專利名稱：可重構(gòu)天線的改進(jìn)及與其相關(guān)的改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在結(jié)合有包括新型開關(guān)的微機(jī)電(MEMS)部件的無線通信中使用的可 重構(gòu)天線。
背景技術(shù)：
可動態(tài)地適應(yīng)于不斷改變環(huán)境傳播特性的無線通信系統(tǒng)將會是下一代通信應(yīng)用 的關(guān)鍵。 天線在任何無線裝置中都是極其重要的部件，因為其傳送和接收無線電波。天線 用作從傳輸線到自由空間以及反之亦然的匹配裝置。理想天線輻射從一個或多個預(yù)定方向 對天線進(jìn)行饋送的傳輸線進(jìn)入的所有能量。天線的性能代表大多數(shù)無線裝置的性能，因此 天線的性能是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。 天線配置決定天線特性，包括阻抗和VSWR (電壓駐波比)、振幅輻射方向圖、3dB波 束寬度、方向性、增益、極化和帶寬。不同的天線配置具有不同的天線特性。
可重構(gòu)天線是通過改變其物理結(jié)構(gòu)來改變其輻射、極化和頻率特性的天線?？芍?構(gòu)天線概念與智能天線是根本不同的。 智能天線或自適應(yīng)天線是典型標(biāo)準(zhǔn)單極、雙極或貼片的元件的天線陣列。信號處 理器用于通過加權(quán)和組合信號元素以改變所得到的輻射方向圖(即，陣列的空間響應(yīng)，滿 足一些條件)來處理來自各個天線元件或到達(dá)各個天線元件的時域信號。這是波束形成的 關(guān)鍵概念，通過其將電磁能集中于期望信號的方向，同時在噪聲或干擾源的方向上設(shè)置零 信號。 貼片天線由置于接地面的介電基板上方的金屬貼片組成。該天線通過微帶線或同 軸電纜線進(jìn)行饋送。微帶貼片天線是一個維數(shù)大約為A/2的諧振式輻射器，其中，Ag是 波導(dǎo)波長。 貼片用作諧振腔，該作諧振腔具有與沿著其z方向與貼片垂直的電場。磁腔在貼 片的四個邊緣具有等于零的切線分量。該結(jié)構(gòu)輻射出在貼片的邊緣處在基板上方露出的彌 散場。可以以許多形狀來制造微帶天線，例如正方形、圓形、橢圓形、三角形或環(huán)形。
微帶貼片天線相對于其他天線結(jié)構(gòu)具有許多已知的優(yōu)點，包括它們的低輪廓，因 此包括保形性質(zhì)、輕重量、產(chǎn)品的低成本、魯棒性質(zhì)以及與單片微波集成電路(匪IC)和光 電集成電路(0EIC)技術(shù)兼容的優(yōu)點。 微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)開關(guān)是使用機(jī)械移動來在RF傳輸線中實現(xiàn)短路或開路的裝 置。RF MEMS開關(guān)是設(shè)計為以RF至毫米波頻率(0. 1至100GHz)進(jìn)行操作并在RF通信系統(tǒng) 中形成基本組成部件的特定微機(jī)械開關(guān)。例如，可以獲得機(jī)械移動所需要的力，但不是只使 用靜電、靜磁、壓電或熱設(shè)計。 使用PIN 二極管的MEMS開關(guān)或FET開關(guān)的優(yōu)點是 近零功耗靜電致動不消耗任何電流，導(dǎo)致非常低的功率消耗(10 100nJ/切換 周期)。
非常高的隔離制造具有氣隙的RF MEMS串聯(lián)開關(guān)，因此具有非常低的斷開狀態(tài) 電容(2 4fF)，導(dǎo)致0. 1 40GHz處極好的隔離。 非常低的介入損耗RF MEMS串聯(lián)和分路開具有關(guān)高達(dá)40GHz的_0. ldB的介入損耗。 互調(diào)產(chǎn)物MEMS開關(guān)是非常接近線性的裝置，因此，導(dǎo)致非常低的互調(diào)產(chǎn)物。它們 的性能大約為30dB，好于PIN或FET開關(guān)。 非常低的成本RF MEMS開關(guān)是使用表面(或體)微機(jī)械技術(shù)制造的，并且可以構(gòu) 造在石英、耐熱玻璃、低溫共燒陶瓷(LTCC)、機(jī)械等級高阻硅或GaAs基板上。
可以將MEMS開關(guān)分為以下幾類
RF電路構(gòu)造_串聯(lián)或并聯(lián)。
機(jī)械結(jié)構(gòu)_懸臂或氣橋。 接觸形式_電容式(金屬_絕緣體_金屬)或阻抗式(金屬_金屬)。
圖1和圖2示出了典型的MEMS電容開關(guān)63，其由懸在被介電膜69覆蓋的傳輸線 67上方的細(xì)金屬橋65組成。MEMS電容開關(guān)可以集成在共面波導(dǎo)(CPW)或微帶拓?fù)渲?。?統(tǒng)的電容開關(guān)具有處于兩個金屬層(橋和t線)之間的介電層。 在CPW配置中，MEMS開關(guān)的支座連接至CPW接地面。如圖2所示，當(dāng)將DC電壓施
加在MEMS橋和微波線之間時，存在使MEMS橋在介電層上變形的靜電(或其他)力，使橋的
電容增加30 100倍。該電容將t線連接至地，并在微波頻率處用作短路，導(dǎo)致反射性開
關(guān)。當(dāng)去除偏壓時，MEMS開關(guān)由于橋的復(fù)原彈簧力而返回到其原始位置。 RF MESM開關(guān)用在可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、天線和子系統(tǒng)中，因為它們具有非常低的介入損耗
和高達(dá)120GHz的高Q。此外，它們可以集成在高性能可調(diào)諧濾波器、高效率天線和低損耗匹
配網(wǎng)絡(luò)中使用的低介電常數(shù)基板上。 RF MEMS開關(guān)提供了非常低損耗的切換，并可使用10 120kQ的電阻線進(jìn)行控 制。這意味著RF MEMS開關(guān)的基本網(wǎng)絡(luò)將不會干擾以及降低天線輻射方向圖?；揪W(wǎng)絡(luò)將 不會消耗任何功率，這對于大天線陣列來說是很重要的。 下層機(jī)構(gòu)是以二維進(jìn)行排列的緊湊MEMS懸臂開關(guān)。陣列內(nèi)的開關(guān)可以被分別驅(qū) 動。陣列中的各個微開關(guān)的可尋址性提供了修改電路線路的裝置，因此允許電路元件行為 的精細(xì)調(diào)諧或完全重構(gòu)。 典型的MEMS開關(guān)要求典型的50 100V的下拉電壓(它們可根據(jù)精確配置和材 料系統(tǒng)而顯著較低或較高)。這是使用軟件控制DC MEMS開關(guān)覆蓋的大范圍。
加利福尼亞大學(xué)的Irvine提出了使用像素天線概念，其具有各個天線元件可經(jīng) 由MEMS開關(guān)連接的陣列。通過簡單地改變天線尺寸來實現(xiàn)頻率可重構(gòu)性。通過選擇25個 像素，獲得6. 4GHz的上限工作頻率，而通過選擇所有64個像素來獲得4. 1GHz的下限頻率。
本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)的可重構(gòu)MEMS天線。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于傳送和/或接收電磁波的裝置，該裝置 包括 基板；
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連接器，穿過基板延伸以操作性地將MEMS開關(guān)連接至天線。 優(yōu)選地，基板包括半導(dǎo)體層和至少一個絕緣層。 優(yōu)選地，至少一個絕緣層形成用于天線的基板。 優(yōu)選地，基板用于遮蔽MEMS開關(guān)免受天線影響。 優(yōu)選地，MEMS開關(guān)和天線具有公共地。 優(yōu)選地，公共地包括半導(dǎo)體層。 優(yōu)選地，天線包括圖案化金屬表面。 優(yōu)選地，圖案化金屬表面包括螺線。 優(yōu)選地，螺線是彎曲的。 優(yōu)選地，天線包括多個天線元件。 優(yōu)選地，連接天線元件。 優(yōu)選地，一個或多個天線元件可以接通或斷開。 優(yōu)選地，一個或多個天線元件可以接通或斷開，以控制裝置的工作頻率。 優(yōu)選地，MEMS開關(guān)是電容開關(guān)。 優(yōu)選地，MEMS開關(guān)進(jìn)行操作以改變天線的輸入的相位或來自天線的輸出的相位。 優(yōu)選地，MEMS開關(guān)包括 基板； 第一導(dǎo)電層； 附接至基板并在基板上形成橋結(jié)構(gòu)的材料； 第二導(dǎo)電層，附接至遠(yuǎn)離基板的材料的表面； 其中，材料用作對第二導(dǎo)電層的機(jī)械支撐或用作電介質(zhì)。 優(yōu)選地，材料用于響應(yīng)于力的施加而彎曲，從而改變MEMS開關(guān)的電容。 優(yōu)選地，材料用于響應(yīng)于在第一和第二導(dǎo)電層之間施加電壓而彎曲，從而改變
MEMS開關(guān)的電容。 優(yōu)選地，材料具有小于4. 5GPa的彈力的楊氏模量。 優(yōu)選地，材料具有處于l腿z大于2的介電常數(shù)。 優(yōu)選地，材料是聚合物。 優(yōu)選地，材料源自對二甲苯。 更優(yōu)選地，材料是聚一氯對二甲苯。 可選地，材料是聚對二甲苯。 優(yōu)選地，第二導(dǎo)電層是金屬。 更優(yōu)選地，第二導(dǎo)電層包括鋁。 優(yōu)選地，MEMS開關(guān)還包括安裝在基板上的共面波導(dǎo)。 可選地，MEMS開關(guān)集成在微帶拓?fù)渲小?優(yōu)選地，橋結(jié)構(gòu)包括梁，其被成形以改變橋的機(jī)械特性以及其響應(yīng)于所施加的電 壓移動的方式。 優(yōu)選地，梁是對稱的。
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可選地，梁是不對稱的。
優(yōu)選地，梁包括蛇形彎曲部。 根據(jù)梁的形狀，其可以在施加電壓時以預(yù)定方式扭曲或彎曲。 優(yōu)選地，MEMS開關(guān)用于將電磁裝置連接至饋送線或信號路徑，以及將電磁裝置與 饋送線或信號路徑斷開。 優(yōu)選地，MEMS開關(guān)用于改變饋送線上的信號的相位。 優(yōu)選地，利用所施加電壓的相位改變在預(yù)定電壓范圍內(nèi)基本是線性的。 優(yōu)選地，多個MEMS開關(guān)可以進(jìn)行組合，以在所施加電壓進(jìn)行施加時提供從0至
36(TC的可控相移。 優(yōu)選地，連接器是通孔或過孔。 優(yōu)選地，連接器包括附接于此的導(dǎo)電材料。 優(yōu)選地，該裝置還包括集成電路，該集成電路在MEMS開關(guān)處或其附近附接至該裝置。 優(yōu)選地，集成電路包括CMOS電路。 優(yōu)選地，CMOS電路包括CMOS無線電裝置。 優(yōu)選地，多個天線元件包括天線陣列，該天線陣列包括多個第一天線元件，每一個
都具有第一天線配置，該天線陣列并且還包括多個第二天線元件，每一個都具有第二天線
配置，其中，第一天線配置和第二天線配置是不同的。 優(yōu)選地，第二天線配置包括第一天線配置的轉(zhuǎn)換。 優(yōu)選地，轉(zhuǎn)換包括旋轉(zhuǎn)、映像、縮放和變形的至少一種。 優(yōu)選地，多個第一天線元件與多個第二天線元件交錯。
優(yōu)選地，天線陣列包括第一元件組，包括第一天線元件和第二天線元件；以及第
二元件組，包括第一元件組的轉(zhuǎn)換。 優(yōu)選地，轉(zhuǎn)換包括映像。 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了用于傳送和/或接收電磁波的裝置，該裝置包括
天線陣列，包括多個第一天線元件，每一個都具有第一天線配置，并且還包括多 個第二天線元件，每一個都具有第二天線配置，其中，第一天線配置和第二天線配置是不同 的；以及 —個或多個開關(guān)，用于接通或斷開一個或多個天線元件，以配置天線陣列。
優(yōu)選地，第二天線配置包括第一天線配置的轉(zhuǎn)換。
優(yōu)選地，轉(zhuǎn)換包括旋轉(zhuǎn)、映像、縮放和變形的至少一種。
優(yōu)選地，多個第一天線元件與多個第二天線元件交錯。 優(yōu)選地，天線陣列包括第一元件組，包括第一和第二天線元件；以及第二元件
組，包括第一元件組的轉(zhuǎn)換。 優(yōu)選地，轉(zhuǎn)換包括映像。


現(xiàn)在，將僅通過參照附圖的實例描述本發(fā)明，其中
圖1是已知MEMS電容橋的示 圖2是向其施加電壓的已知MEMS電容橋的示圖； 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的第一實施例； 圖4示出了具有對稱蛇形支撐件的裝置的第二實施例； 圖5示出了與圖4類似但具有非對稱蛇形支持的裝置； 圖6是繪出根據(jù)本發(fā)明的裝置的相位對所施加電壓的曲線圖； 圖7a至圖7g示出了用于構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明的裝置的工藝； 圖8示出了安裝在根據(jù)本發(fā)明的裝置的表面上的多個天線； 圖9示出了在不存在支撐基板的情況下天線電容橋MEMS開關(guān)和通孔的配置； 圖10示出了在不存在支撐基板的情況下的多個天線和MEMS開關(guān)； 圖11示出了 MEMS開關(guān)和輸入/輸出路線； 圖12是根據(jù)本發(fā)明的MEMS開關(guān)橋的透視圖； 圖13是圖11的裝置更加詳細(xì)的示圖； 圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的CMOS可重構(gòu)無線電裝置； 圖15是根據(jù)本發(fā)明的CMOS可重構(gòu)無線電裝置的透視圖； 圖16是示出圖14和圖15的可重構(gòu)無線電裝置的各層的側(cè)視圖； 圖17示出了又一個天線實施例； 圖18示出了在不存在支撐基板的情況下具有過孔的圖17的天線的視圖； 圖19示出了具有四種天線元件的異構(gòu)微天線的陣列； 圖20和圖21示出了同構(gòu)陣列的實例，每個元件都具有相同的形狀，但在陣列中的 不同位置通過旋轉(zhuǎn)進(jìn)行變化； 圖22示出了具有四種不同的天線的異構(gòu)陣列的實例； 圖23示出了具有重復(fù)且旋轉(zhuǎn)的一組四個的兩種不同類型的天線的異構(gòu)陣列的實 例； 圖24示出了具有重復(fù)的一組四個的兩種不同類型的天線的異構(gòu)陣列的實例； 圖25和圖26示出了分別用于提供多極化的同構(gòu)和異構(gòu)陣列的實例； 圖27示出了具有不同天線設(shè)計的同構(gòu)陣列的組合的異構(gòu)陣列的實例； 圖28示出了具有類似天線設(shè)計的同構(gòu)陣列的組合的異構(gòu)陣列的實例；以及 圖29示出了具有所有可能極化且具有同構(gòu)陣列組合的異構(gòu)陣列的實例。
具體實施例方式
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的實施例。裝置15包括最上面的金屬層17，其橫跨 由聚合物層19形成的橋結(jié)構(gòu)延伸。聚合物層包括聚一氯對二甲苯(二氯對二甲苯二聚體 (parylene-C))。 聚合物層19下方的空間容納共面波導(dǎo)23和基板21上的第二板75?？偟闹尉?離L通過共面波導(dǎo)的寬度的距離W和距離G來提供，其中，兩個距離G相等并提供共面波導(dǎo) 的邊緣和聚合物19的垂直部分之間的剩余距離。 聚對二甲苯在MEMS制造中通常被用作防水材料。其是類似于具有非常低的彈簧 常數(shù)(即，高彈性)的聚合物的塑料。二氯對二甲苯二聚體用在本發(fā)明的這個實施例中，因 為其包含適當(dāng)?shù)娜彳浂?、介電?qiáng)度和其他與其作為涂覆材料的正常使用相關(guān)的特性。二氯對二甲苯二聚體是真空沉積塑料膜，其根據(jù)氣態(tài)單體形成聚合物作為固態(tài)涂層。其提供了 極好的耐蝕性、重量輕、無應(yīng)力以及使其適合于空間和軍事應(yīng)用的抗輻射性。二氯對二甲苯 二聚體具有2. 8GPa的楊氏模量，因此其是能夠在施加電壓時隨著裝置變形而彎曲的極其 柔軟的材料。 將聚對二甲苯用作主要橋材料使得MEMS裝置的橋非常柔軟，并且要求相對較低 的致動電壓來拉動橋向下。這意味著需要較低的功率來控制MEMS裝置。聚對二甲苯的使 用允許單個元件的制造，可動態(tài)地構(gòu)造rf相移器元件用于任何特定的校準(zhǔn)頻率。這種相移 器元件的陣列可被組裝并分別尋址，以改變rf裝置的總體特性。例如，通過附接天線元件 來形成用于固定頻率范圍的操作或可重構(gòu)頻率范圍的相控陣列。 聚對二甲苯的使用提供了橋的強(qiáng)度構(gòu)件。如圖1所示，傳統(tǒng)的MEMS橋使用金屬橋 并在底板上具有絕緣層，以提供電容開關(guān)的介電質(zhì)。與典型的MEMS橋相比，在本發(fā)明的優(yōu) 選實施例中，絕緣層從底板移到頂板。這在MEMS裝置的兩個金屬層之間提供了絕緣層，并 消除了金屬線路上方對于絕緣的需求。優(yōu)選實施例將空氣作為可變電介質(zhì)，以及將聚對二 甲苯用作恒定介電材料，以通過改變橋高度來改變電容。選擇聚對二甲苯作為橋的主要材 料還支持將非常薄的金屬膜用作頂部金屬層。這利于非常柔軟的MEMS裝置的制造。
圖4示出了對稱的蛇形橋設(shè)計31，其包括基板33、蛇形彎曲部35、37，蛇形彎曲部 35、37沿著基板的長度延伸以基本上將基板一分為二。蛇形彎曲部在凸出位置通過支撐件 43來支撐。固定板41形成梁的中心部分，并在其兩端附接至蛇形彎曲部35、37。 CPW 39在 板41下方被支撐，并與板41隔開一定間隙。 圖5示出了與圖4具有類似構(gòu)造的開關(guān)的另一個實施例。其包括基板53、蛇形梁 55、CPW 57、板59和支持件61。非對稱結(jié)構(gòu)可以使橋在施加電壓時扭曲。設(shè)想另一梁和彎 曲部幾何形狀，其中，電壓的施加會以可控方式移動梁。 圖6是針對根據(jù)本發(fā)明的裝置的相位82對施加電壓84的曲線圖80。曲線86示 出了相位變化具有指數(shù)特性并且可控。此外，在較低電壓處，該曲線近似為線性。在本發(fā)明 的優(yōu)選實施例中，使用5個這樣的裝置實施相移器控制。在那種情況下，累計效應(yīng)使得達(dá)到 36(TC的相移通過OV和14V之間的施加電壓來實現(xiàn)。 上述本發(fā)明的裝置提供了低功率、低電壓致動MEMS開關(guān)，其改變傳輸線上信號的 相位?？梢詫⑵涫褂脭U(kuò)展到分布式MEMS傳輸線(DTML)，其中，每個單元都可被電控制。
圖7a至圖7g示出了用于制造根據(jù)本發(fā)明的裝置的工藝。圖7a示出了硅半導(dǎo)體 基板12。在圖7b中，14示出了具有絕緣層16的n型硅基板12。圖7c示出了具有絕緣體 16以及進(jìn)入穿透這些層的通孔或過孔的n型硅基板12。 圖7d示出了圖7c具有形成在絕緣層的頂部上的金屬涂層的配置。金屬涂層24 形成本發(fā)明的天線。圖7e示出了圖7d在硅基板與天線24相對的表面上具有附加聚合物 層28的配置。在圖7f中，30示出了沉積在聚合物層28的頂部上的金屬層32。圖7g示出 了一旦根據(jù)分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行蝕刻的MEMS電容開關(guān)的結(jié)構(gòu)。 在圖8中，34示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的表面，其中，天線36根據(jù)基板38之上的 金屬表面而成型。 電磁傳輸?shù)亩喾N應(yīng)用需要大多數(shù)電磁波頻譜的探測和利用。為了覆蓋頻率的整個 范圍，又一實施例利用了非頻變天線，其性能相對于其電特性、物理尺寸和工作頻率是固定
10不變的。 這種非頻變天線完全通過角度來指定，并要求電流沿著結(jié)構(gòu)減弱直到在切斷點可 忽略。為了使輻射和減弱發(fā)生，必須使電荷加速，并且當(dāng)導(dǎo)體與電荷行進(jìn)的方向相垂直地彎 曲或彎折時才發(fā)生。因此，螺旋形的彎曲提供了寬帶寬的非頻變操作。 這種彎曲的螺旋形設(shè)計(未示出)的優(yōu)點在于這種非頻變天線的陣列可以與用于
波束形成的MEMS裝置進(jìn)行結(jié)合?？梢栽谄谕姆较蛏蟻聿倏v波束的總體輻射方向圖。MEMS
裝置被用于分別控制在工作頻率的整個范圍內(nèi)饋送給每個天線的信號的相位，從而給出不
僅采用輻射方向圖的方向性而且同時采用陣列的工作頻率的優(yōu)點。這種針對陣列內(nèi)的每個
天線的同時提供陣列的頻率和定向適應(yīng)性的精確控制是本實施例的新穎特征。 圖9示出了在不存在基板的情況下的本發(fā)明的配置。繪制該圖以闡明本發(fā)明的特
定特征。在該實例中，天線36被定位在基板(未示出)的一側(cè)上并通過通孔或過孔48連
接至MEMS電容橋44和傳輸線42，通孔或過孔48形成了從裝置的一側(cè)到另一側(cè)穿過基板的
導(dǎo)電路徑。 有利地，以這種方式制造本發(fā)明的裝置，以遮蔽MEMS開關(guān)免受從天線接收或傳送 的電磁輻射的影響。 在現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不可以在半導(dǎo)體基板上整體地制造MEMS和天線。這是由 于基板的高介電常數(shù)以及形成在天線和接地面之間的表面波。本發(fā)明使MEMS設(shè)置在晶片 的背側(cè)，并且天線和MEMS具有公共地。將天線設(shè)計為具有非常小的背部輻射。除了在接地 面背面的區(qū)域之外，沒有表面電流且具有非常小的電磁場。 圖10是本發(fā)明的又一實施例，其中，四個單獨的MEMS開關(guān)54、56、58和60連接至 四個單獨的天線62、64、66和68。傳輸線52通過天線提供輸入和輸出。MEMS開關(guān)54、56、 58和60是可控的，從而將各個天線62、64、66和68的每一個切換為進(jìn)行電磁信號的傳輸 和/或接收或不進(jìn)行電磁信號的傳輸和/或接收。這通過控制對MEMS開關(guān)的輸入以改變 傳送通過天線的信號的相位來實現(xiàn)。 圖11至圖13以細(xì)節(jié)的變化程度示出了裝置。圖11簡單示出了每個MEMS開關(guān) 54、56、58和60都連接至基板38 —側(cè)上的傳輸線42。圖12示出了橋電路54，其包括連接 至傳輸線42的多個單獨的電容開關(guān)46。此外，圖13更加詳細(xì)的示圖示出了連接至傳輸線 42的電容開關(guān)46。 圖14示出了本發(fā)明的又一實施例，其中，CM0S可重構(gòu)無線電芯片連接至容納MEMS 開關(guān)的基板的一側(cè)。 圖15和圖16示出了該裝置的分層結(jié)構(gòu)。其包括在一個端面上的CMOS無線電裝 置03以及在另一端面上的天線05。在這些表面之間存在多個層，多個層包括絕緣體層07、 硅層09、絕緣體11和MEMS裝置13。 參照圖7a至7g描述根據(jù)本發(fā)明的制造裝置的工藝。 絕緣體材料16在高導(dǎo)電性硅晶片12上沉積到200至500um的厚度。精確的深度 取決于天線的應(yīng)用。 形成用于金屬探針的通孔20，然后小心地從基板12清除以露出裝置的背側(cè)。然 后，利用銅24對背側(cè)進(jìn)行電鍍到lum的厚度，并形成直徑為20um的探針。銅24被光刻劑 遮住，然后曝光以形成圖8所示期望形狀的天線。
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在頂層上圖案化MEMS結(jié)構(gòu)28、32。這些MEMS裝置起到開關(guān)、相移器和匹配電路的 作用，構(gòu)成可重構(gòu)MEMS應(yīng)用裝置。 因此，可以在硅晶片的一側(cè)上結(jié)合完整天線或大的天線陣列，同時在晶片的相反 側(cè)上制造MEMS裝置。使MEMS處于另一側(cè)減小了來自天線的輻射干擾，并且還簡化了 RF和 MEMS控制電路的3D集成。 這通過使可重構(gòu)天線與RF和其他模塊設(shè)置在相同芯片上來對芯片上系統(tǒng)增加了 新的尺寸。這減少了損耗，使總的系統(tǒng)效率最大，并減少了功耗，這是因為RF和天線饋送之 間的較短距離。本發(fā)明允許具有多頻率容量的多帶天線與定相陣列網(wǎng)絡(luò)的集成，以構(gòu)成用 于多帶通信的可重構(gòu)微天線。天線陣列在方向性、頻率、相位和極化方面都是可重構(gòu)的。
圖17示出了具有天線規(guī)格的又一天線實施例90的平面圖。該實施例具有低功率，
在多個頻率處都工作地很好，并在其操作范圍上都具有穩(wěn)定的性能。 圖18示出了不存在支撐基板的情況下具有過孔91的、圖17的天線90的示圖。
圖19示出了具有四種天線元件101、102、103和104(每個都具有不同的配置)的 異構(gòu)微天線的陣列100。沒有示出可用于接通或切斷一個或多個天線元件以構(gòu)造天線陣列 100的MEMS開關(guān)。 可重構(gòu)天線陣列100橫跨在陣列100具有重復(fù)的元件組101至104。此外，橫跨較 大的陣列100，元件101的陣列與元件102的陣列交錯。 可以利用小于4mi^尺寸的天線來實施同構(gòu)或異構(gòu)天線陣列結(jié)構(gòu)。天線陣列可包 括一種、兩種、三種、四種及以上不同類型的天線(例如，螺旋、螺線等)。天線陣列配置可 覆蓋從棋狀陣列結(jié)構(gòu)到重復(fù)天線中心的較大陣列的所有形狀和配置。這允許平滑的波束形 成并相容覆蓋許多頻帶，并且還允許在相同陣列中從單種極化(垂直、水平、右旋圓和左旋 圓)直到所有可能的極化。 圖19所示陣列的變化(包括處于不同定向的相同圖案的組合)提供了左旋圓和
右旋圓極化以及大約水平和垂直極化。該天線陣列提供了對大頻譜、極化和空間分集的覆
圭 下面參照附圖討論各種天線陣列結(jié)構(gòu)。 圖20和圖21示出了同構(gòu)陣列的實例，每個元件都具有相同的形狀，但在陣列中不 同位置通過旋轉(zhuǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 圖22示出了與圖19所示類似的具有四種不同天線的異構(gòu)陣列的實例，但是每個 組都橫跨陣列水平重復(fù)同時旋轉(zhuǎn)而被轉(zhuǎn)換。每個元件組的垂直重復(fù)并不涉及任何轉(zhuǎn)換，而 僅僅是平移，所以每列都包括四個相同組的堆疊。 圖23示出了一組四個的具有兩種不同類型天線的異構(gòu)陣列的實例。存在每個四 元件組的四種旋轉(zhuǎn)都水平橫跨陣列。此外，類似于圖22，每個元件組的垂直重復(fù)并不涉及任 何轉(zhuǎn)換，而僅僅是平移。 圖24示出了具有兩種不同類型天線的異構(gòu)陣列的實例，其不具有橫跨陣列轉(zhuǎn)換 每個四元件組。 圖25示出了使用圖17的基本元件的不同旋轉(zhuǎn)提供多極化的同構(gòu)陣列的實例。天 線的每個象限都與其他象限相同。 圖26示出了使用圖17的基本元件的不同旋轉(zhuǎn)和映像提供多極化的異構(gòu)陣列的實例。每半邊的天線都相對于中心線被映射，使得每個象限都是其最近相鄰象限的映像。螺 旋天線元件的映像產(chǎn)生了不同的天線類型，因此陣列是異構(gòu)的。 盡管在圖中示出了通過旋轉(zhuǎn)和映像進(jìn)行天線元件的轉(zhuǎn)換，但其他轉(zhuǎn)換(例如縮放 和變形)也可以被用于提供不同的天線元件配置。 圖27示出了具有不同天線設(shè)計的同構(gòu)陣列組合的異構(gòu)陣列的實例。 圖28示出了具有類似天線設(shè)計的同構(gòu)陣列組合的異構(gòu)陣列的實例。每半邊的天
線都相對于中心線被映射，使得每個象限都是其最近相鄰象限的映像。 圖29示出了具有4X4同構(gòu)陣列組合的異構(gòu)陣列的實例，其具有所有可能的極化。
這適合于較大陣列尺寸的應(yīng)用(例如，雷達(dá))。 使用本發(fā)明的天線陣列以使頻譜范圍最大，并且同時還具有高方向性和多極化能 力。該陣列可包括多個相對于彼此以各種方向放置的不同輻射元件，以使干擾最小且使效 率最大。異構(gòu)天線陣列滿足民用和軍用的較寬范圍。 每個元件的尺寸為毫米的級別，并且這種小天線元件的陣列并不會不利地被尺寸 所限制，因此可以允許在陣列中使用大量的元件。陣列的結(jié)構(gòu)及其元件類型(異構(gòu)和同構(gòu)) 的選擇、放置和它們的數(shù)量通過所針對的應(yīng)用、頻率范圍和所要求的極化、所需要的相移、 饋送系統(tǒng)的功率處理能力和芯片的封裝來調(diào)節(jié)。 通常，在天線陣列中，在不同的陣列元件之間存在固有的干擾問題，然而，本發(fā)明
的陣列具有接通/切斷各個元件的能力，從而減小了處于給定頻率的干擾效應(yīng)。 陣列中元件的放置可以提供電磁輻射的各種極化，極化可以在水平、垂直、右旋圓
和左旋圓極化之間進(jìn)行變化。通過適當(dāng)放置陣列元件，該陣列可在同一陣列上實現(xiàn)所有種
類的極化。 這種設(shè)計可源于來自經(jīng)由MEMS相移器的網(wǎng)絡(luò)控制的輻射元件中分配的RF的單饋 送。這簡化了 RF端，其中，系統(tǒng)將會通過改變波束的方向性來嘗試檢測期望信號的最大信 噪比(SNR)。 通過可重構(gòu)MEMS的應(yīng)用，可實現(xiàn)微型低功率自適應(yīng)天線的構(gòu)想，并且通過無縫式
可重構(gòu)SoC結(jié)構(gòu)，可以在單個平臺上建立多種應(yīng)用。自適應(yīng)天線陣列能夠察覺到它們的環(huán)
境，并自動地調(diào)節(jié)它們的信號定向，以減少干擾并使期望的信號接收最大化。本發(fā)明可用于多標(biāo)準(zhǔn)、多頻率通信，以實施900. 1800MHz的GSM、 2GHZ的3G、 2. 4GHz
的WLAN/藍(lán)牙、5GHz的WLAN和10 66GHz的WiMAX的單個系統(tǒng)。用戶的需求是能夠利用
所有這些關(guān)鍵的通信系統(tǒng)，本發(fā)明將會使用戶受益于單個裝置上完整頻譜。 作為交互裝置的天線在傳送和接收微波時具有相同特性，因此主要用于通信的天
線還可以應(yīng)用于基于空間的傳感器。被動微波感測是與熱感測類似的概念，其檢測在其視
場內(nèi)自然輻射的微波能量。這種輻射的能量與發(fā)射對象或表面的溫度和潮濕特性相關(guān)。 現(xiàn)在在歐洲和美國(USA)所使用的許多運輸和豪華客用機(jī)動車輛上出現(xiàn)了汽車
雷達(dá)裝置。在先進(jìn)的巡航控制系統(tǒng)中采用這些裝置，其可以驅(qū)動機(jī)動車輛的加速器和/或
剎車，以控制其在另一車輛之后的隔離距離。這種系統(tǒng)的實例是B麗的"主動巡航控制"、
Jaguar的"自適應(yīng)巡航控制"和Daimler-Benz的"限距"系統(tǒng)。期望這些系統(tǒng)的使用在未
來將變得普遍。 許多車輛進(jìn)口商設(shè)法使汽車具有智能巡航控制系統(tǒng)引入澳大利亞。所提出的系統(tǒng)采用在76 77GHz的頻率范圍內(nèi)操作的脈沖雷達(dá)。歐洲郵政和電信會議(CEPT)提出了 43 個歐洲監(jiān)管委員。CEPT通過歐洲無線電通信協(xié)議(ERC)決議(92) 02 [2]確定76 77GHz 的頻帶應(yīng)該被指定給非專屬基礎(chǔ)的汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。對于用作車輛雷達(dá)系統(tǒng)的車載場干擾傳 感器，聯(lián)邦通信委員會(FCC) [3]規(guī)則支持46. 7 46. 9GHz頻帶和76. 0 77. 0GHz頻帶在 USA的使用。國際電信聯(lián)盟(ITU)建議ITU R M. 1310 [4]將頻帶60 61GHz和76 77GHz 由汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)所使用。針對這種目的的日本郵政和電信部(MPT)的對60 61GHz頻帶 和76 77GHz頻帶的應(yīng)用與亞太電信聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化程序(ASTAP)相類似，其已經(jīng)提出了關(guān) 于"low Power Short-RangeVehicle Radar Equipment Operating in the 60-61GHz，and 76-77GHz bands"標(biāo)準(zhǔn)草案的提議。 下表是支持汽車?yán)走_(dá)的使用的(由海外機(jī)構(gòu)做出的)各種頻帶的總結(jié)。 所支持的頻帶 機(jī)構(gòu) 76 77GHz CEPT (歐洲)





76 77GHz ETSI (歐洲)
46. 7 46. 9GHz ， 76 77GHz FCC (美國)
60 61GHz, 76 77GHz ITU
60 61GHz，76 77GHz MPT(日本)
多模式雷達(dá)是用于許多軍事運載工具(尤其是航空器)的主要任務(wù)傳感器，賦予 它們跟蹤和掃描多目標(biāo)的能力，并且低功率、輕重量且能夠?qū)掝l帶操作。
在這種應(yīng)用中采用本發(fā)明的可重構(gòu)天線的優(yōu)點在于其可以按比例放大到較大陣 列以在多模式雷達(dá)中創(chuàng)建有效操作的多掃描波束。由于單個天線的尺寸小于4mm2，所以這 種小MEMS天線的陣列將根據(jù)所需應(yīng)用給出低功率且重量輕的裝置。 單個3英寸晶片可以集成多于200的當(dāng)前設(shè)計的元件(如下所示)。較大天線的 每個部分都可以以不同的模式進(jìn)行操作，以用于應(yīng)用所要求的對多個目標(biāo)的同時跟蹤和掃 描。 由于尺寸的縮小，可以實施天線的異構(gòu)陣列，每個都以多種頻率進(jìn)行工作。整體的 陣列會覆蓋整個頻譜。因此，在單個晶片實施的情況下，可以覆蓋1 150GHz的頻率，提供 對目標(biāo)的寬帶掃描和基于窄帶的跟蹤。這對于通過單個裝置進(jìn)行軍事應(yīng)用和跟蹤多個目標(biāo) 來說是理想的。 合成孔徑雷達(dá)(SAR)是指用于通過組合雷達(dá)沿著飛機(jī)或衛(wèi)星的航跡移動所接收 的信號(回波)來合成非常長的天線的技術(shù)?？讖绞侵赣糜谑占纬蓤D像的反射能量的開 □。 SAR系統(tǒng)利用雷達(dá)信號的大范圍傳播特性和現(xiàn)代數(shù)字電子器件的復(fù)雜信息處理能 力的優(yōu)點來提供高解析度圖像。合成孔徑雷達(dá)補(bǔ)充了攝影和其他光學(xué)成像能力，這是因為 對時間和大氣條件的最低限制以及因為相對于雷達(dá)頻率的地形和文化目標(biāo)的獨特響應(yīng)。
合成孔徑雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)向地質(zhì)學(xué)者提供了地形結(jié)構(gòu)信息用于礦物開發(fā)，向環(huán)境工 作者提供關(guān)于漏油邊界，向領(lǐng)航員提供海況和冰暴，以及向軍事行動提供偵查和目標(biāo)信息。 本發(fā)明具有許多其他應(yīng)用或潛在應(yīng)用。它們中的一些(尤其是民用)還沒有被充分開發(fā)， 因為較低成本的電子器件剛剛開始使SAR技術(shù)變得經(jīng)濟(jì)以進(jìn)行小規(guī)模使用。
本發(fā)明可以使用本文所描述的各種結(jié)構(gòu)覆蓋SAR頻率，以制造低功率、堅固且小
14型化的SAR裝置的版本。 被動微波遠(yuǎn)程感測的應(yīng)用包括氣象學(xué)、水文學(xué)和海洋學(xué)。目前所使用的大多數(shù)地 球觀測衛(wèi)星承載非常特定的雷達(dá)子系統(tǒng)，該雷達(dá)子系統(tǒng)根據(jù)微波頻譜的固定頻帶來工作。 在本發(fā)明可重構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)范圍內(nèi)具有P、 L、 S、 C和X頻帶。 對于身體可佩帶天線，目前感興趣的為軍事和民用領(lǐng)域。本發(fā)明提供了可重構(gòu)天 線，其較小且覆蓋了用于高數(shù)據(jù)率微波鏈路和感測的大量頻率。用于個人通信和感測的可 重構(gòu)天線的設(shè)計可以被認(rèn)定是非常有用的裝置應(yīng)用。 這種自適應(yīng)天線的應(yīng)用不限于通信，而是還可以用于醫(yī)學(xué)治療。用于微波諧振治 療(MRT)的天線生成高頻微波，在臨床實驗中成功治療乳腺癌。與將現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)東方 醫(yī)學(xué)相混合的針灸療法類似，它們還被用于生物物理治療。由于相對較小的尺寸，低功率、 設(shè)計成本以及與CMOS技術(shù)相對容易的結(jié)合，在上述兩種情況下，采用相位陣列天線。
在不背離本發(fā)明權(quán)利要求的范圍的情況下，可以結(jié)合各種改進(jìn)和修改。
權(quán)利要求
一種用于傳送和/或接收電磁波的裝置，所述裝置包括基板；一個或多個天線，安裝在所述基板的第一表面上；一個或多個微機(jī)電(MEMS)開關(guān)，定位在所述基板的第二表面上；連接器，穿過所述基板延伸以操作性地將所述MEMS開關(guān)連接至所述天線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述基板包括半導(dǎo)體層和至少一個絕緣層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述至少一個絕緣層形成用于所述天線的基板。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述基板用于遮蔽所述MEMS開關(guān)免 受所述天線影響。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述MEMS開關(guān)和所述天線具有公共地。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中，所述公共地包括半導(dǎo)體層。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述天線包括圖案化金屬表面。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中，所述圖案化金屬表面包括螺線。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述螺線是彎曲的。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述天線包括多個天線元件。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中，所述天線元件是被連接的。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的裝置，其中，一個或多個天線元件被接通或斷開。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10至12中任一項所述的裝置，其中，一個或多個天線元件被接通或 斷開，以控制所述裝置的工作頻率。
14. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述MEMS開關(guān)是電容開關(guān)。
15. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述MEMS開關(guān)進(jìn)行操作以改變所 述天線的輸入的相位或來自所述天線的輸出的相位。
16. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述MEMS開關(guān)包括 基板；第一導(dǎo)電層；附接至所述基板并在所述基板上形成橋結(jié)構(gòu)的材料；第二導(dǎo)電層，附接至遠(yuǎn)離所述基板的所述材料的表面；其中，所述材料用作對所述第二導(dǎo)電層的機(jī)械支撐以及用作電介質(zhì)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中，所述材料用于響應(yīng)于力的施加而彎曲，從而改 變所述MEMS開關(guān)的電容。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中，所述材料用于響應(yīng)于在所述第一導(dǎo)電層和所 述第二導(dǎo)電層之間施加電壓而彎曲，從而改變所述MEMS開關(guān)的電容。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16至18中任一項所述的裝置，其中，所述材料具有小于4. 5GPa的彈 力的楊氏模量。
20. 根據(jù)權(quán)利要求16至19中任一項所述的裝置，其中，所述材料具有處于1MHz大于2 的介電常數(shù)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求16至20中任一項所述的裝置，其中，所述材料是聚合物。
22. 根據(jù)權(quán)利要求16至21中任一項所述的裝置，其中，所述材料源自對二甲苯。
23. 根據(jù)權(quán)利要求16至22中任一項所述的裝置，其中，所述材料是聚一氯對二甲苯
24. 根據(jù)權(quán)利要求16至23中任一項所述的裝置，其中，所述材料是聚對二甲苯。
25. 根據(jù)權(quán)利要求16至24中任一項所述的裝置，其中，所述第二導(dǎo)電層是金屬。
26. 根據(jù)權(quán)利要求16至25中任一項所述的裝置，其中，所述第二導(dǎo)電層包括鋁。
27. 根據(jù)權(quán)利要求16至26中任一項所述的裝置，其中，所述MEMS開關(guān)還包括安裝在所 述基板上的共面波導(dǎo)。
28. 根據(jù)權(quán)利要求16至27中任一項所述的裝置，其中，所述MEMS開關(guān)集成在微帶拓?fù)渲小?br> 29. 根據(jù)權(quán)利要求18至28中任一項所述的裝置，其中，所述橋結(jié)構(gòu)包括梁，所述梁被成 形以改變橋的機(jī)械特性以及其響應(yīng)于所施加的電壓移動的方式。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，其中，所述梁是對稱的。
31. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，其中，所述梁是不對稱的。
32. 根據(jù)權(quán)利要求29至31中任一項所述的裝置，其中，所述梁包括蛇形彎曲部。
33. 根據(jù)權(quán)利要求29至32中任一項所述的裝置，其中，配置所述梁的形狀，使得在施加 電壓時所述梁以預(yù)定方式扭曲或彎曲。
34. 根據(jù)權(quán)利要求29至33中任一項所述的裝置，其中，所述MEMS開關(guān)被配置為將電磁 裝置連接至饋送線或信號路徑，以及將所述電磁裝置與所述饋送線或所述信號路徑斷開。
35. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的裝置，其中，所述MEMS開關(guān)用于改變所述饋送線上的信號 的相位。
36. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的裝置，其中，利用所施加電壓的相位改變在預(yù)定電壓范圍 內(nèi)基本是線性的。
37. 根據(jù)權(quán)利要求35或36所述的裝置，其中，多個MEMS開關(guān)進(jìn)行組合，以在所施加電 壓進(jìn)行施加時提供從0至36(TC的可控相移。
38. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述連接器是通孔或過孔。
39. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述連接器包括附接于此的導(dǎo)電材料。
40. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述裝置還包括集成電路，所述集 成電路在所述MEMS開關(guān)出或其附近附接至所述裝置。
41. 根據(jù)權(quán)利要求40所述的裝置，其中，所述集成電路包括CM0S電路。
42. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的裝置，其中，所述CMOS電路包括CMOS無線電裝置。
43. 根據(jù)權(quán)利要求10至42中任一項所述的裝置，其中，所述多個天線元件包括天線陣 列，所述天線陣列包括多個第一天線元件，每一個都具有第一天線配置，并且所述天線陣列 還包括多個第二天線元件，每一個都具有第二天線配置，其中，所述第一天線配置和所述第 二天線配置是不同的。
44. 根據(jù)權(quán)利要求43所述的裝置，其中，所述第二天線配置包括所述第一天線配置的 轉(zhuǎn)換。
45. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的裝置，其中，所述轉(zhuǎn)換包括旋轉(zhuǎn)、映像、縮放和變形的至少一種。
46. 根據(jù)權(quán)利要求43至45中任一項所述的裝置，其中，所述多個第一天線元件與所述多個第二天線元件交錯。
47. 根據(jù)權(quán)利要求43至46中任一項所述的裝置，其中，所述天線陣列包括第一元件 組，包括第一天線元件和第二天線元件；以及第二元件組，包括所述第一元件組的轉(zhuǎn)換。
48. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的裝置，其中，所述轉(zhuǎn)換包括映像。
全文摘要
微機(jī)電(MEMS)天線(36)被定位在基板的一側(cè)并通過通孔或過孔(48)連接至包括電容器橋(46)的MEMS開關(guān)和傳輸線(42)，通孔或過孔(48)形成穿過基板的導(dǎo)電路徑。這種配置為天線和開關(guān)提供了公共接地面，并遮蔽開關(guān)免受從天線接收或傳送的電磁輻射的影響。開關(guān)可包括最上面的金屬層，其橫跨由聚合物層(19)形成的橋結(jié)構(gòu)延伸。聚合物層包括聚一氯對二甲苯(二氯對二甲苯二聚體)。實現(xiàn)了同構(gòu)或異構(gòu)天線陣列結(jié)構(gòu)。天線陣列可包括一個或多個不同類型的天線，這些天線例如具有不同的形狀、旋轉(zhuǎn)和映像。
文檔編號H01Q1/38GK101743665SQ200880019799
公開日2010年6月16日 申請日期2008年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月13日
發(fā)明者安東尼·約翰·沃爾頓, 格里爾·阿斯蘭, 納庫爾·R·哈里達(dá)斯 申請人:愛丁堡大學(xué)評議會