X波段RF MEMS开关线型移相器的研究

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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。
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