射频MEMS及其在相控阵系统中的应用*

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

1 引 言

微电子机械系统(Micro Electro-Mechanical System,MEMS)是采用集成电路工艺在半导体材料上制作的微型器件与器件阵列，是微电子与精密机械技术集成的产物，目前更进一步向微光电子机械系统(Micro Optical Electro-Mechanical System,MOEMS)发展。

MEMS由于具有一系列优点，自1979年首次报道以来，在民用与军事领域得到广泛应用，甚至有人将MEMS技术与工业革命、晶体管技术并称为现代科技发展的3个里程碑。

MEMS的民用领域涵盖了汽车、消费电子、移动通信、计算机、医疗保健与工业控制等行业，iPhone手机、Wii游戏机、汽车ESP是最著名的应用产品。

射频MEMS的军用领域包括雷达、通信与自动控制等，典型应用是MEMS移相器。

本文将对射频MEMS在相控阵系统中的应用进行总结与分析。

2 射频MEMS开关与移相器

射频MEMS开关体积小，惯性小，动作快，用静电场等方式触发。MEMS开关几乎不消耗功率，插损、宽带、隔离度等方面均具有优势，但是开关速度、器件面积、控制电压大小、承受的射频功率与开关寿命等方面呈劣势[1]。

1991年第一次报道了旋转型和金属接触型悬臂梁射频MEMS开关。根据信号传输路径，MEMS开关分为电容型与金属接触型两类，前者依赖于开关前后电容的变化率，适于较高频率；后者呈电阻特性，插损随信号频率增加，适于较低频率。

射频MEMS开关支持与集成电路工艺相容的各种基片材料，如硅(低成本)、砷化镓与磷化铟(适于高频信号)、石英与铝(适于低损耗混合电路)。

用射频MEMS开关置换各种电子器件中的二极管、三极管开关，能够实现MEMS移相器、自适应滤波器与功率放大器、宽带阵列天线单元等。

2.1 MEMS移相器

移相器是相控阵系统的关键元件。1998年首次报道了MEMS移相器，迄今还在不断改进之中。MEMS移相器分为3类：

(1)开关线型MEMS移相器。如果移相器中的任意两个传输线长度差值是波长的整数倍，则可实现实时延迟线。密歇根大学(Michigan University)研究人员用单刀四掷MEMS开关完成的X频段4位移相器，8～12 GHz平均插损1.0～1.6 dB，尺寸4.9 mm×4.35 mm[2]；

(2)耦合型MEMS移相器。通过改变3 dB耦合器反射臂的电抗实现移相，芯片面积小，不要求阻抗匹配，损耗较低，工作频带较宽。利用微带Lange耦合器与MEMS并联电容开关，Raytheon公司设计的4位移相器，8 GHz处平均插损1.4 dB[3]；

(3)分布式MEMS传输线移相器(DMTL)。利用带有分布式射频开关的传输线，可实现精确的实时延迟线。DMTL工作频带宽，插损小，纯时延，工艺简单，芯片尺寸较大。DMTL移相器比较适于Ka及以上频段[4]。2006年报道的4位移相器，长度4.6 mm，DC～50 GHz插损小于1.2 dB[5]。

通常MEMS开关面积较大，悬臂梁的典型尺寸为100 μm×(20～200) μm，而晶体管为(0.15～1) μm×20 μm。但是射频集成电路的尺寸主要取决于无源电路，而不是有源器件，故MEMS移相器与MMIC移相器的尺寸差别并没有想象中那样大。随着MEMS技术的成熟，MEMS移相器尺寸还有望进一步减小。

2.2 毫米波MEMS移相器

受惠于极低的损耗，毫米波MEMS移相器最受关注。Raytheon公司早年完成的4位开关传输线MEMS移相器，工作频率32～36 GHz，插损1.8～3.0 dB，平均2.25 dB，封装额外引入0.7～0.75 dB插损，驱动电压45 V，尺寸10 mm×5 mm[7]。罗克威尔科技中心(Rockwell Scientific Center)研制的开关线实时延迟3位移相器，35 GHz处平均插损2.2 dB，芯片尺寸3.5 mm×2.6 mm[8]。

汉城大学研制的V频段反射型MEMS移相器，采用空气缝隙覆盖型共面波导耦合，60 GHz处平均插损4 dB，尺寸1.5 mm×2.1 mm[9]。

Michigan大学研制的2位Ka频段DMTL移相器，平均插损1.5 dB，21个分布式射频开关尺寸8.4 mm×2.1 mm[10]。2位宽带W频段(75～110 GHz)移相器[11]，平均插损2.2 dB，24个射频开关长度4.3 mm。

2.3 国内射频MEMS研究情况

国内有多家单位在研究射频MEMS开关、MEMS移相器/传感器及其应用，如华东师范大学、南京理工大学、哈尔滨工业大学、中国电子科技集团公司第十三、五十五研究所等。

南京理工大学开展了毫米波MEMS天线阵列基础技术研究，采用0/π移相器，Ka频段器件尺寸为2.6 mm×2.1 mm×0.2 mm[12]。

中国电子科技集团公司第五十五研究所与南京大学开发的5位开关线MEMS移相器[13]，采用三端口RF MEMS开关，尺寸为7 mm×4 mm，X频段平均插损3.6 dB，移相误差小于5°。

2.4 射频MEMS改进

1990年代末期，鉴于射频MEMS开关的巨大优点以及移相器芯片研发获得初步成功，人们对MEMS应用期望非常高。1999年，美国国防部高级研究计划署(DARPA)发起了可重构孔径与基于MEMS移相器的Ka导引头研究[14]。由于MEMS技术尚不成熟，没有成功，主要原因是：当时射频MEMS开关的寿命约1亿次，对于大多数雷达应用来说远远不够；工艺技术不够稳定成熟，MEMS移相器一致性差；密封封装技术更加不成熟，封装成本很高。

随后DARPA发起了RF MEMS改进项目：研究RF MEMS开关模型，开发封装技术，改进移相器、可变延迟线与可调滤波器。MEMS开关改进的一些目标如表1所示[14]。

表1 射频MEMS开关改进的目标

2007年文献[15]报道，射频MEMS开关寿命达到9 000亿次，封装后尺寸1.5 mm×1.5 mm；X频段插损0.25 dB， 0～40 GHz插损小于0.5 dB；开关时间5 μs[16]。

3 射频MEMS的相控阵系统应用

射频MEMS器件可应用于天线单元、阵列天线、移相器、信道开关、滤波器、振荡器等各个环节。由于在插损、成本、功耗方面的明显优势，射频MEMS技术能够显著提高系统性能，实现可重构系统，大幅度降低成本。以移相器为例，其性能、成本比较如表2所示。

表2 四位移相器性能成本比较

3.1 提高系统性能

二维相控阵，特别是机载、弹载与星载相控阵系统，由于技术指标要求高，重量、功耗与成本严格控制，铁氧体甚至PIN二极管移相器都被排除在应用之外，因前者重量与成本高，后者功耗大。如果用MEMS移相器置换GaAs MMIC移相器，可以显著提高系统性能。

在X与Ka频段，MEMS移相器的插损比MMIC移相器通常要低3 dB以上，采用线性功放的有源相控阵，其功率孔径积就提高了3 dB，雷达作用距离提高19%；对于无源相控阵，其噪声系数还改善了3 dB，雷达作用距离提高41%。

NASA研究了在天基相控阵通信系统中，GaAs MMIC移相器用MEMS移相器置换以后，即使接收天线直径减半，通信数据率也可以提高1倍[6]。

采用饱和功放的有源相控阵，维持相同的发射功率，功放芯片的增益可以减小3 dB，可减小GaAs芯片面积与功率消耗，同时也降低了对散热冷却系统的要求。如果T/R组件能够省却一个放大级，则每个阵元减少直流功耗20 mW到数百毫瓦。天基大型相控阵列的阵元数多达105量级，整个系统的功耗、重量与成本改善是很可观的。

在收/发MMIC芯片中，用MEMS单刀双掷开关取代电子开关，能够提高T/R芯片的收发隔离度、工作带宽、接收与发射增益，降低噪声系数。图1是Rockwell开发的Ka频段PHEMT MMIC T/R芯片，集成了射频MEMS开关。26～30 GHz发射增益22 dB，18～25 GHz接收增益22 dB，隔离度大于50 dB，发射功率50 mW，尺寸4.0 mm×2.4 mm[17]。

图1 集成MEMS开关的Ka频段收/发MMIC芯片

3.2 可重构系统

在复杂的电磁对抗环境中，宽带与自适应(方向图、工作频率、增益、发射功率、极化等)阵列尤其受到重视。射频MEMS开关的插损小(0.1 dB)、工作频带宽(1～40 GHz)、功耗低(～10 μW)，是实现宽带与自适应(可重构)的理想器件。

可重构系统的研究领域包括增益、带宽、功率等可调的低噪声放大器、功放与滤波器[18-19]；可重构功分器[20]；指向可变的天线单元[1]；天线单元的形状尺寸重构；可重构馈线；混合结构的封装。

DARPA曾经发起的可重构孔径项目(RECAP)，目标是研制一个10倍频程的相控阵天线[14]。超过12家合同商都研发了创新的MEMS应用技术，但因为当时RF MEMS技术不成熟，没有获得成功。2003年结题时，该项目最大的成果却是不需要系统重构就实现了超宽带扫描。

Georgia Tech Research Institute(GTRI)使用MEMS开关调整辐射阵元的谐振频率，虽然瞬时带宽窄，但是可以在0.8～2.5 GHz范围内调谐。Mission Research Corporation开发了一个紧耦合的偶极子阵列，演示了7：1的工作带宽，不需要MEMS开关就能扫描60°×25°。Raytheon公司开发了一个双极化的喇叭槽阵列，测试了1.8～18 GHz的带宽，每个阵元都使用了各种固定时间延迟线。

RECAP最后却引发了疑问：谁会用到7：1或10：1的工作带宽？阵列的发射带宽不仅受硬件的限制，还受到频率分配标准的约束：单功能应用(如雷达)连续分配的频率不会超过20%，10倍频程应用也仅限于接收阵列。

虽然如此，人们对超宽带阵列仍然兴趣不减， GTRI还在开发带宽33：1(潜力100：1)的阵列天线[21]。

3.3 低成本无源子阵

射频MEMS器件能够降低相控阵系统的成本，除了器件自身的成本很低，还降低了系统的重量功耗等因素，最引人瞩目的原因是在有源相控阵系统中应用无源子阵。

MEMS移相器插损很低，若移相器前置到辐射阵元之后，若干个阵元可以共用一个T/R组件。如图2所示，2元子阵可以节省50%的TR组件；4阵元的子阵节省75%的T/R组件。考虑到功分/合成网络的损耗，8元以上的子阵要仔细斟酌。

图2 有源相控阵与基于无源子阵的混合型相控阵

基于MEMS移相器的无源子阵在天基大型阵列应用中很有优势，不仅成本而且整个系统功耗也大大降低[22]。

Ka～W频段采用反射阵只需要一个T/R组件，即使每个阵元必须再使用放大器而成为有源反射阵，也因为MEMS移相器损耗低，对放大器的增益要求不高，GaAs放大器芯片面积小，功耗低，还是能节省很多成本。

美国的低成本巡航导弹防御计划的一个研究方向是基于MEMS移相器的电扫描导引头[14]，工作频率35 GHz，口径152.4 mm，672个阵元，目标成本是4万美元。虽然没有成功，但为后续研究开辟了道路。

2008年美陆军研究实验室报告测试了一个Ku频段2位MEMS移相的1×8实验线阵。

4 MEMS相控阵系统实例与方案

经过一段时间的沉寂，随着技术的进步，射频MEMS在相控阵系统上的应用再度受到关注。

4.1 X频段系统

Radant透镜是块移相器，用二极管开关控制行列阵元之间的相位梯度。用射频MEMS开关代替电子开关，可以显著节省透镜天线的成本、功耗与重量，扩展带宽。

在空军研究实验室和DARPA的支持下，Radant Technologies公司研制了一个X频段0.4 m2的Radant MEMS电扫描透镜天线(见图3(a)), 并在洛马公司用AN/APG-67雷达进行了目标检测实验[15]。

该透镜天线使用了25 000个MEMS开关；E面扫描±60°，1 GHz带宽；4位相位控制，峰值副瓣电平-20 dB；天线射频损失～1.25 dB。设计的8 m2MEMS电扫描天线重188 kg。

针对大型天基相控阵应用，加拿大学者设计了瓦片式集成结构，每个8×8子阵，由天线、移相器与功分器、T/R组件3层瓦片组成[23]。其中，3位MEMS移相器与功分器垂直无孔集成在一个双面晶圆上，如图3(b)所示。开关线移相器采用4个级联的SP3T开关，插损2.5±0.2 dB，移相误差±6°。该集成芯片尺寸22 mm×11 mm，152.4 mm的晶圆可以布置64个。

(a)X频段Radant MEMS电扫描天线

(b)集成了MEMS移相器与功分器的芯片

4.2 Ka频段系统

瑞典与芬兰的学者提出在小型无人机上(仅提供50 W电源功率)应用低成本的Ka频段多功能电扫描共形阵列天线，完成防撞、SAR/GMTI和数据链功能[24]。采用无源子阵技术，4×4阵元一个T/R组件，共1 728个阵元。设计的4位MEMS移相器，低两位用加载线，高两位用开关延迟线，插损要求低于2 dB。

德国学者提出Ka频段自适应波束形成相控阵导引头方案：采用4位加载线MEMS移相器，三角形栅格布阵。演示验证规模256个阵元，并已经测试了1×8线阵[25]，如图4所示。

图4 Ka频段MEMS移相1×8线阵

Michigan大学研制了一个8阵元的晶圆级集成相控阵[26]，如图5(a)所示。该实时延迟无源电扫阵列，采用分布式传输线时间延迟单元，每个单元60个射频MEMS变容二极管，最大延迟时间280 ps，实现360°移相，控制电压24 V。阵列阵元间距4.74 mm，设计频率38 GHz。阵列增益10 dBi，噪声系数6 dB，最大发射功率4 W，最小切换时间4 μs。

针对陆军“动中通”卫星通信应用，美陆军研究实验室开发了一个16元的Ka频段MEMS电扫描演示阵列[27]，如图5(b)所示。该阵列采用共面波导缝隙耦合贴片天线，在RT/Duroid 6010基片上集成了功分器与Raytheon公司的4位MEMS移相器，移相器偏置电压35～40 V。该线阵尺寸100 mm×100 mm。

(a)3英寸晶圆上的8元MEMS集成相控阵

(b)16元MEMS电扫描阵列

5 结束语

毫米波相控阵系统阵元间距小，功放效率低，目标成本低；天基应用的大型相控阵系统阵元数众多，经典的GaAs有源相控阵面临成本、功耗、散热等一系列困难，射频MEMS器件功耗低，插损小，给此类相控阵系统设计带来新的解决方案。

据称，2011年全球MEMS市场将冲击100亿美元。可以预期，就像民用无线通信促进了军用微电子技术的发展一样，民用MEMS技术的快速发展，也会促进军用射频MEMS技术的应用，甚至给军事技术带来革命性的突破。

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