàn)高精度、大批量加工，同時(shí)降低了生產(chǎn)過程中的封裝難度和生產(chǎn)成本等特點(diǎn)；本發(fā)明可與各種X波段通信設(shè)備配套使用。


圖I是本發(fā)明五位X波段移相器結(jié)構(gòu)示意圖(俯視圖)；圖2是圖I中S部位局部放大圖；圖3為A-A半剖視圖(放大圖);圖4是F部位局部放大立體圖。圖中，I.基板，1-1.基板絕緣層，2. CPW地線，3. CPW信號線，3-1. (CPW信號線)絕緣層，4. MAM電容，4-1. MAM電容上極板，4_2. MAM電容下極板，4_3. MAM電容支撐板，5. MEMS開關(guān)，5-1. MEMS開關(guān)梁，5-2. (MEMS開關(guān)梁)支撐板，6.偏置電極，6-1.(偏置電極)絕緣層，7-1.偏置電極負(fù)極連接導(dǎo)線，7-1-1.偏置電極負(fù)極電接頭，7-2.偏置電極正極連接導(dǎo)線，7-2-1.偏置電極正極電接頭，8.連接橋，9-1. CPW信號線電接頭，9-2. CPW地線電接頭。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明基板I (長X寬X厚)2. 68X1.45X0. 52mm)、材質(zhì)為硅，基板絕緣層1-1材質(zhì)為SiO2、厚度為I μ m ；CPff信號線3的寬度為50 μ m、兩側(cè)與CPW地線2之間的間距為106 μ m, CPff信號線3與CPW地線2的厚度均為2 μ m、材質(zhì)為銅(⑶)，(CPff信號線)絕緣層3-1厚為O. 5 μ m ；MAM電容上極板4_1、下極板4_2的長、寬分別為155 μ m及110 μ m、厚度為I.5 μ m，MAM電容的上極板4-1的高為2. 3 μ m ；MEMS開關(guān)5的高度為2. 3 μ m，通過支撐桿5-2固定在MAM電容下極板上，MEMS開關(guān)粱5_1的長為262 μ m、厚為O. 5 μ m、寬度為80 μ m,兩端矩形工藝孔寬為60ym;MEMS梁下方的偏置電極6 (長X寬X厚)為80X90X2 μ m，(偏置電極)絕緣層6-1材質(zhì)為SiO2、厚為O. 5μπι;偏置電極正極連接導(dǎo)線7-2設(shè)于基板I與基板絕緣層1-1之間；連接MAM電容下極板4-2的偏置電極負(fù)極連接導(dǎo)線7-1設(shè)于基片I的絕緣層1-1內(nèi)、以保證直流偏置的正、負(fù)極隔離，同時(shí)降低與射頻信號的串?dāng)_；連接橋8(長X寬X厚)為270 X 10 X 0.5 μ m、高度為2. 3um，通過支撐片與CPW信號線兩側(cè)的地線
2固，各轉(zhuǎn)角處所設(shè)兩連接橋8的軸線與轉(zhuǎn)角的角頂距離均為100 μ m ;本實(shí)施方式在CPW信號線3上各轉(zhuǎn)角處所切去等邊角兩邊的長各為40 μ m、而在；MEMS開關(guān)梁5_1與MAM電容的上極板4-1處于同一高度，其加工方法是采用微機(jī)械加工將上極板和開關(guān)梁整體制作、然后再進(jìn)行掩膜技術(shù)分離處理而成。 本實(shí)施方式所得五位X波段移相器工作時(shí)線性單元實(shí)現(xiàn)的是11. 25°的相位變化，而包含直角在內(nèi)的轉(zhuǎn)角單元實(shí)現(xiàn)的是22. 5°的相位變化；因?yàn)樵谵D(zhuǎn)角處的開關(guān)須保持相同的狀態(tài)即同時(shí)處于up態(tài)或者同時(shí)處于down態(tài)，所以該移相器相位變化依次為
II.25。,22.5° ,180°、90。和 45。，共 31 種移向狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種五位X波段移相器，包括含CPW信號線、CPW地線及設(shè)于信號線上表面的絕緣層，MEMS開關(guān)梁及設(shè)于兩端的支撐板，MAM電容上極板、下極板及其支撐片在內(nèi)的元器件組成的MEMS開關(guān)組，偏置電極及其表面絕緣層，偏置電極正極和負(fù)極連接導(dǎo)線，上表面設(shè)有絕緣層的基板；其特征在于該移相器為包含23個(gè)MEMS開關(guān)、5個(gè)直流加載電極組合而成的五位移相器，CPff信號線回旋式設(shè)于基板上、各MEMS開關(guān)梁與CPW信號線垂直、沿CPW信號線不等間距排列，且在CPW信號線各轉(zhuǎn)角處的外角切去一等邊角(倒角)，與此相應(yīng)在該外角所對CPW地線的內(nèi)角處相應(yīng)擴(kuò)展一等邊三角形面積的地線、以確保各轉(zhuǎn)角處CPW地線與CPW信號線的距離與其它部位相等，同時(shí)在各轉(zhuǎn)角處前、后兩端的CPW地線之間跨CPW信號線增設(shè)連接橋；CPW信號線以及MAM電容的下極板固定在基片的絕緣層之上，MAM電容的上極板通過支撐板固定在CPW傳輸線的地線上，MEMS開關(guān)梁通過其支撐板固定于MAM電容的下極板上，各連接橋通過其支撐板與CPW信號線兩側(cè)的CPW地線跨接，直流偏置電極直接與偏置電極正極電接頭連接，而MEMS開關(guān)梁則經(jīng)MAM電容下極板與偏置電極的負(fù)極連接。
2.按權(quán)利要求I所述五位X波段移相器，其特征在于所述CPW信號線回旋式設(shè)于基板上，CPff信號線上各回轉(zhuǎn)角均為直角。
3.按權(quán)利要求I所述五位X波段移相器，其特征在于所述23個(gè)MEMS開關(guān)、5個(gè)直流加載電極組合而成的五位移相器，該移相器相位變化依次為11.25°、22.5°、180°、90°和45°，共31種移向狀態(tài)。
4.按權(quán)利要求I所述五位X波段移相器，其特征在于所述MEMS開關(guān)梁、各MEMS開關(guān)梁兩正對CPW信號線部分為平板梁、而兩側(cè)則為中心開設(shè)矩形工藝孔的叉形梁。
5.按權(quán)利要求I所述五位X波段移相器，其特征在于所述在CPW信號線各轉(zhuǎn)角處的外角上切去一等邊角，切去的等邊角兩邊的長均為CPW信號線寬度的1/2-1。
全文摘要
該發(fā)明屬于與X波段通信設(shè)備配套用五位X波段移相器。包括含回旋式設(shè)于基板上且在各轉(zhuǎn)角處的外角進(jìn)行倒角處理的CPW信號線及其絕緣層、CPW地線，MEMS開關(guān)梁及支撐板，MAM電容上、下極板及其支撐片在內(nèi)的元器件組成的MEMS開關(guān)組，在各轉(zhuǎn)角處前、后兩端的CPW地線之間跨CPW信號線設(shè)有連接橋，以及偏置電極及其絕緣層，偏置電極正極和負(fù)極連接導(dǎo)線，上表面設(shè)有絕緣層的基板；該發(fā)明較傳統(tǒng)五位X波段移相器相的面積減少了近三分之一，同時(shí)提高了移相器的性能和穩(wěn)定性。因而具有器件的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，強(qiáng)度及穩(wěn)定性高、插入損耗小、Q值大、移相精度高，以及可實(shí)現(xiàn)高精度、大批量加工，同時(shí)降低了生產(chǎn)過程中的封裝難度和生產(chǎn)成本等特點(diǎn)。
文檔編號H01P1/18GK102820499SQ201210254180
公開日2012年12月12日 申請日期2012年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月23日
發(fā)明者鮑景富, 何月, 杜亦佳, 蔣俊文 申請人:電子科技大學(xué)