Ka 波段下90°分布式MEMS 移相器的优化设计

0 序言

MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写。MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。

MEMS是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小。采用以硅为主的材料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。采用与集成电路（IC）类似的生成技术，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺 ，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统"机械"制造技术大幅度提高。

近年来随着射频微机械技术的发展，MEMS移相器越来越受到人们广泛关注，已经成为人们主要研究的MEMS器件之一。与传统的移相器相比，MEMS移相器多采用半导体材料作衬底，用微机械加工技术制备，具有频带宽、损耗小、成本低、超小型化、易于与IC、MMIC电路集成等优点，因此在微波及毫米波控制电路中具有广泛的应用前景。美国密歇根大学的Barker博士通过在共面波导上周期加载MEMS 金属桥的方法，首先实现了毫米波段宽频带的MEMS移相器，如图1 所示，它的基本原理是通过改变MEMS 金属桥的高度来改变传输路径上的相移常数，从而达到改变相移的目的。本文基于电容耦合式MEMS开关，设计出一种90° 分布式MEMS移相器。

1 分布式MEMS移相器的工作原理

分布式MEMS移相器的基本设计思想是在共面波导上周期性的加载有高电容比率的MEMS可动薄膜桥，从而增加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，起到相位延迟的作用。在线上施加一个直流偏压，可以改变分布式电容，引起传输线参数的变化，从而改变电磁波的相位。相移量大小由MEMS单元电容的比率( )和传输线自身电容所决定。分布式MEMS移相器工作在移相时的等效电路图如图2所示。

1 C 和1 L 分别是CPW传输线的分布电容和电感。

2 Ka 波段下90°分布式MEMS 移相器的优化设计

设计指标：通带34－38GHz，带内衰减小于0.5dB，起伏小于0.4dB，S（21）的相移在85°到95°之间。反射损耗在36GHz 频率上小于-20dB。

通过在共面波导信号线上贴敷低介电常数的薄层绝缘介质，使得MEMS金属桥与共面波导信号线在"关"态下形成MIM电容的方法，实现了提高"关""开"两种状态下的电容比，从而提高了单位长度上的相移量。同时，该结构也避免了因为单个桥下落到信号线上造成短路而使移相器失效的问题。

从小型化等效电路出发，该移相器工作在移相时的仿真原理图如图3所示：

由以上三个图可以看出移相器的损耗在-1dB以内,在中心频率36GHz的反射系数小于-20dB,插入损耗大于-0.042dB,中心频率时相移为90°，相移精度±5° 以内。

优化得出W＝19 μm,L=134 μm，C=25 fF 。
下面通过ADS 优化得出电容的尺寸。通过

来设定优化目标函数。我们都知道这个公式由此算得出的值。得到了这个值便可以优化出了电容几何尺寸的最佳值了。

由ADS计算得出电容几何尺寸为：W= 0.18mm,L= 1.63mm (7)

3 结语

分布式MEMS移相器的发展是越来越快了，在传统的分布式MEMS移相器结构的基础上，使用在共面波导信号线和MEMS金属桥之间贴敷低介电常数绝缘介质的方法，实现了两种工作状态下的高电容比，从而提高了单位长度的相移量。本文中我着重从小型化等效电路出发，分析了最简单的一种设计方法，没有考虑金属的等效阻抗的一种理想的电路模型。通过计算机仿真，移相器的反射损耗在通带4GHz内小于-20dB，插入损耗大于-0.044dB，为了达到90°的相移量，只需3个MEMS金属桥即可。这大大缩小了移相器的总体尺寸，提高了工作的可靠性。