本發(fā)明屬于射頻微機電系統(tǒng)(RF-MEMS)領(lǐng)域，特別是一種新型的貫序旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)無阻塞RF-MEMS開關(guān)矩陣。

背景技術(shù)：

RF-MEMS開關(guān)以其射頻性能好體積重量小等優(yōu)勢，格外受到航空航天領(lǐng)域的關(guān)注。尤其是星載領(lǐng)域，火箭的單位重量發(fā)射成本較高，所以其對載荷重量較為敏感，所以在射頻開關(guān)矩陣中應(yīng)用MEMS技術(shù)是其必然趨勢。同時，單顆衛(wèi)星的功能功能需求也越來越多，多功能衛(wèi)星尤其是對于裝配有多功能相控陣天線的衛(wèi)星來說，大型RF-MEMS開關(guān)矩陣是其最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。

大型相控陣天線通過孔徑選擇實現(xiàn)多功能需要大型開關(guān)矩陣，大型開關(guān)矩陣為其提供了更高的配置自由度，使得單個相控陣天線集多種功能于一體，同時能夠?qū)崿F(xiàn)部分射頻組件的綜合復(fù)用，有效減少了成本。而設(shè)計大型開關(guān)矩陣的一大障礙便是開關(guān)矩陣的性能會隨著開關(guān)矩陣階數(shù)的增加而急劇惡化。開關(guān)矩陣的拓撲結(jié)構(gòu)目前有crossbar型、L型和階梯型等多種類型，這些拓撲結(jié)構(gòu)都是首先利用幾個開關(guān)單元(一般是串聯(lián)開關(guān)單元)設(shè)計矩陣構(gòu)件，矩陣構(gòu)件能夠?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)拓撲結(jié)構(gòu)需要的不同狀態(tài)如crossbar型的turn態(tài)和thru態(tài)；然后將構(gòu)件平移拓展成開關(guān)矩陣。這種結(jié)構(gòu)易于拓展，并且設(shè)計簡單，同時有利于加工實現(xiàn)。但是已有的設(shè)計都有一個共同的缺點：不利于設(shè)計大型的開關(guān)矩陣。由于RF-MEMS開關(guān)本身的優(yōu)良性質(zhì)，其射頻性能優(yōu)秀，因此，當開關(guān)矩陣較小時，單個開關(guān)或者幾個開關(guān)造成的射頻性能損失不是非常明顯。但是當開關(guān)構(gòu)件拓展成大型開關(guān)矩陣的時候，開關(guān)單元會隨著矩陣的拓展而形成累積效應(yīng)，大型開關(guān)矩陣的性能會由此下降。

對于傳統(tǒng)平面RF MEMS開關(guān)構(gòu)件來說，兩路thru通路必定各自包含一個RF MEMS開關(guān)，其中一路還有額外的跨接結(jié)構(gòu)以提供兩路信號同時通過交叉點的通路，如圖1所示。其中存在三個RF-MEMS開關(guān)單元和一個跨接結(jié)構(gòu)。并且平面結(jié)構(gòu)中交叉點的跨接結(jié)構(gòu)是必然存在的。這就導(dǎo)致了這樣的開關(guān)構(gòu)件組成開關(guān)矩陣之后開關(guān)單元數(shù)量較多，形成累積效應(yīng)，性能損失較大，同時不連續(xù)結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致性能的進一步損失。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種新型的貫序旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)無阻塞RF-MEMS開關(guān)矩陣，減少了傳統(tǒng)crossbar型RF-MEMS開關(guān)矩陣構(gòu)件中的開關(guān)個數(shù)，同時將跨接結(jié)構(gòu)與懸臂梁開關(guān)結(jié)構(gòu)結(jié)合，以減少不連續(xù)結(jié)構(gòu)。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種新型貫序旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)無阻塞RF-MEMS開關(guān)矩陣，包括若干成矩陣排列的開關(guān)構(gòu)件，每個開關(guān)構(gòu)件包括四個結(jié)構(gòu)相同且貫序旋轉(zhuǎn)的子構(gòu)件，所述子構(gòu)件為三層矩形結(jié)構(gòu)，底層為硅基底，中間層為二氧化硅絕緣層，上層為傳輸線與開關(guān)結(jié)構(gòu)，其中傳輸線與開關(guān)結(jié)構(gòu)包括第一端口、第二端口、第三端口、第四端口、第一共面波導(dǎo)傳輸線、第二共面波導(dǎo)傳輸線、第三共面波導(dǎo)傳輸線、第一RF-MEMS開關(guān)、第二RF-MEMS開關(guān)，所述第一端口、第二端口、第三端口、第四端口位于傳輸線與開關(guān)結(jié)構(gòu)的四面，第一端口和第三端口之間通過第一共面波導(dǎo)傳輸線相連，第二端口與第二共面波導(dǎo)傳輸線相連，第四端口與第三共面波導(dǎo)傳輸線相連，第二共面波導(dǎo)傳輸線與第三共面波導(dǎo)傳輸線之間通過第一RF-MEMS開關(guān)相連，第一共面波導(dǎo)傳輸線與第三共面波導(dǎo)傳輸線之間通過第二RF-MEMS開關(guān)相連。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為：1)本發(fā)明減少了RF-MEMS開關(guān)矩陣所需要的開關(guān)單元個數(shù)；2)本發(fā)明合并了跨接結(jié)構(gòu)及其之路上的RF-MEMS開關(guān)單元，減少了不連續(xù)性結(jié)構(gòu)；3)本發(fā)明通過減少RF-MEMS開關(guān)矩陣中的開關(guān)個數(shù)降低了開關(guān)矩陣由通路上開關(guān)單元累積帶來的性能損失，同時使得器件小型化并且提高了開關(guān)矩陣整體可靠性；4)本發(fā)明中的開關(guān)矩陣配置方案是無阻塞的，并且可以實現(xiàn)任意輸入和輸出端口之間的一對一同時互聯(lián)。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細的描述。

附圖說明

圖1是傳統(tǒng)RF-MEMS開關(guān)矩陣構(gòu)件3D結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明中RF-MEMS開關(guān)矩陣子構(gòu)件3D結(jié)構(gòu)圖，其中圖2(a)是仿真圖，圖2(b)是線條圖。

圖3是本發(fā)明中RF-MEMS開關(guān)矩陣子構(gòu)件頂視圖，其中圖3(a)是仿真圖，圖3(b)是線條圖。

圖4是子構(gòu)件順時針貫序旋轉(zhuǎn)組成的RF-MEMS開關(guān)矩陣構(gòu)件頂視圖。

圖5是圖4中構(gòu)件補充完整后的形態(tài)圖。

圖6是8×8RF-MEMS開關(guān)矩陣配置原理示意圖。

圖7是RF-MEMS矩陣子構(gòu)件thru狀態(tài)射頻性能。

圖8是RF-MEMS矩陣構(gòu)件射頻性能圖。

圖9是16×16RF-MEMS開關(guān)矩陣表面電流分布圖。

圖10是16×16RF MEMS開關(guān)矩陣射頻性能圖。

具體實施方式

本發(fā)明將跨接結(jié)構(gòu)支路上的RF MEMS開關(guān)單元與跨接結(jié)構(gòu)相組合，這樣原本的跨接結(jié)構(gòu)能夠同時實現(xiàn)信號的跨接以及控制該路信號的通斷。此時該路thru通路的少去了一個MEMS開關(guān)單元的不連續(xù)結(jié)構(gòu)，同時兩者結(jié)合還能夠大幅減小開關(guān)構(gòu)件的尺寸，使得整個器件更加小型化。

本發(fā)明的一種新型貫序旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)無阻塞RF-MEMS開關(guān)矩陣，包括若干成矩陣排列的開關(guān)構(gòu)件，每個開關(guān)構(gòu)件包括四個結(jié)構(gòu)相同且貫序旋轉(zhuǎn)的子構(gòu)件，所述子構(gòu)件為三層矩形結(jié)構(gòu)，底層為硅基底，中間層為二氧化硅絕緣層，上層為傳輸線與開關(guān)結(jié)構(gòu)，其中傳輸線與開關(guān)結(jié)構(gòu)包括第一端口P1、第二端口P2、第三端口P3、第四端口P4、第一共面波導(dǎo)傳輸線T1、第二共面波導(dǎo)傳輸線T2、第三共面波導(dǎo)傳輸線T3、第一RF-MEMS開關(guān)S1、第二RF-MEMS開關(guān)S2，所述第一端口P1、第二端口P2、第三端口P3、第四端口P4位于傳輸線與開關(guān)結(jié)構(gòu)的四面，第一端口P1和第三端口P3之間通過第一共面波導(dǎo)傳輸線T1相連，第二端口P2與第二共面波導(dǎo)傳輸線T2相連，第四端口P4與第三共面波導(dǎo)傳輸線T3相連，第二共面波導(dǎo)傳輸線T2與第三共面波導(dǎo)傳輸線T3之間通過第一RF-MEMS開關(guān)S1相連，第一共面波導(dǎo)傳輸線T1與第三共面波導(dǎo)傳輸線T3之間通過第二RF-MEMS開關(guān)S2相連。

所述第一共面波導(dǎo)傳輸線T1、第二共面波導(dǎo)傳輸線T2、第三共面波導(dǎo)傳輸線T3上設(shè)置若干空氣橋。

所述第一端口P1、第二端口P2、第三端口P3、第四端口P4、第一共面波導(dǎo)傳輸線T1、第二共面波導(dǎo)傳輸線T2、第三共面波導(dǎo)傳輸線T3、第一RF-MEMS開關(guān)S1、第二RF-MEMS開關(guān)S2的材料均為金。

所述空氣橋的材料為金。

本發(fā)明通過貫序旋轉(zhuǎn)子構(gòu)件的方式構(gòu)成開關(guān)矩陣構(gòu)件，進而組成大型RF-MEMS開關(guān)矩陣。同時利用貫序旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，提出了一種全新的RF-MEMS開關(guān)矩陣配置方案，使直通通路的通斷能夠由其相鄰一個或兩個單元的開關(guān)控制。大大減少了RF-MEMS開關(guān)單元的個數(shù)，降低了由開關(guān)單元帶來的累積性能損失。同時開關(guān)的減少也使得開關(guān)矩陣小型化，并且提高了開關(guān)矩陣整體的可靠性。

本發(fā)明已合并了跨接結(jié)構(gòu)和及其支路上的RF MEMS開關(guān)單元，減少了一個由開關(guān)單元導(dǎo)致的不連續(xù)結(jié)構(gòu)。同時，本發(fā)明進一步減少了thru通路上的開關(guān)單元，以降低開關(guān)單元在大型開關(guān)矩陣中的性能惡化累積效應(yīng)?？晒┛紤]去除的，僅剩一個開關(guān)：即除含有跨接結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的另一通路上的RF-MEMS懸臂梁開關(guān)結(jié)構(gòu)。去掉開關(guān)結(jié)構(gòu)后的3D模型如圖2所示，圖種綠色部分為空氣橋結(jié)構(gòu)。在thru工作狀態(tài)下，第二RF-MEMS開關(guān)S2ON同時第二RF-MEMS開關(guān)S2OFF，這樣能夠與傳統(tǒng)的開關(guān)構(gòu)件一樣，實現(xiàn)P1-P3和P2-P4端口的互聯(lián)，彼此之間互相隔離。但是去除開關(guān)之后，turn狀態(tài)的工作情況會有所不同。當信號從端口P4輸入后，第二RF-MEMS開關(guān)S2為OFF狀態(tài)，阻止信號傳到P2端口，信號經(jīng)過T型結(jié)通過ON狀態(tài)的第二RF-MEMS開關(guān)S2然后傳到端口P1和端口P3。如端口P1為輸出端，那么由于信號經(jīng)過S2之后到端口P3之間沒有開關(guān)單元存在，有一部分信號必然會流向端口P3，造成端口P1的性能損失。

解決以上問題，需要從總體開關(guān)矩陣的結(jié)構(gòu)設(shè)計上入手，傳統(tǒng)的開關(guān)矩陣拓撲結(jié)構(gòu)不再適用于解決這種問題。本發(fā)明提出一種全新的方案，以解決此問題。傳統(tǒng)開關(guān)矩陣是首先以開關(guān)單元為基礎(chǔ)，設(shè)計滿足拓撲結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)要求的開關(guān)構(gòu)件，然后將開關(guān)構(gòu)件平移拓展以組成更大的開關(guān)矩陣，包含兩個設(shè)計層級。本發(fā)明中的設(shè)計方案，包含有三個設(shè)計層級：首先以單個開關(guān)單元為基礎(chǔ)設(shè)計開關(guān)矩陣子構(gòu)件，然后開關(guān)子構(gòu)件以貫序旋轉(zhuǎn)(sequential rotation)的方式組成開關(guān)矩陣構(gòu)件，然后開關(guān)矩陣構(gòu)件再以貫序旋轉(zhuǎn)或者平移的方式組成開關(guān)矩陣如圖3-5所示。這里的貫序旋轉(zhuǎn)有順時針和逆時針兩種方式，經(jīng)過比較，本發(fā)明選擇了尺寸更小，性能更優(yōu)的順時針旋轉(zhuǎn)。

子構(gòu)件通過貫序旋轉(zhuǎn)的方式組成構(gòu)件，這樣不僅能使RF-MEMS矩陣中的部件在行列平均分布使得行列參數(shù)平均，也令各種配置方案性能大致相當。更重要的是turn狀態(tài)下，如果是單個子構(gòu)件，沒有開關(guān)的一路大致3dB平分，但是由于貫序旋轉(zhuǎn)90°，每個沒有開關(guān)的直通通路都會連接到存在開關(guān)的通路上，這樣就可以配置開關(guān)，并在3dB平分支路的相鄰一級或兩級通過開關(guān)切斷此通路，減小性能損失。這個性質(zhì)是本發(fā)明用來設(shè)計矩陣配置結(jié)構(gòu)以減小turn路損耗的關(guān)鍵因素。

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步詳細的描述。

實施例1

下面將通過一個8×8的RF-MEMS開關(guān)矩陣示例介紹該貫序旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)RF MEMS開關(guān)矩陣的配置原理。

如圖6中端口25-32為輸入端，17-24為輸出端，不同顏色的線條代表不同傳輸路徑，對應(yīng)顏色的方框代表需要從默認thru狀態(tài)翻轉(zhuǎn)狀態(tài)。圖中展示了端口30-20、29-18、28-19和27-21四種不同的互聯(lián)路徑。接下來逐個分析這四個具有代表性的輸入輸出端互聯(lián)路徑。

首先根據(jù)圖3，每個子構(gòu)件有ABCD四個不同的端口。子構(gòu)件通過順時針貫序旋轉(zhuǎn)的方式組成構(gòu)件，在構(gòu)件內(nèi)部，原子構(gòu)件的端口連接方式有C-D和D-C兩種，如圖6中所示。以行列來表示開關(guān)矩陣中開關(guān)的位置，T_mn表示第m行n列的turn結(jié)構(gòu)，C_mn表示其中第m行n列的S1開關(guān)，S_mn表示其中第m行n列的S2開關(guān)(m,n＝1,2,…,8)。T₅₆為C-D型連接方式的turn結(jié)構(gòu)，T₆₄為D-C連接方式的turn結(jié)構(gòu)。而在組成構(gòu)件之后，構(gòu)件通過平移的方式組成矩陣，這時，構(gòu)件與構(gòu)件之間的端口連接共有兩種類型，即A-B型與B-A型。圖6中T₃₅和T₄₇分別為A-B和B-A型連接。

在圖6中，不同的折線代表不同的期望信號傳輸路徑。假設(shè)默認狀態(tài)為thru狀態(tài)的話，此時S1為ON，S2為OFF。圖中加框的S1或者S2表示與其對應(yīng)默認狀態(tài)不同的狀態(tài)，即翻轉(zhuǎn)其默認狀態(tài)。每條通路都會有一個S2狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，以提供信號的turn通路，同時每條通路有兩個S1狀態(tài)翻轉(zhuǎn)(下文簡稱截斷S1)，這里正是為了解決一路thru通路沒有開關(guān)造成性能損失的問題。

對于每一通路來說，信號經(jīng)過turn結(jié)構(gòu)會改變原本的傳輸反向，而提供S2的子構(gòu)件本身在其中一thru通路并沒有開關(guān)，所以信號經(jīng)過S2以T型結(jié)的方式傳入該通路之后，該通路無法提供開關(guān)以阻斷信號向不期望方向傳輸。而以上設(shè)計的結(jié)構(gòu)使得每一沒有開關(guān)單元的thru支路經(jīng)過貫序旋轉(zhuǎn)都能保證與含有開關(guān)單元的一路相連。這樣通過控制在不期望方向上與不含開關(guān)單元支路相連的最近矩陣子構(gòu)件中截斷S1的狀態(tài)，就能夠有效阻止信號在不期望方向上的傳輸，減小矩陣通路損耗。

上面的段落已經(jīng)分析指出開關(guān)矩陣turn結(jié)構(gòu)的配置方式共有A-B，B-A，C-D和D-C四種。接下來我們將給出給定階數(shù)開關(guān)矩陣中不同位置的turn結(jié)構(gòu)的類型以及對應(yīng)截斷S1的位置。假設(shè)開關(guān)一共有m行n列。

根據(jù)奇偶的不同，共有以下四種情況：

1)m和n同時為奇數(shù)，即

此時，T_mn為A-B型連接方式，以thru狀態(tài)為默認狀態(tài)，為提供turn通路同時阻止不期望方向信號的傳輸，需要翻轉(zhuǎn)狀態(tài)的開關(guān)為S_mn,和截斷S1：C_m-1,n及C_m,n+2；

2)m為偶數(shù)，n為奇數(shù)，即m＝2i，n＝2j-1

此時T_mn為B-A型連接方式，需要翻轉(zhuǎn)狀態(tài)的開關(guān)為S_mn,和截斷S1：C_m-2,n及C_m,n+1；

3)m為奇數(shù)，n為偶數(shù)，即m＝2i-1，n＝2j

此時T_mn為C-D型連接方式，需要翻轉(zhuǎn)狀態(tài)的開關(guān)為S_mn,和截斷S1：C_m,n及C_m,n+1；

4)m和n同時為偶數(shù)，即m＝2i，n＝2j

此時T_mn為D-C型連接方式，需要翻轉(zhuǎn)狀態(tài)的開關(guān)為S_mn,和截斷S1：C_m,n及C_m-1,n；

同時，本結(jié)構(gòu)基于的crossbar結(jié)構(gòu)是一種無阻塞的開關(guān)矩陣結(jié)構(gòu)，并且，經(jīng)過將不同類型的turn結(jié)構(gòu)之間相互位置關(guān)系枚舉分析，發(fā)現(xiàn)其互不影響，即本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)是無阻塞結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的出發(fā)點是減少RF-MEMS開關(guān)矩陣中開關(guān)單元的累積效應(yīng)以適用于大型的開關(guān)矩陣，由于仿真軟件及仿真平臺的性能限制，我們目前最大只能實現(xiàn)16×16的開關(guān)矩陣的性能仿真。處于仿真簡便型的目的，我們在仿真中忽略了偏置網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響，同時由于所用仿真軟件HFSS的限制，RF MEMS懸臂梁的接觸電阻同樣忽略不計。

圖7為RF-MEMS矩陣子構(gòu)件thru狀態(tài)的射頻性能，在40GHz以下，各通路的插入損耗均能保持優(yōu)于-0.11dB，通路之間的隔離度保持在26dB以上。

圖8為RF-MEMS矩陣子構(gòu)件經(jīng)過順時針貫序旋轉(zhuǎn)得到的構(gòu)件的射頻性能。各通路的插入損耗在40GHz以下均能保持優(yōu)于-0.32dB，其各回波損耗也低于-16dB，同時保持高于47dB的隔離度。

在16×16的矩陣仿真中，考慮到仿真的簡便性以及有效性，如圖9所示，仿真中選擇了四個具有代表性的通路36-62、34-61、41-56和35-63，分別代表A-B、B-A、C-D和D-C型的turn結(jié)構(gòu)，且各通路之間距離分布各異。

圖9為16×16RF-MEMS開關(guān)矩陣表面電流分布圖，圖9可以很明確地顯示輸入和輸出端口之間的電流通路，同時該表面電流分布圖也可以大致看出各通道之間良好的隔離。

圖10為該矩陣的射頻性能S參數(shù)的仿真，四條代表性通路的性能相近，其插入損耗均優(yōu)于-2.7dB。各自隔離度也高于32dB。各自的插入損耗與通路長度有關(guān)，通路越長，其插入損耗越大，最短通路41-56因此有最優(yōu)秀插入損耗性能。相鄰的通路之間的隔離度最差，在本發(fā)明中，相鄰?fù)酚袃煞N，一種如34-61和35-63的相鄰?fù)?，一種如36-62和35-63的相鄰?fù)??？康膬赏吩娇拷瑒t相互之間的隔離度越差，即使最靠近的通路，在本仿真的高頻40GHz處也有優(yōu)于32dB的隔離度。41-54與其他通路最遠，因此與其他通路的隔離度也越高。

在各個感興趣頻點處，該16×16RF-MEMS開關(guān)矩陣的仿真性能如表1所示：

表1：16×16RF-MEMS開關(guān)矩陣各頻點S參數(shù)

同時從圖9可以看出：

36-62通路經(jīng)過了13個子構(gòu)件4-2通路和12個3-1通路以及1個A-B型turn結(jié)構(gòu)；

34-61通路經(jīng)過了子構(gòu)件4-2通路和3-1通路各13個以及1個B-A型turn結(jié)構(gòu)；

41-56通路經(jīng)過了子構(gòu)件4-2通路和3-1通路各7個，以及1個C-D型turn結(jié)構(gòu)；

35-63通路經(jīng)過了13個子構(gòu)件4-2通路和14個3-1通路以及1個D-C型turn結(jié)構(gòu)。

根據(jù)前面的仿真分析，20GHz處所經(jīng)過的各個部件的插損如下：

1個完整構(gòu)件的thru通路插損均值為：-0.1384dB；

1個子構(gòu)件3-1通路插損為-0.0486dB，4-2通路插損為-0.0659dB

所以在忽略別的因素的情況下，大致估計20GHz處四種類型的turn結(jié)構(gòu)的插損如下：

IL_A-B＝-1.5813-(-0.0659×13)-(-0.0486×12)＝-0.1414dB

IL_B-A＝-1.7847-(-0.0659×13)-(-0.0486×13)＝-0.2962dB

IL_C-D＝-0.9128-(-0.0659×7)-(-0.0486×7)＝-0.1113dB

IL_D-C＝-1.7183-(-0.0659×13)-(-0.0486×14)＝-0.1812dB

和原子構(gòu)件turn結(jié)構(gòu)處的-3.549dB相比，性能得到大大提高。且經(jīng)過簡單觀察分析，我們可以判斷B-A類型的turn結(jié)構(gòu)相比其他結(jié)構(gòu)的損耗必定大一些，因為如圖9所示，該處形成環(huán)，將引起較大的寄生電感，實際仿真結(jié)果IL_B-A也確實大于其他三者。這也從另一個角度證明了結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真的正確性。同時，相比于傳統(tǒng)RF-MEMS開關(guān)矩陣，本發(fā)明中的開關(guān)矩陣的性能大大提高，插損性能優(yōu)于傳統(tǒng)開關(guān)矩陣性能的2-3倍，且同時保持較高隔離度。并且開關(guān)矩陣越大，本發(fā)明中的此結(jié)構(gòu)的RF-MEMS開關(guān)矩陣結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢就越明顯。