相控阵天线用4位分布式MEMS移相器研究

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相控阵天线具有扫描速度快、波瓣控制灵活等优点,其显著的技术特点和难以估量的潜在优势使其成为雷达、卫星等现代通信系统的研究重点。移相器作为相控阵天线中的重要部件,通过控制相位来改变天线方向图最大值或副瓣电平等参数的指向,决定着相控阵天线的性能。微机电系统(Micro Electro-Mechanical System,MEMS)具有微型化、集成化、成本低、可大批量生产的特点,能够为相控阵天线的小型化和高性能化发展提供技术支撑。MEMS移相器具有体积小、损耗少、能耗低等优势,不断优化适用于相控阵天线的MEMS移相器的精度、损耗等性能参数是MEMS移相器研究问题所在。本文以适用于X波段微小型相控阵天线的4位分布式移相器为研究对象,分析了分布式移相器工作原理和等效电路,根据经典理论得到该移相器的结构尺寸及电学参数。通过有限元法对其电磁性能、机械性能进行分析,通过调整移相器的结构尺寸降低单元结构的损耗。对其等效电路模型进行仿真,优化经典理论得到的电学参数,提高移相精度,最终得到适用于微小型相控阵天线并符合设计要求的MEMS分布式移相器。在8-12GHz内,其反射损耗平均值为-15dB,插入损耗平均值为-0.6dB,移相误差平均值为1.5°,0-360°范围内最小移相误差为0.9°,驱动电压为32V,响应时间是1.6μs。在仿真的基础上,对分布式MEMS移相器的工艺流程进行设计,完成了掩膜版的设计与制作。对关键工艺进行研究,针对大面积铜膜剥离困难的情况,添加腐蚀停层来解决该问题,在电阻率大于10000Ω·cm的高阻硅片上,实现了分布式MEMS移相器。测试结果表明,所制作的移相器在移相22.5°时,误差为1°,在移相45°时误差为3°,反射损耗为-18.8dB,插入损耗为-2dB。
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