一种RF-MEMS单刀双掷开关及微带天线阵列

摘要

本发明实施例提供的一种RF‑MEMS单刀双掷开关及微带天线阵列，包括：衬底、信号线、公共接地端、至少两个微电子机械开关，其中，信号线包括第一支路信号线和第二支路信号线，并且分别具有第一断开区域和第二断开区域；公共接地端覆盖第一断开区域和第二断开区域，通过第一断开区域和第二断开区域使得公共接地端连接为一个整体；微电子机械开关包括开关梁和电极板，并且微电子机械开关分别设置于所述第一断开区域和所述第二断开区域。不需要设置格外的空气桥，就能够使得整个公共接地端的电势相等。从而简化了RF‑MEMS单刀双掷开关的结构，降低了成本。

说明书

技术领域

本发明涉及微波控制技术领域，特别是涉及一种RF-MEMS单刀双掷开关及微带天线阵列。

背景技术

随着微波、毫米波通信成为全球通信的研究热点，具有尺寸小、重量轻、在微波频率下无直流损耗、高隔离度以及低插入损耗等优点的RF-MEMS(Radio Frequency-MicroElectro Mechanical System，射频微电子机械系统)开关，已成为通信系统中重要的控制单元。特别是RF-MEMS单刀双掷开关，由于能够控制电源向两个不同方向输出，而被广泛应用于可重构单元，如频率可重构天线、方向图可重构天线等。

现有技术中，一般多采用并联式RF-MEMS单刀双掷开关，该RF-MEMS单刀双掷开关采用三端口共面波导T型结构，即从一路用信号线通过阻抗变换器等分成两路信号线，其中信号线可以用于传输微波信号。在两路信号线上分别并联一个微机械单刀单掷开关，每一个微机械单刀单掷开关的开关梁两端的锚区结构与T型结的接地端相连接。每一个开关梁、该开关梁对应的信号线以及中间的电介质可以组成一个平板电容结构。

通过向开关梁施加直流电压，可以使得开关梁与信号线之间形成静电力，在静电力的作用下，会使开关梁弯曲下拉，从而靠近信号线。当开关梁弯曲下拉时，由开关梁、信号线以及中间的电介质组成的平板电容中的增大，从而使得信号线中所传输的信号可以通过该平板电容，经由开关梁而接入接地端中，不再沿信号线进行传输，相当于将该信号线断开。

当开关梁没有施加直流电压时，则不会产生使开关梁弯曲下拉的静电力，从而使得平板电容中的电容较小，信号线中的信号无法从该平板电容中经过，不会流向接地端，只能继续沿信号线传输。

所以，通过控制向各个微机械单刀单掷开关的开关梁施加直流电压，可以控制各路信号线上传输信号的通断，实现单刀双掷开关的功能。

然而，并联式RF-MEMS单刀双掷开关的每一条信号线都具有各自的接地端。由于开关梁需要与接地端连接，当向开关梁施加直流电压时，不可避免的会造成该开关梁所连接的接地端的电势发生变化。然而，当需要一路信号线接通，另一路信号线断开时，即需要对一路信号线对应的开关梁施加直流电压，而另一路信号线对应的开关梁不施加直流电压。则此时会造成该并联式RF-MEMS单刀双掷开关的不同信号线的接地端之间电势不等，当接地端电势不等时，则会使得该并联式RF-MEMS单刀双掷开关处于的异常工作状态。

现有技术中，为了使得各个信号线的接地端之间的电势相等，需要在接地端之间搭建格外的空气桥，从而使得RF-MEMS单刀双掷开关的结构过于复杂，并且成本较高。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种RF-MEMS单刀双掷开关及微带天线阵列，以实现提供结构更加简便的射频微机械单刀双掷开关的目的。具体技术方案如下：

本发明实施例提供了一种RF-MEMS单刀双掷开关，所述RF-MEMS单刀双掷开关包括：

衬底；

信号线，所述信号线设置于所述衬底上，与所述衬底固定连接，所述信号线的输入端经过设置在所述衬底上固定连接的阻抗变换器，将所述信号线分为第一支路信号线和第二支路信号线，其中，所述第一支路信号线和第二支路信号线分别具有第一断开区域和第二断开区域；

公共接地端，所述公共接地端设置在所述衬底上，与所述衬底固定连接，并且设置于所述信号线周围，与所述信号线实现共面波导结构；

所述公共接地端覆盖所述第一断开区域和所述第二断开区域，通过所述第一断开区域和所述第二断开区域使得所述公共接地端连接为一个整体；

至少两个微电子机械开关，所述微电子机械开关包括开关梁和电极板，所述微电子机械开关分别设置于所述第一断开区域和所述第二断开区域；

其中一个所述微电子机械开关的开关梁的两端分别与所述第一断开区域两侧的所述第一支路信号线相连接，使得所述第一支路信号线通过该开关梁实现连通，该微电子机械开关的电极板设置于该开关梁下方，与所述第一断开区域覆盖的所述公共接地端固定连接；

另一个所述微电子机械开关的开关梁的两端分别与所述第二断开区域两侧的所述第二支路信号线相连接，使得所述第二支路信号线通过该开关梁实现连通，该微电子机械开关的电极板设置于该开关梁下方，与所述第二断开区域覆盖的所述公共接地端固定连接。

可选的，所述电极板设置有第一电介质层和第二电介质层；

所述第一电介质层设置于所述电极板与所述开关梁相对的端面；

所述第二电介质层设置于所述电极板与所述公共接地端相对的端面。

可选的，所述微电子机械开关还包括高阻线，

所述高阻线与所述电极板连接。

可选的，所述电极板与所述公共接地端相对的端面，与所述高阻线相连接。

可选的，当所述电极板设置有所述第二电介质层时，所述高阻线与所述第二电介质层具有预设间隙。

可选的，所述RF-MEMS单刀双掷开关还包括：直流电压输入端电极；

所述直流电压输入端电极与所述高阻线相连接。

可选的，所述直流电压输入端电极为多个；

所述直流电压输入端电极分别与，所述阻抗变换器，设置于所述第一断开区域的所述微电子机械开关的电极板，设置于所述第二断开区域的所述微电子机械开关的电极板相连接。

可选的，所述信号线用于传输微波信号。

可选的，所述开关梁的两端具有矩形通孔。

本发明实施例还提供了一种微带天线阵列，所述微带天线阵列包括上述任一所述的RF-MEMS单刀双掷开关。

本发明实施例提供的一种RF-MEMS单刀双掷开关及微带天线阵列，包括：衬底、信号线、公共接地端、至少两个微电子机械开关，其中，信号线包括第一支路信号线和第二支路信号线，并且分别具有第一断开区域和第二断开区域；公共接地端覆盖第一断开区域和第二断开区域，通过第一断开区域和第二断开区域使得公共接地端连接为一个整体；微电子机械开关包括开关梁和电极板，并且微电子机械开关分别设置于所述第一断开区域和所述第二断开区域。其中一个微电子机械开关的开关梁的两端分别与第一断开区域两侧的所述第一支路信号线相连接，使得第一支路信号线通过该开关梁实现连通；另一个微电子机械开关的开关梁的两端分别与第二断开区域两侧的所述第二支路信号线相连接，使得第二支路信号线通过该开关梁实现连通。从而不需要设置格外的空气桥，就能够使得整个公共接地端的电势相等。从而简化了RF-MEMS单刀双掷开关的结构，降低了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例提供的RF-MEMS单刀双掷开关的一种结构图；

图2为本发明实施例提供的第一断开区域121的局部放大图；

图3为本发明实施例提供的电极板的一种结构图；

图4为本发明实施例提供的电极板的另一种结构图；

图5为本发明实施例提供的RF-MEMS单刀双掷开关的另一种结构图；

图6为本发明实施例提供的及微带天线阵列的结构图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，图1为本发明实施例提供的RF-MEMS单刀双掷开关的一种结构图，包括：

衬底101，衬底101可以采用硅作为衬底结构。衬底101能够为本发明实施例提供的RF-MEMS单刀双掷开关提供能够实现共面波导结构的介质结构，并且能够作为RF-MEMS单刀双掷开关中各个元件的安装基础，作为结构支撑的基础。衬底101的结构可以根据需要进行设计，例如，当本发明实施例提供的RF-MEMS单刀双掷开关应用于微带天线阵列时，可以按微带天线阵列的所需结构设计该衬底101的形状结构，如，可以为矩形或者圆形等。

信号线102，信号线102设置于衬底101上，与衬底101固定连接，信号线102的输入端110经过设置在衬底101上固定连接的阻抗变换器103，将信号线102分为第一支路信号线111和第二支路信号线112，其中，第一支路信号线111和第二支路信号线112分别具有第一断开区域121和第二断开区域122。

信号线102可以是附着于衬底101上的金属板件，或者是通过光刻腐蚀等方法，在衬底101的表面制成的具有一定形状的金属贴片。信号线102可以用来传输多种波段的射频信号。一般可以为高频的交流信号，可以适用于微波、毫米波等波段。

如图1所示，信号线102的输入端110为一个接入端，可以接入一路带传输的信号，该信号接入后，就会沿信号线102进行传输，信号线102可以连接至同样设置在衬底101上的阻抗变换器103。阻抗变化变换器103能够将一路信号分为两路信号，并保持输入阻抗不变，从而相应的，信号线102也被分成了两路信号线，分别为第一支路信号线111和第二支路信号线112。需要说明的是，在实际应用时，通过采用不同类型或规格的阻抗变换器103，还可以将输入端110输入的信号分为多于两路的多路信号，从而相应的，信号线102也可以为分为多条支路信号线。

从图1中可以看到，在第一支路信号线111和第二支路信号线112的线路上，分别具有第一断开区域121和第二断开区域122。在第一断开区域121和第二断开区域122，第一支路信号线111和第二支路信号线112发生了中断，第一断开区域121的两侧分别具有没有连接在一起的两部分第一支路信号线111。同样的，在第二断开区域122的两侧，分别具有没有连接在一起的两部分第而支路信号线112。

公共接地端104，公共接地端104设置在衬底101上，与衬底101固定连接，并且设置于信号线102周围，与信号线102实现共面波导结构。公共接地端104覆盖第一断开区域121和第二断开区域122，通过第一断开区域121和第二断开区域122使得公共接地端104连接为一个整体。

根据共面波导的原理，为了实现共面波导结构，在衬底101的表面上，并且在信号线102还需要设置有公共接地端104。公共接地端104可以是附着在衬底101上的金属片或板件，同样也可以通过光刻方式来获得。公共接地端104需要分布于信号线102的传输方向的两侧，并且与信号线102之间具有一定距离的沟道，从而实现共面波导结构。

由于信号线102可以分为输入端110、第一支路信号线111和第二支路信号线112这三部分，所以分别在这三部分信号线的两侧分别布置公共接地端104时，如图1所示，公共接地端104也可以被分为三部分，分别为第一部分301，第二部分302和第三部分303。

现有技术中，多个部分的接地端需要通过格外设置的空气桥来进行连接。而在本发明实施例中，在第一支路信号线111和第二支路信号线112发生中断的，第一断开区域121和第二断开区域122上，也设置或覆盖有公共接地端104，从而使得公共接地端104的第一部分301和第二部分302相互连接，并且第二部分302和第三部分303相互连接，从而使得公共接地端104连接能够为一个整体。不需要设置格外的结构，就能够使得公共接地端104成为一个整体，从而能够实现电势的统一。

在本发明实施例中，由于第一支路信号线111和第二支路信号线112发生了中断，所以为了能够使得信号正常进行传输，本发明实施例提供的RF-MEMS单刀双掷开关中还需要设置至少两个微电子机械开关105。

参见图2，图2为本发明实施例提供的第一断开区域121的局部放大图。

微电子机械开关105包括开关梁131和电极板132，微电子机械开关105分别设置于第一断开区域121和第二断开区域122。

其中一个微电子机械开关105的开关梁131的两端分别与第一断开区域121两侧的第一支路信号线111相连接，使得第一支路信号线111通过该开关梁131实现连通，该微电子机械开关105的电极板132设置于该开关梁131下方，与第一断开区域121覆盖的公共接地端104固定连接。

如图2所示，开关梁131的两端可以分别与第一断开区域121两侧的第一支路信号线111连接，起到桥梁的作用，使得第一支路信号线111上需要传输的信号可以通过开关梁131进行传输，从而跨越了第一断开区域121。其中，开关梁131的结构可以根据需要进行设置，例如，可以为图中所示的矩形结构，并且为了在后续使用过程，能够使得开关梁131能容易实现弯曲或下拉，在开关梁131的两侧可以具有方形的通孔，并且在开关梁131的中间部分，可以设置有通孔组成的阵列。

在开关梁131的下方设置有电极板132。电极板132安装在第一断开区域121，由于第一断开区域121已经覆盖有公共接地端104。所以，电极板132与公共接地端104相连接。电极板132与公共接地端104连接时，可以在电极板132与公共接地端104设置有电介质，从而使得电极板132可以不与公共接地端104直接接触，避免造成短路。但可以通过电介质，使得在电极板132上施加直流电压时，电极板132与公共接地端104之间能够形成电容。

同样的，另一个微电子机械开关105设置在第二断开区域122处，该另一个微电子机械开关105的开关梁131的两端分别与第二断开区域两侧的第二支路信号线112相连接，使得第二支路信号线112通过该开关梁实现连通，该微电子机械开关105的电极板设置于该开关梁131下方，与第二断开区域覆盖的公共接地端104固定连接。

由于两个微电子机械开关105完全相同，所以具体的连接方式等于上述设置在第二断开区域121的微电子机械开关105完全相同，在此不再赘述。

本发明实施例提供的RF-MEMS单刀双掷开关在实际使用时，可以向微电子机械开关105的电极板132施加直流电压，从而使得电极板132产生静电力，该静电力可以使得开关梁131向电极板132的方向弯曲或下拉，从而使得开关梁131与电极板132之间，以及电极板130与公共接地端104之间形成较大的电容。此时，经由开关梁131所传输的信号就会通过该电容传输至公共接地端104。即该微电子机械开关105关闭了第一支路信号线111和/或第二支路信号线112，信号不能沿信号线进行传输。当不再对电极板132施加直流电压时，则开关梁131不再受到静电力的作用，开关梁131与电极板132之间几乎没有电容，开关梁131上所传输的信号不会通过该电容传导至公共接地端104。使得信号能够沿信号线正常传输，即第一支路信号线111和/或第二支路信号线112处于导通状态。

在上述过程中，由于公共接地端104为一个整体，处于一个等势面，所以无论在何种情况下在向电极板132施加直流电压时，都不会造成公共接地端104电势不相等的问题。

在本发明实施例中，通过在第一支路信号线111和第二支路信号线112分别设置第一断开区域121和第二断开区域122，并且公共接地端104覆盖第一断开区域121和第二断开区域122，通过第一断开区域121和第二断开区域122使得公共接地端104连接为一个整体。不需要设置格外的空气桥，就能够使得整个公共接地端104的电势相等。从而简化了RF-MEMS单刀双掷开关的结构，降低了成本。

结合上面的实施例，在实际应用中，为了使得电极板132与开关梁131之间，以及电极板132与公共接地端104之间形成的电容更加稳定，并且电容的大小更加可控。参见图2及图3，在本发明实施例中，电极板132设置有第一电介质层141和第二电介质层142。

第一电介质层141设置于电极板132与开关梁131相对的端面。第二电介质层142设置于电极板132与公共接地端104相对的端面。具体的，第一电介质层141和第二电介质层142可以通过粘接、电镀等各种方式与电极板132实现固定连接。

第一电介质层141可以起到绝缘和保护电极板132的作用，防止电极板132上施加的直流电压与交流信号之间的互相干扰。同时可以作为电介质，使弯曲或处于下拉状态的开关梁131和其下方的电极板132组成电容。

第二电介质层142位于公共接地端104和其上方电极板132中间区域，当开关梁131弯曲或处于下拉时，使得电极板132与公共接地端104同样形成电容。

上述两个电容叠加在一起，使得开关梁131弯曲或处于下拉时，开关梁131上锁传输的信号能够通过该叠加电容传导至公共接地端104，使得第一支路信号线111和/或第二支路信号线112断开。

在本发明实施例中，信号线102能够用于传输微波信号。例如，可以传输Ka波段的微波信号，Ka波段的频率范围为26.5-40GHz，通常可以应用于卫星通信。

由于Ka波段共面波导的沟道很狭窄，若添加面积小的电极片132时，会使得所需要施加的直流电压增大，但可能会出现直流电压达到极限时静电力仍然较小导致开关梁131不能下拉；而要设置较大的电极131又可能会需要破坏部分公共接地端104，会引来复杂的缺陷地结构。

而在本发明实施例中，通过采用第一电介质层141、电极片132、第二电介质层142相互叠加的方式，将电极片132夹在第一电介质层141和第二电介质层142之间，从而使得电极片132产生较大的静电力，从而采用较小的电极片132就能够在正常施加直流电压的情况时，使得开关梁131弯曲或下拉，避免了上述问题。

参见图4，在本发明实施例提供的RF-MEMS单刀双掷开关中，微电子机械开关105还包括高阻线151。高阻线151与电极板132连接。

高阻线151可以为具有一定阻值的连接线或者连接板，例如，高阻线151的阻值一般可以为1～2kΩ。高阻线可以设置于衬底101上，或者是公共接地端104与信号线111或112之间的沟道内。

高阻线151与电极板132连接，通过高阻线151可以向电极板132进行供电，可以向电极板132施加直流电压。同时，由于高阻线151具有一定阻值，可以防止开关梁131上的信号通过电极板13传输至高阻线151，避免对直流电源产生影响。

进一步的，电极板132在与高阻线151进行连接时，如果高阻线151与电极板132的正面，即电极板132于开关梁131相对端面连接时，由于第二电介质层142和电极板132均具有一定厚度，所以高阻线151可能会在弯折状态下，才能与电极板132的正面相连接，从而使得高阻线151需要一个“爬坡”的过程，才能够将直流电压传导至电极板132，如果第二电介质层142和电极板132厚度较大时，高阻线151在连接的过程中容易出现断裂，破坏电路的稳定性。

所以，为了避免高阻线151发生断裂，保证电路的稳定性。如图4所示，在本发明实施例中，电极板132与公共接地端104相对的端面，与高阻线151相连接。

电极板132与公共接地端104相对的端面，可以认为是电极板132的背面，通过背面与高阻线151连接，使得高阻线151能够实现对电极板132的背馈式的馈电。能够在一定程度上，避免高阻线151通过弯折的形式与电极板132相连接。可以在平铺的状态下，就能够实现与电极板132的连接，并向电极板132馈电。

当高阻线151与电极板132的背面连接时，由于该电极板132的背面，即电极板132与公共接地端104相对的端面存在有第二电介质层142。所以，当电极板132设置有第二电介质层142时，高阻线151与第二电介质层142具有预设间隙。

预设间隙可以根据需要进行设置，例如，可以为20um，50um等等。高阻线151与第二电介质层142之间保持预设间隙，可以使得高阻线151上传输的直流电压，不会对第二电介质层142产生不良的影响，保证了第二电介质层142的可靠性和稳定性。

结合上面的各个实施例，参见图5，在本发明实施例提供的RF-MEMS单刀双掷开关中还包括：直流电压输入端电极106。直流电压输入端电极106与高阻线151相连接。

直流电压输入端电极106可以为直流电压的输入接口，或者也可以直接为直流电源。直流电压输入端电极106可以设置在衬底101上，并且与高组线151相连接。或者直流电压输入端电极106也可以为独立于衬底101的元件，例如，独立的直流电源等。衬底101上可以设置有高阻线151，高阻线151直接连接至该独立的直流电压输入端电极106。通过该直流电压输入端电极106，向高阻线151输出直流电压，从而使得高阻线151能够向电极片132施加直流电压。

在实际应用时，在本发明实施例提供的RF-MEMS单刀双掷开关中，直流电压输入端电极106可以为多个。各个直流电压输入端电极106分别与高阻线151连接，通过高阻线151向分别向，设置于第一断开区域121的微电子机械开关105的电极板132，设置于第二断开区域122的微电子机械开关105的电极板132，以及信号线102的输入端110供电，施加直流电压。

由于微电子机械开关105可以为多个，每一个微电子机械开关105的电极板132都连接有一个独立的高阻线151，每一个高阻线151可以通过一个独立的直流电压输入端电极106进行供电，同时直流电压输入端电极106可以向信号线102的输入端110提供反向电压或者零电位。使得电极板132能够与信号线102之间形成电压差，从而更有利于电极板132与开关梁131之间产生静电力，并在静电力的作用下使开关梁131发生弯曲变形，使得开关梁131处于下拉状态。并且，直流电压输入端电极106还可以通过各类导线等方式，与阻抗变换器103连接，作为阻抗变换器103的电源。

参见图6，本发明实施例中，还提供了一种微带天线阵列，该微带天线阵列包括上述任一所述的RF-MEMS单刀双掷开关。

微带天线阵列中的衬底，可以直接作为RF-MEMS单刀双掷开关的衬底，使得RF-MEMS单刀双掷开关直接集成于微带天线阵列中。

如图6所示，图6中包括多个RF-MEMS单刀双掷开关，通过控制其中一个或多个RF-MEMS单刀双掷开关的通断，能够改变微带天线阵列的电流分布，使得天线阵列的结构或者相位产生变化，实现频率、极化或者方向图可重构。

由于RF-MEMS单刀双掷开关不需要设置额外的空气桥，从而简化了结构，所以应用该RF-MEMS单刀双掷开关的微带天线阵列，同样具有更加简单的结构，从而降低了成本，提高了稳定性。

当然，图6只是示例性的给出了一种微带天线阵列的结构形式，在实际应用时，具体的结构可以根据需要进行设计，图6所示的结构并不限定本发明实施例的保护范围。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。