[发明专利]一种基于射频微机电结构的电控阻抗调配芯片及微波系统

说明书

本发明公开一种基于射频微机电(RF‑MEMS)结构的电控阻抗调配芯片，包括芯片衬底、MEMS阻抗调配器，所述MEMS阻抗调配器设计制作在芯片衬底上；所述MEMS阻抗调配器包括马达型阻抗调配器或开关型阻抗调配器；所述马达型阻抗调配器包括微型机电装置、中心导体，所述微型机电装置包括具有射频微机电结构的微型马达、微波探针，所述微型马达驱动微波探针沿中心导体的轴向移动或沿中心导体的垂直方向移动。并提出了一种基于射频微机电结构的电控阻抗调配微波系统，典型应用案例包括功率放大器、收发模块。这样的设计，实现了具有阻抗调配器结构的微波系统的集成化和小型化，提高了使用MEMS阻抗调配器系统的工作带宽和多通道适应性，增强了工作温区的可靠性。

技术领域

本发明涉及电子元器件领域，特别是涉及一种基于射频微机电结构的电控阻抗调配芯片及微波系统。

背景技术

阻抗调配器是大功率微波应用系统中的重要器件。现有技术实现的阻抗调配器有两种方案：一种是基于机械结构的电控阻抗调配器，另一种是基于可调配电感电容电阻等分立元件的阻抗调配器。

基于机械结构的电控阻抗调配器采用机械马达驱动探针进行阻抗调配，基于可调配电感电容电阻等分立元件的阻抗调配器通过调节构成阻抗匹配网络的电感、电容、电阻的量值，实现阻抗调配。无论是哪一种阻抗调配方式，还是其在微波系统中的应用，存在如下问题：

1.体积大，重量高，可靠性欠佳。根据电磁波原理，频率越低，波长越长，因此覆盖频率越低的阻抗调配器，达到180°相位调配所需要的调配距离也越大。举例而言，常用的覆盖(0.8～18)GHz的阻抗调配器，调配距离超过30cm，重量超过10kg。由于采用机械马达，需要定期保养，可靠性差，不能满足无人值守工作条件，以及高可靠性应用场合要求。

2.谐波阻抗调配实现困难，体积、重量进一步增加。现有技术实现的基于机械结构的电控阻抗调配器采用多个机械马达驱动多个阻抗调配探头进行协同阻抗调配，实现基波、二次谐波、三次及以上谐波的阻抗调配。多个马达和阻抗调配探头使体积、重量、控制及测量软件复杂度进一步提升，可靠性进一步下降。距离而言，3次谐波阻抗调配器需要3个机械马达协同调配，重量增加了30％以上，可靠性大大下降。

3.阻抗调配精度不高。可调配电感、电容、电阻等分立元件通常工作在非线性区，元件电性能随控制电压变化非线性，且变化灵敏，温度相关，难以实现高精度稳定调配。

4.阻抗调配范围有限，难以实现相移尤其是需要真实延时的应用难以满足。现有技术的可调配电感、电容、电阻等分立元件的调配范围都是非常有限的，因此在此基础上构成的阻抗调配网络的调配范围也是非常有限的，在大阻抗调配应用需求中，通常需要多级阻抗调配网络实现。可调配电感、电容、电阻等分立元件可以在一定范围内产生相移，但毕竟不是真实相移器件，难以满足某些需要真实延时测应用需求。

5.效率优化能力不足，难以稳定工作。由于现有技术的可调配电感、电容、电阻等分立元件的调配范围都是非常有限的，构成的阻抗调配网络的调配范围也是非常有限的。在高效率功放设计中应用时，往往存在阻抗调配范围不够的问题，需要多级阻抗调配网络实现，又会导致回损、插损等其他损耗增加，制约效率提升。可调配电感、电容、电阻等分立元件通常工作在非线性区，元件电性能随控制电压变化非线性，且变化灵敏，温度相关，难以实现高精度稳定调配。因此基于现有分立元件技术实现的阻抗调配精度不高，难以稳定工作。而高效率功放通常会应用于4G/5G手机基站、航空航天等需要宽温度、长时间稳定工作的场合，现有技术构成的多赫蒂等高效率功放往往在稳定性、可靠性上难以达标。

6.毫米波性能不佳，工作带宽窄，局限于低频应用。基于现有分立元件技术实现的阻抗调配网络难以实现宽带工作。对多赫蒂等高效率功放而言，需要90°相位变换，以及阻抗变换。现有技术实现的多赫蒂等高效率功放通常采用1/4波长传输线实现，这种技术只针对一个频点有效，难以实现宽带工作。现有分立元件技术，由于可调配电感、电容、电阻等分立元件的频段限制，电控可调配阻抗匹配通常工作在2GHz以内，难以满足2GHz以上高频应用需求