X波段RF MEMS开关线型移相器的研究

摘要

微波移相器在仪器、测量、功率合成器以及线性放大器等领域中，尤其是在相控阵雷达天线阵列中有广泛的应用。尽管相控阵天线阵列仍主要用于军用雷达和其他追踪平台，在近十年也出现了许多商业领域的应用：如在低地球轨道通讯卫星星座，碰撞预警雷达，智能高速公路系统和自动控制高速公路系统中等。军用相控阵雷达主要使用基于铁氧体开关的移相器（其制造成本较高，约占整个雷达系统的40％左右）。除铁氧体开关移相器以外，基于PIN和FET固体开关的移相器在近十年也逐渐成熟。相比于以上固体开关移相器技术，基于MEMS开关的微波移相器具有截止频率高，损耗低，体积小等优秀特点，在近几年被广泛研究。
　　随着MEMS技术在射频领域的应用，产生了一个全新的研究领域—RFMEMS，它使得射频器件向微型化发展。RFMEMS器件不仅在体积上远小于传统的射频器件，方便集成，并且在性能上也有很大的提高。与传统射频器件相比，RFMEMS器件具有体积小、功耗低、重量轻、成本低等优点，并与传统的IC技术相兼容，使得单片集成成为可能。可以说，MEMS技术为无线通信系统向微型化、低功耗和更高的工作频率发展提供了新的技术途径。
　　本文深入分析了基于MEMS技术的微波移相器的基本理论，综述了各种MEMS移相器电路的工作原理。针对开关线型移相器片上面积较大的缺点，采用叉指式共面波导传输线作为开关线型移相器的延迟线，构建了一种紧凑型MEMS开关线移相器，并且通过增加辅助驱动电极、悬空梁折叠结构等技术措施，有效降低了MEMS开关的驱动电压。采用CoventorWare，Ansoft HFSS有限元分析软件对上述静电驱动RFMEMS开关以及45°、90°和180°移相器进行了全面系统的仿真分析。结果表明，虽然叉指式共面波导有效地降低了移相器的片上面积，但是移相器具有较低的插入损耗和适当的隔离度，有效保持了MEMS移相器的关键技术优势。
　　采用改良的UV-LIGA工艺，完成了45°、90°和180°移相器样品的集成制造。相比于传统硅基底开关线型移相器，本文所研制的移相器的片上面积减小了约60%。经测试，新型RFMEMS移相器样品在10GHz中心频率的插入损耗为2.25dB，在整个X波段，回波损耗低于-21.1dB。移相器在10GHz中心频率时的相移误差小于7.6%。实验测试结果优于设计指标。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 微波移相器概述

1.2 MEMS技术及其在微波电路中的应用

1.3 RF MEMS开关

1.4 RF MEMS移相器研究进展

1.5 本课题的研究意义和研究内容

第二章 RF MEMS移相器设计与仿真优化

2.1移相器中低弹性系数RF MEMS开关的设计、分析与仿真

2.2 叉指式共面波导传输线的设计与仿真

2.3 X波段RF MEMS开关线型移相器的总体设计与仿真

2.4 本章小结

第三章 RF MEMS移相器的微加工

3.1 移相器微加工工艺难点

3.2 实验工艺流程

3.3 本章小结

第四章 移相器性能测试

4.1 微加工样品及分析

4.2 微波测试平台和测试方法

4.3 微波性能测试与结果讨论

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 主要研究内容和结论

5.2 主要创新点

5.3 展望与下一步研究设想

参 考 文 献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文