Глава 6. Микрофазовращатели

вления. Большим достоинством новых диэлектрических материалов является возможность организации непрерывной регулировки фаз.

6.3.1. Переключаемые фазовращатели на основе линий задержки

По сравнению с полупроводниковыми ключами на основе PIN диодов и полевых транзисторов, микропереключатели обладают значительно меньшими вносимыми потерями, хорошим коэффициентом развязки на высоких частотах, очень низким потреблением мощности по постоянному току и малыми искажениями от взаимной модуляции сигналов (Goldsmith et al, 1995, 1998, Muldavin, Rebeiz, 2000, Yao et al, 1999) и поэтому могут использоваться во многих ВЧ устройствах, включая фазовращатели. Хотя существуют две группы микропереключателей: резистивные последовательные ключи (металл-металл) и емкостные параллельные ключи (металл-диэлектрик-металл), в ВЧ устройствах обычно используются емкостные параллельные ключи, поскольку им требуется меньшее управляющее напряжение, и они обладают лучшей скоростью переключения по сравнению с последовательными переключателями (Isom et al, 2000).

Рассматриваемые фазовращатели, как правило, состоят из кас-кадно включенных фазовращателей, смещающих сигнал на 180 °, 90°, 45°, 22.5°, 11.25°. Переключатели служат для выборочного подключения разных линий при формировании тракта прохождения ВЧ сигналов. Разность длин линий определяет значение сдвига фаз. В работе (Pillans et al, 1999) описаны трехразрядный и четырехразрядный фазовращатели для Ка-диапазона, изготовленные на кремниевой подложке. При помощи трехразрядного фазовращателя удалось получить сдвиг фаз в диапазоне 0°... 315° с шагом 45°, а четырехразрядного - 0°... 337.5 ° с шагом 22.5 °. На рис. 6.4а показан четырехразрядный фазовращатель, обладающий средними вносимыми потерями на уровне 2.25 дБ, а на рис. 6.4 6 - аналогичный трехразрядный фазовращатель с уровнем вносимых потерь, равным 1.7 дБ. Обе конструкции реализованы на 6-мм кремниевой подложке с высоким удельным сопротивлением. Переключение в обоих фазовращателях выполнялось при помощи параллельных емкостных ключей.

6.3.2. Распределенные микрофазовращатели

Емкостной параллельный ключ состоит из тонкой металлической мостовой структуры, подвешенной над центром электрода копланарного волновода, которая под воздействием постоянного напря-

6-3. Микрофазовращатели

жения смещения опускается вниз. На нижний электрод наносится тонкий слой диэлектрического материала, например, нитрид кремния, для уменьшения эффекта залипания и обеспечения изоляции между металлическим мостом и нижним электродом.

резонансное ВЧ заземление

ВЧ вход

ВЧ микропереключатель

180-разряд

90° 45° разряд разряд

22.5 разряд

контактные площадки для 1- постоянного 1 напряжения смещения

ВЧ выход I развязывающий j резистор

резонансное ВЧ заземление 1

ВЧ вход

к т. ш ш т

180° 90° 45°

разряд разряд разряд

контактные площадки для постоянного напряжения смещения

ВЧ выход

- ВЧ микропереключатель

Рис. 6.4. Фотографии: а - четырехразрядного и б - трехразрядного микрофазовращателей. Репродукция из книги В. Pillans, S. Eshel-

man, А. Malczewshi, j. Ehmke, С. Goldsmith, 1999, <(Ka-band RF MEMS phase shifters*, IEEE Microwave and Guided Wave Letters 9: 520-522 с разрешения IEEE, ©1999 IEEE

Ha рис. 6.5 показана схема мостового ключа. Когда между нижним 3j}.eKTpoflOM и металлическим мостом подается постоянное напряжение смещения, электростатические силы притяжения заставляют металлическую мембрану опускаться вниз. При увеличении напряжения смещения система становится нестабильной и, когда отклонение мембраны достигает 1/3 от высоты зазора, мостовая структура резко падает на нижний электрод (рис. 6.56).

Напряжение, соответствующее точке нестабильности, называется напряжением срабатывания, которое задается следующим выражением (6.1) (Goldsmith et all, 1996).

Vp =

8к

-1/2

(6.1)

где £о - диэлектрическая проницаемость свободного пространства, W - ширина нижнего электрода, w - ширина микропереключателя, до - высота ключа, а к - эффективный коэффициент упругости ключа, который можно оценить по формуле (Osterberg et al, 1994):

32Etw 8a{l-v)tw

(6.2)

где E - модуль Юнга для материала моста, t - толщина моста, L - длина ключа, а - напряжение остаточного растяжения в конструкции ключа, а. v - коэффициент Пуассона для материала ключа.

сквозные отверстия

-ШШ вход III

опоры

выход

диэлектрический слой (а) разомкнутое состояние

(б) замкнутое состояние

Ршс. 6.5. Схема параллельного моста: а - в разомкнутом состоянии, б - в замкнутом состоянии. Репродукция из книги С. Goldsmith, J. Randall, S. Eshelman, Т.Н. Lin, D. Denniston, S. Chen, ,. B. Norvell, 1996, Characteristics of mieromaehined switches at mi-

crowave requencies , Proceedings of IEEE MTT-S International Mi-I crowave Symposium, Volume 2, IEEE, Washington, DC: 1141-1144 с

. ; разрешения IEEE, ©1996 IEEE

Приложенное напряжение смещения между мостовой структурой и нижним электродом изменяет высоту моста, что в свою очередь приводит к изменению распределенной емкости микроструктуры. Это вызывает изменение импеданса нагруженной линии передач и фазовой скорости, в результате чего появляется сдвиг фаз. На рис. 6.6 показано, что микроструктура, состоящая из нескольких мостов, работает как фазовращатель, если напряжение смещения не достигает напряжения срабатывания.

. 50 Ом линия питания

контактная площадка для зонда

Рис. 6.6. Схема фазовращателя на основе распределенной линии передач.

Ширина, и длина мостовых конструкций составляет 60 мкм и 580 мкм с расстоянием между ними 30 мкм, что приводит к полной длине структуры, равной 5.2 мм. Репродукция из книги N.S. Barker, G.M. Rebeiz, 1998, (.Distributed MEMS true-time delay phase shifter and wide-band switches*Ж£;£; Microwave Guided Wave Letter (April): 1881-1890 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE

В работе (Barker, Rebeiz, 1998) описан микрофазовращатель на основе распределенной линии передач, использующий микропереключатели (рис. 6.6). Это широкополосное устройство дает возможность получить сдвиг фаз, равный 118° при уровне потерь 2 дБ на частоте 60 ГГц. В работе (Borgioli et al, 2000а, 2000b) приведена схема одноразрядного фазовращателя для К/Ка диапазона (рис. 6.7), реализованного на основе емкостных микропереключателей, которая выдает сдвиг фаз, равный 270 ° на частоте 35 ГГц. Также появилась информация о разработке многоразрядных микрофазовращателей. Например, в работе (Hayden et al, 2000) дано описание двухразрядного фазовращателя на основе распределенного копланарного волновода, работающего в Х-диапазоне. Такой микрофазовра-

14 - 10482

Основные недостатки параллельных ключей - низкая скорость переключения (несколько микросекунд) и высокое управляющее напряжение (20 ... 100 В). В то время как ключи на PIN диодах имеют скорость переключения порядка 1 мкс при управляющем напряжении 5 В. Несмотря на низкую скорость переключения, параллельные ключи могут применяться в фазоуправляемых решетчатых антеннах, однако они не подходят для использования в устройствах передачи и приема сигналов. Уменьшая высоту зазора между мостом и нижним электродом, можно снизить управляющее напряжение. Однако при этом увеличится паразитная емкость моста в разомкнутом состоянии, что приведет к изменению импеданса линии. Существует еще один способ снижения управляющего напряжения - использование материалов с низким модулем Юнга, что будет рассмотрено в разделе 6.3.3 (Ji, Vinoy, Varadan, 2001).

контрольные уровни

секции линии передач

микро- ~/

конденсатор

микроконденсатор

микроконденсатор

микроконденсаторы

Рис. 6.7. а - схема фазовращателя, б - его фотография. Полная длина фазовращателя равна 8.58 мм. Репродукция из книги А. Borgioli, Y. Liu, A.S. Nagra, R.A. York, 2000, Low loss distributed MEMS phase shifter*, IEEE Microwave and Guided Wave Letters: 7-9 с разрешения IEEE, ©2000 IEEE

В работе (Hayden et al, 2001) приведена другая конструкция двухразрядного и четырехразрядного фазовращателей, состоящая из каскадного соединения секций на 180° и 90°, показанных на рис. 6.8 (стр. 403).

На рис. 6.9 (стр. 404) показана фотография трехразрядного микрофазовращателя для К-диапазона , состоящего из трех одноразрядных фазовращателей на 180 °, 90 ° и 45 °. Каждый одноразрядный фазовращатель состоит из копланарного волновода, нагруженного несколькими параллельными микроконденсаторами

Распределенные микрофазовращатели состоят из линий с высоким импедансом (> 50 Ом), имеющих емкостную нагрузку, образуемую за счет подключения повторяющихся мостовых структур. Для таких конструкций существует верхний предел по частоте, называемый частотой Брэгга, выше которой значительно увеличиваются потери на отражение сигналов. Для распределенных линий передач и мостовых структур существует несколько важных параметров.

которые необходимо учитывать при разработке микрофазовращателей. Эти параметры выводятся, исходя из технологии изготовления микроустройства и рабочих характеристик схемы.

Рис. 6.8. а - двухразрядные фазовращатели: на 180 ° (верхний) и 90° (нижний), б - одна секция. Репродукция из книги J.S. Hayden, А. Malszewski, J. Kleber, CL. Goldsmith, G.M. Rebeiz, 2001, 2 and 4-Bit DC 18 GHz microstrip MEMS distributed phase shifters*. Proceedings of IEEE MTT-S International Microwave Symposium, IEEE, Washington, DC: 219-222 с разрешения IEEE, ©2001 IEEE

6.3.2.1. Разработка распределенных микрофазовращателей На рис. 6.10 показана схема распределенного микрофазовращателя, состоящего из высокоимпедансной линии передач {Zq), периодически нагружаемой переменными микроконденсаторами. Нененагру-женная линия должна иметь высокий импеданс для того, чтобы нагруженная линия вместе с мостовыми структурами могла быть согласована с 50-ти омными устройствами. Емкость Ct и индук-тивностнз Lt ненагруженцой линии передач можно записать в виде (Barker, Rebeiz, 1998):

Ct = --,

Lt = CtZl

(6.3) (6.4)

где £ref f - эффективная диэлектрическая проницаемость ненагру-женной линии передач, с - скорость распространения в свободном

щатель состоит из последовательного соединения мостов и МДМ-конденсаторов. На одной секции можно получить сдвиг фаз 90°, на восьми каскадно соединенных секциях - 180°, на шестнадцати секциях - 0/90/180/270 °. В зависимости от поданного напряжения на линию передач, меняется емкость всего устройства: от емкости одного моста {Сь) до полной сосредоточенной емкости устройства {Cs), что является преимуществом такого микрофазовращателя.