一种新型螺旋形分布式RF MEMS移相器的设计

张晓桐，董自强，张 松，胡天宇，苗 峻，李 旭，朱 林，唐立赫，王大宇

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

由于RF MEMS微波器件的优良特性[1-6]，应用于移相器的研究逐渐增多[7-12]，尤其对于分布式RF MEMS移相器的研究更为广泛[13]。

高杨等[14]利用19个MEMS开关，采用CPW传输线，按折叠布局，设计平面面积1.81 mm×3.84 mm的分布式MEMS移相器，在Ka波段的插入损耗均小于0.8 dB，回波损耗均大于15 dB，相移误差小于0.4°。Das A等[15]利用30个MEMS开关膜桥及两端的固定电容，设计4位分布式RF MEMS移相器，在15 GHz工作频率下，插入损耗小于0.88 dB，回波损耗大于4.12 dB，相移误差小于2.29°。Dey S等[16]利用62个MEMS开关及其两端的金属—空气—金属电容，设计平面面积19.4 mm2的5位分布式RF MEMS移相器，在8～12 GHz工作频率下，平均插入损耗为4.72 dB，回波损耗大于12 dB，相移误差小于3.2°。

分布式RF MEMS移相器结构简单，损耗较小；但开关数量影响其面积，使制造难度及成本增加；同时工作频率皆低于40 GHz。而当微波通信系统的工作频率达到40 GHz及以上，尤其是超过100 GHz时，常规传输线和波导由于阻抗不匹配等原因，会造成急剧增加的金属损耗[17-19]，且会产生信号衰减、反射和干涉等信号畸变现象。

由于现有的RF MEMS移相器还存在工作频率低、相移精度低、MEMS开关数量多、平面面积大、损耗大、制造难度大及成本高的问题，还不能完全满足相控阵雷达系统的需求。因此对RF MEMS移相器的改进存在必要性。针对上述问题进行了结构创新，以获得高工作频率、小体积、高精度和低损耗的分布式RF MEMS移相器。

1 螺旋形分布式RF MEMS移相器结构设计

传统的分布式RF MEMS移相器所有MEMS开关并排排列，其长宽比过大，导致器件易脆，可靠性较低；同时，这种结构包含MEMS开关数量多，对制作工艺的要求更高，并且其面积较大，无法满足现在对于微波器件易集成、小体积的要求。

针对传统分布式RF MEMS移相器所存在的问题，提出了一种新型的5位螺旋形分布式RF MEMS移相器，结构模型如图1所示。提出的移相器采用共用CPW地线的螺旋状布线结构，同时具有高工作频率、高可靠性、低功耗、小型化、低成本、可保证高频信号完整性和易于移相位数增加的优点。

图1 螺旋形分布式RF MEMS移相器结构模型

这种螺旋状布线方式是CPW左右地线、信号线全部螺旋布于RF MEMS移相器基板上[20]，其中CPW信号线的内圈和外圈共用CPW右地线。该结构有效减少了基板面积，降低了制造成本，提高了器件可靠性。同时采用圆形CPW信号线，阻抗匹配良好，传输功率大，在高频时可以保证微波信号的完整性，并且在CPW信号线的内圈与外圈连接处设有拐角，这是为了提高信号线阻抗匹配的良好性，使螺旋形分布式RF MEMS移相器在40 GHz及以上的频段内正常工作。

RF MEMS移相器的MEMS开关组包含31个电容式MEMS开关，每个MEMS开关的两端通过锚点跨接于CPW左地线与CPW右地线上，且位于CPW信号线上方。5个开关单元分别对应1，2，4，8，16个MEMS开关，并可以实现11.25°，22.5°，45°，90°，180°的相移。通过对5位相位变化的两两组合或多个组合，可以获得步长为11.25°的31种相位变化。

2 尺寸参数及电学参数分析

2.1 CPW尺寸参数

在CPW尺寸选择过程中，应考虑移相器整体面积和制作成本，以获得更优结果。为了获得合适的CPW尺寸参数，利用ADS中Linecalc模块进行计算。本文所设计RF MEMS移相器的CPW参数为：基板材料为高阻硅，其介电常数εr为11.9，未加载负载传输线的特征阻抗Z0为65 Ω，CPW信号线和地线的厚度T为1 μm，CPW基板的厚度H为500 μm，CPW信号线的宽度W为100 μm，CPW信号线和地线的间距G为148.5 μm。

2.2 RF MEMS开关尺寸参数

根据上述数据，在ADS软件中，设置2组数据：第1组为CPW信号线宽度为70 μm，CPW信号线和地线间距为109 μm；第2组为CPW信号线宽度为100 μm，CPW信号线和地线间距为148.5 μm。对2组CPW结构进行仿真分析，得到CPW尺寸对于MEMS开关性能的影响。2个不同CPW结构的插入损耗与回波损耗对比如图2所示，相移变化对比如图3所示。

图2 不同CPW结构的MEMS开关损耗对比

由图2可以看出，在整个工作频率范围内，第2组插入损耗S21略大于第1组插入损耗S21，均小于0.04 dB；回波损耗S11的数据较为接近，均大于25 dB。2组数据表明所设计的MEMS开关具有良好的S参数，较低的损耗。

图3 不同CPW结构的MEMS开关相移对比

由图3可以看出，采用不同CPW结构的MEMS开关的相移变化量十分相近。虽然第1组数据所得到的RF MEMS移相器的尺寸相对第2组较小，但在设计过程中，考虑制作工艺、制作难度和成本等因素，本文设计的CPW信号线宽度为100 μm，CPW信号线和地线间距为148.5 μm。

2.3 下拉电压的仿真分析

MEMS开关的下拉电压与MEMS开关膜桥的宽度、厚度、长度和膜桥高度等参数相关，过高的下拉电压会导致MEMS开关失效。

在不同的MEMS开关膜桥厚度下，下拉电压随着MEMS开关膜桥长度的变化曲线如图4所示。

图4 膜桥长度、厚度对下拉电压的影响

由图4可以看出，当MEMS开关膜桥长度为400 μm时，膜桥厚度为0.7，1.5，2.4 μm的MEMS开关下拉电压n42，n40，n38为36.9，54.0，68.3 V；当MEMS开关膜桥长度为600 μm时，MEMS开关的下拉电压n43，n41，n39为30.1，44.1，55.7 V。当MEMS开关膜桥厚度相同时，下拉电压随着MEMS开关膜桥长度的增加而降低；当MEMS开关膜桥长度相同时，MEMS开关膜桥厚度越大，需要的下拉电压越大。

在不同的CPW信号线宽度下，下拉电压随着MEMS开关膜桥长度的变化曲线如图5所示。

图5 CPW信号线宽度对下拉电压的影响

由图5可以看出，当MEMS开关膜桥长度为400 μm时，CPW信号线宽度为100，70 μm的MEMS开关下拉电压n58，n56为36.9，44.1 V；当MEMS开关膜桥长度为600 μm时，MEMS开关的下拉电压n59，n57为30.1，36.0 V。当CPW信号线宽度相同时，下拉电压随着MEMS开关膜桥长度的增加而降低；当MEMS开关膜桥长度相同时，CPW信号线宽度越大，MEMS开关需要的下拉电压越小。

在不同的CPW信号线宽度和MEMS开关膜桥长度下，下拉电压随着MEMS开关膜桥高度的变化曲线如图6所示。

图6 膜桥和CPW信号线的距离对下拉电压的影响

由图6可以看出，当MEMS开关膜桥高度为2 μm时，CPW信号线宽度为100，70 μm的MEMS开关下拉电压n62，n60为15.5，30.0 V；当MEMS开关膜桥高度为4 μm时，MEMS开关的下拉电压n63，n61为43.8，84.7 V。当CPW结构相同时，下拉电压随着开关膜桥和CPW信号线的距离的增加而增加；当MEMS开关膜桥和CPW信号线的距离相同时，CPW结构面积越大下拉电压越小。

2.4 布拉格频率的仿真及分析

在ADS中建立31个MEMS开关单元串联模型，设置不同的MEMS开关间距s参数，仿真获得移相器最高工作频率，同时可以得到布拉格频率和MEMS开关间距s、MEMS开关数量的关系。设置MEMS开关间距s为100 μm，RF MEMS移相器的插入损耗和回波损耗仿真结果如图7所示。

图7 MEMS开关单元距离为100 μm的损耗

由图7可以看出，RF MEMS移相器的插入损耗S21在拐点k7之前变化较小，在拐点k7之后随着频率的增大迅速减小；RF MEMS移相器的回波损耗S11在拐点k8之前大于5 dB，在拐点k8之后等于0 dB，这表示信号已经全部反射，在此之后移相器失效，拐点的频率值就是移相器的最高工作频率。综合开关尺寸及移相器尺寸的要求，设计开关间距s取120 μm，根据仿真结果，布拉格频率为210 GHz。

2.5 RF MEMS开关的建模及仿真分析

为了减小MEMS开关的下拉电压，采用低弹性系数的固支结构梁，这种结构梁弹性系数较小，可以减小压膜阻尼，提高MEMS开关的响应速度。设置w0是MEMS开关膜桥固定端宽度，l0是MEMS开关膜桥方形孔的长边长度。

在HFSS中建立MEMS开关模型，为了获取MEMS开关膜桥宽度的最优值，设置膜桥宽度w为本地变量，取值为50～150 μm，对比单个开关的相移变化仿真值。MEMS开关开态和关态的相移仿真结果如图8所示。

图8 单个MEMS开关开态和关态的相移

由图8可以看出，MEMS开关在开态和关态的相移量随着MEMS开关膜桥的宽度w的增加而增加；在相同工作频率下，MEMS开关膜桥的宽度w较大，相移量也较大。提取图中40 GHz的MEMS开关的开态和关态的相移量，计算出同一MEMS开关膜桥宽度，开态和关态的相移量差值，如表1所示。

表1 单个MEMS开关在40 GHz的开、关态相移

膜桥宽度/μm开态相移/(°)关态相移/(°)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开关膜桥在同一膜桥宽度下开态和关态的相移差值，即为RF MEMS移相器中单个MEMS开关所获得的相移量。对比11组数据，当MEMS开关膜桥宽度为110 μm时，开关态相移差值为11.523 3°，是最接近11.25°的一组数据，因此MEMS开关膜桥宽度选为110 μm。

3 螺旋形分布式RF MEMS移相器建模及仿真分析

模型选取的各个尺寸参数如表2所示。MEMS开关膜桥、CPW信号线、CPW地线皆选取金材料，基板选取高阻硅材料，介质薄膜选取三氧化二铝材料；根据RF MEMS移相器的结构，其模型的整体体积为2.6 mm×2.6 mm×0.505 mm，螺旋形分布式RF MEMS移相器模型如图9所示。

表2 螺旋形分布式RF MEMS移相器结构参数

结构参数及对应值/μmMEMSwlw0l0ts开关膜桥11040051502120CPWWGTHg0g110015015002.50.1

图9 螺旋形分布式RF MEMS移相器模型

在HFSS软件中对螺旋形分布式RF MEMS移相器进行仿真分析。提取工作频率为40 GHz的所有相移量值并计算相移精度，如表3所示，表中相移量含义为在HFSS中仿真获得的相移量；精度的含义为仿真获得相移量与设计目标的差值。

由表3中的数据可以看出，RF MEMS移相器的仿真相移量与设计相移量存在误差，其中编号25的数据，RF MEMS移相器出现最大相移误差值为3.72°。同时提取实现11.25°，22.5°，45°，90°，180°的RF MEMS移相器在40 GHz时插入损耗及回波损耗，分别为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 结束语

鉴于现有RF MEMS移相器不能完全满足相控阵雷达系统在工作频率、体积、功耗、相移量和成本等方面的需求，提出一种高工作频率、小体积、高精度的5位螺旋形分布式RF MEMS移相器。虽然移相器在40 GHz的仿真结果与设计目标相移量的误差在3.72°，但这种创新型的共面波导结构为之后分布式RF MEMS移相器的改进，提供了新的方向及新的思路。由于实验条件和时间的限制，并没有对RF MEMS移相器制作和测试，同时MEMS开关和螺旋形共面波导正对面积的推导也有待完善。近来新型复合材料发展迅速，为射频微波器件也提供了新的发展方向。移相器在实际制作过程可以尝试应用性能更为优越复合材料，以降低RF MEMS移相器的损耗。