一种新型MEMS共面波导移相器的结构设计

一种新型MEMS共面波导移相器的结构设计

施强董士崔

（中国船舶重工集团有限公司第七一0研究所，湖北宜昌443003）

摘要：本文提出了一种新型MEMS共面波导移相器的设计结构，旨在缩短传输线的长度，降低设计复杂度。本文提出了对称双桥膜结构在相同的传输线长度下，可以获得近两倍的相移量。然后，在桥膜两端加一分立电容，进一步增大了对称双桥膜的相移量。为MEMS移相器的设计优化提供了一个可行的新思路和方法。

关键词：移相器；共面波导；MEMS

0.引言

MEMS移相器具有高品质因数、高隔离度、低成本、低损耗、易于集成等优点，是现在国内外研究的热点。在诸多已经发表的文献中，RFMEMS移相器按照工作原理可分为开关线型MEMS移相器、耦合型MEMS移相器、分布式MEMS移相器等。其中，开关线型MEMS移相器，原理简单，结构容易实现，但是存在插入损耗大，占用面积大，带宽窄的缺点。耦合型移相器比开关线型移相器面积减小，芯片的利用率高。耦合型移相器的插入损耗随着频率的增大而增大，同时，由于反射线的长度变短，使MEMS移相器开关的工艺变复杂，制作起来有一定的难度。目前，分布式MEMS移相器是在CPW上等间距放置MEMS桥，构成分布式MEMS移相器，通过控制膜的驱动电压来实现膜的高度的变化，即改变分布电容，实现相移的改变，这种结构的移相器更方便集成。然而，为了获得良好的相移特性，需要较大的电容比率。为了增大电容比率，许多文献设计了复杂的桥膜结构，所需的传输线也比较长。

这篇文章在前人设计的分布式MEMS移相器的基础上，首次提出了对称双桥膜的方法,要获得同样相移量，所需的传输线更短，需要较小的桥膜形变量，进而减小驱动电压。和已有的分布式MEMS移相器相比降低了驱动电压，减小了尺寸，降低了桥膜设计的复杂度。为分布式MEMS移相器的设计提供了一个新的思路和创新点。

1设计分析

分布式MEMS移相器是在高阻抗微波传输线上周期性加载MEMS膜(桥)，通过对MEMS膜加一定的直流驱动电压，改变MEMS膜的状态(up态和down态)，得到不同的MEMS膜电容，从而达到移相的目的。MEMS分布式移相器是由跨接在CPW两根地线之间的多个相同的MEMS梁构成的，因此MEMS梁就是其基本单元，也是设计的核心和关键所在。分布式MEMS移相器结构原理图如图1所示。

MEMS分布式移相器的基本设计思想是在CPW上周期性加载具有高电容比率的MEMS可动薄膜(桥)，从而改变共面波导与地之间的分布电容，使共面波导传输线成为一个慢波系统，达到相位延迟的目的。相移量大小由MEMS单元开关的电容比率和传输线自身电容所决定。

目前，所有文献中报道的MEMS移相器都是只在传输线上半空间周期性加载可动桥膜。本文在此基础上，在下半空间也同样加载对称的桥膜结构如图2所示。这样，在相同的桥膜结构、驱动电压和传输线长度条件下，可以获得较单面桥膜结构更大的电容比率，增大相移量。

2.仿真和结果

在CST软件中仿真上述两种结构，可以得到相同条件下的相位变化情况。

从上面仿真结果来看，单面桥膜在10GHz的开态和关态的相移为1.41°，而对称双面桥膜的相移量为2.66°，对称双面桥膜结构的相移近似为原来的两倍。因此，在相同的桥膜结构、驱动电压和传输线长度条件下，可以获得较单面桥膜结构更大的电容比率，增大相移量。

为了降低工艺难度，得到确定的电容比，文献[1]在MEMS桥上串联一个分立电容。在这里也可以参考文献[1]，在桥膜两端串联一个分立电容来增大电容比率，进一步增大相同结构的相移量，如图4所示。

在相同的结构中串联一个分立电容后，开态和关态的相移差为4.23°。从仿真结果来看，在相同的结构下，串联一个分立电容可以提高电容比率，可以进一步增大相同长度桥膜的相移量。

将上述结构进行串联组成可控的移相器，可以得到24.787°的移相器。插入损耗在开态只有0.01dB，在关态有1dB。

3结论

本文旨在优化MEMS移相器的结构，获得相同相移量，缩短所需要的传输线的长度。仿真结果显示，本文提出的对称双桥膜结构可以达到优化的目的，在相同的传输线长度下，可以获得近两倍的相移量。本文借鉴文献在桥膜两端加分立电容的做法，在对称双桥膜的基础上进一步增大了相移量。为MEMS移相器的设计优化提供了一个可行的新思路和方法。但是，本文未讨论开启电压，以及制作工艺的优化，还有待进一步的研究和讨论。

参考文献

[1]ZhangXiaosheng,“Researchonchip-setXbandfivebitMEMSdistributedphaseshifter.”UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina.