1、引言

微波移相器是相控陣雷達、衛(wèi)星通信、移動通信設(shè)備中的核心組件，它的工作頻帶、插入損耗直接影響著這些設(shè)備的抗干擾能力和靈敏度，以及系統(tǒng)的重量、體積和成本，因此研究寬帶、低插損的移相器在軍事上和民用衛(wèi)星通信領(lǐng)域具有重要的意義。近年來，隨著RF MEMS開關(guān)的研究不斷取得進展，使MEMS開關(guān)替代傳統(tǒng)的鐵氧體開關(guān)、p-i-n二極管、FET，設(shè)計制造寬帶、低插損RF MEMS移相器成為可能。因此采用MEMS微波開關(guān)技術(shù)的單片集成RF MEMS移相器，具有較低的插入損耗、寬帶寬、小體積的特點，是實現(xiàn)上萬單元相控陣天線的關(guān)鍵技術(shù)，對衛(wèi)星組網(wǎng)技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略偵察、制導(dǎo)均有重要意義。

2、發(fā)展現(xiàn)狀

由于相控陣雷達、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域應(yīng)用的需要，RF MEMS移相器在國際上有眾多的研究者，工作頻段從幾GHz到上百GHz，采用的結(jié)構(gòu)有DMTL型、開關(guān)線型和反射型。

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1.1 DMTL型移相器

DMTL型移相器是DistributedMEMSTransmissionline的簡稱，其結(jié)構(gòu)和等效電路如圖1所示。它是在CPW傳輸線上周期性的加載一定電容比的并聯(lián)RF MEMS開關(guān)，在中心信號線和橋之間加驅(qū)動電壓，將改變CPW傳輸線的負載電容，從而改變傳輸線的特征阻抗和傳輸系數(shù)實現(xiàn)移相。

圖1、DMTL型移相器結(jié)構(gòu)和等效電路

DMTL型移相器是美國密歇根大學(xué)的N.ScottBarker^[1]在1998年11月第一次設(shè)計制造的，為一模擬移相器，它是通過表面MEMS工藝在500mm厚的石英襯底上制作帶有周期性MEMS橋電容的CPW傳輸線（W=G=100μm），驅(qū)動電壓為0~V_p，V_p為橋電容的下拉電壓。當(dāng)電壓在0~V_p間變化時，相移發(fā)生連續(xù)變化。測量結(jié)果顯示該移相器可在0~60GHz工作，在60GHz時相移118°，插損為-2dB，在40GHz時相移為84°，插損為-1.8dB，驅(qū)動電壓為10~23V。

2000年1月加州大學(xué)圣·巴巴拉分校的AndreaBorgioli等人^[2]采用MEMS橋和固定MIM電容串聯(lián)，以減少下態(tài)電容，實現(xiàn)了第一個1位數(shù)字DMTL移相器。該移相器驅(qū)動電壓為75V，在25GHz時相移為180°，插損為上態(tài)-0.98dB，下態(tài)-1.17dB，在35GHz時相移270°，插損為上態(tài)-1.07dB，下態(tài)-1.69dB，反射損失好于-11dB。

DMTL型移相器具有頻帶寬、插損小、純時延、工藝簡單的優(yōu)點，芯片尺寸較大，目前多在低介電常數(shù)襯底上制造，在高介電常數(shù)襯底上制造需繼續(xù)減小橋電容和間距以滿足布拉格頻率^[3]的要求。

2.1.2 開關(guān)線型MEMS移相器

開關(guān)線型MEMS移相器是通過RF MEMS開關(guān)，選擇不同的長度的信號路徑實現(xiàn)相移。雷訊實驗室的B.Pillans等人于1999年12月利用MEMS并聯(lián)電容耦合開關(guān)設(shè)計制造了3位、4位Ka波段開關(guān)線移相器^[4]。3位的平均插損是-1.7dB，4位的平均插損是-2.2dB，帶寬為32~36GHz，反射損失小于-10dB。驅(qū)動電壓45V。2002年G.L.Tan^[5]使用單刀四擲串聯(lián)MEMS開關(guān)，通過4條不同的路徑實現(xiàn)2位開關(guān)線移相器，如圖2所示，在8~12GHz平均插損為-0.55dB，反射損失好于-17dB。在DC~18GHz相移有很好的線性度，是目前體積最小的MEMS移相器。

圖2、Rockwell中心的單刀多擲開關(guān)線移相器

開關(guān)線型MEMS移相器插損取決于開關(guān)導(dǎo)通時的損耗和傳輸線損耗，要滿足插損小、體積小，設(shè)計上須保證匹配，因此要對線的長度和阻抗進行優(yōu)化。

2.1.3 反射型MEMS移相器

反射型MEMS移相器是通過RF MEMS開關(guān)改變3dB耦合器反射臂的電抗來實現(xiàn)相移。1999年12月雷訊公司C.L.Goldsmith^[6]利用微帶LANGE耦合器和MEMS并聯(lián)電容耦合開關(guān)設(shè)計制造了4位X波段反射型移相器，在8GHz時平均插損為-1.4dB，反射損失好于-11dB。2002年漢城大學(xué)的Hong-TeukKim等人^[7]采用MEMS空氣覆蓋型低損耗耦合器，設(shè)計了2位（135°）CPW反射型移相器（圖3），6個金-金接觸串連MEMS開關(guān)，控制短路反射線的長度，在60GHz時平均插損-4dB，反射損失從50~70GHz為-11.7dB，尺寸為1.5mm×2.1mm。

反射型MEMS移相器芯片面積較小，但插損較大，其中3dB耦合器的插損隨頻率增加而增加，不可忽視，同時反射線長度變短，使開關(guān)制造有一定困難。

圖3、漢城大學(xué)的反射型MEMS移相器