MEMS移相器在航天器天线设计中的应用

1.概述

RF MEMS指的是射频MEMS技术，利用MEMS技术加工出来的尺寸在微米到毫米量级的射频器件，能够对射频信号进行控制。相比传统的射频器件，RF MEMS器件不仅尺寸更小、更易与单片电路集成，而且在性能上也有较大提高（如线性、宽带、低功耗、低插损等），可替代传统的PIN二极管和同类铁氧体产品。

美国DARPA在20世纪90年代支持了第一批RF MEMS项目，目标是反导弹用的高性能相控阵雷达的移相器和微波开关。与目前用PIN二极管和GaAs FET电控开关实现的移相器相比，具有损耗小、驱动功率低（微瓦级）的优势。Raytheon公司研制的微波并联开关代表了当今最高水平，典型的性能是：驱动电压为30 V，开关延迟为10μs，在30 GHz时，插入损耗小于0.20 dB，隔离度大于40.00 dB，开关长只有0.1 mm。微波串联开关典型性能为：驱动电压30 V，开关延迟10 ps，在30 GHz时插入损耗小于0.20 dB，隔离度大于50.00 dB，触点面积仅为0.2 mm×0.2 mm。与现有的PIN和FET电控开关相比，微波开关的优点是插入损耗小、驱动功耗低、能实现单片集成。为了将反导弹用的相控阵雷达部署到空间去，美国在1998年进行了微波开关的卫星搭载试验。2000年发射的一对绳系“纳卫星”，也用微波开关进行了切换无线电频率的试验。

将MEMS技术运用在传统移相器的设计和加工时，其原理、结构、工艺和性能都发生了巨大的变化，由此产生了新型的MEMS移相器。MEMS移相器与传统移相器的性能比较情况如表12-7所示。

表12-7　各类移相器的性能比较

从表12-7可以看出，MEMS移相器在成本和直流功耗方面具有明显的优势，还具有较好的可靠性、较低的射频损耗，但目前的MEMS加工工艺不够成熟，从而使MEMS移相器具有较大尺寸。因此，怎样使MEMS移相器小型化是设计中考虑的关键性问题之一。

2.MEMS移相器的种类(www.xing528.com)

根据结构特征，MEMS移相器大致可以划分为三类：开关线式MEMS移相器、分布式MEMS移相器、反射型MEMS移相器。开关线式MEMS移相器主要由传输线与MEMS开关进行串、并联构成；分布式MEMS移相器通过在共面波导（Coplanar Waveguide，CPW）上周期性加载MEMS金属桥构成；反射型MEMS移相器也是由传输线与MEMS开关串、并联构成，与开关线式MEMS移相器的区别在于加入了耦合器。

开关线式MEMS移相器最大的优点是可以同时实现宽带和低损耗，并且结构简单、移相精度高和隔离度高，但构成移相器的MEMS开关的加工工艺要求较高。分布式MEMS移相器具有小型化、低损耗和高集成度等特点，可用于毫米波频段，但移相精度较差。反射型MEMS移相器具有尺寸较小、频带较宽等优点，并且不要求阻抗匹配，但处于高频段时，耦合器与开关损耗将增加，从而导致反射型MEMS移相器损耗增加。

3.MEMS相控阵天线

目前，大型天线基本上为反射面或相控阵形式，基于MEMS移相器的相控阵天线可以在二者之间开辟一定的应用空间。MEMS相控阵天线与反射面、传统相控阵天线的特性对比情况如表12-8所示。

表12-8　MEMS相控阵与反射面天线、传统相控阵天线的性能对比

MEMS相控阵在体制上属于阵列天线，具备阵列天线的优点，即可通过阵面加权实现波束扫描。但由于MEMS在本质上属于微机电结构，机械的响应速度慢于电，MEMS相控阵的波束切换响应时间长于传统的电扫描相控阵。因而，MEMS天线不适用于有着纳秒级波束捷变需求的军用相控通信，但其微秒级的波束切换时间可以满足民用通信、SAR波束扫描等应用需求。

除了上述原理性的分析对比以外，在技术成熟度方面，反射面天线和传统相控阵天线起步较早、技术比较成熟；MEMS技术虽然为目前的发展热点，但主要集中在MEMS传感器和MEMS惯性单元领域，射频MEMS器件依然方兴未艾，例如MEMS移相器在移相位宽、移相精度方面与传统移相器相比依然有一定差距，RF MEMS技术产品相对不够丰富、不够成熟。射频MEMS器件的发展水平在一定程度上制约着MEMS相控阵的技术指标。