可重构天线的改进及与其相关的改进的制作方法

专利名称：可重构天线的改进及与其相关的改进的制作方法
技术领域：
本发明涉及在结合有包括新型开关的微机电(MEMS)部件的无线通信中使用的可 重构天线。
背景技术：
可动态地适应于不断改变环境传播特性的无线通信系统将会是下一代通信应用 的关键。 天线在任何无线装置中都是极其重要的部件，因为其传送和接收无线电波。天线 用作从传输线到自由空间以及反之亦然的匹配装置。理想天线辐射从一个或多个预定方向 对天线进行馈送的传输线进入的所有能量。天线的性能代表大多数无线装置的性能，因此 天线的性能是系统的关键部分。 天线配置决定天线特性，包括阻抗和VSWR (电压驻波比)、振幅辐射方向图、3dB波 束宽度、方向性、增益、极化和带宽。不同的天线配置具有不同的天线特性。
可重构天线是通过改变其物理结构来改变其辐射、极化和频率特性的天线。可重 构天线概念与智能天线是根本不同的。 智能天线或自适应天线是典型标准单极、双极或贴片的元件的天线阵列。信号处 理器用于通过加权和组合信号元素以改变所得到的辐射方向图(即，阵列的空间响应，满 足一些条件)来处理来自各个天线元件或到达各个天线元件的时域信号。这是波束形成的 关键概念，通过其将电磁能集中于期望信号的方向，同时在噪声或干扰源的方向上设置零 信号。 贴片天线由置于接地面的介电基板上方的金属贴片组成。该天线通过微带线或同 轴电缆线进行馈送。微带贴片天线是一个维数大约为A/2的谐振式辐射器，其中，Ag是 波导波长。 贴片用作谐振腔，该作谐振腔具有与沿着其z方向与贴片垂直的电场。磁腔在贴 片的四个边缘具有等于零的切线分量。该结构辐射出在贴片的边缘处在基板上方露出的弥 散场。可以以许多形状来制造微带天线，例如正方形、圆形、椭圆形、三角形或环形。
微带贴片天线相对于其他天线结构具有许多已知的优点，包括它们的低轮廓，因 此包括保形性质、轻重量、产品的低成本、鲁棒性质以及与单片微波集成电路(匪IC)和光 电集成电路(0EIC)技术兼容的优点。 微机电系统(MEMS)开关是使用机械移动来在RF传输线中实现短路或开路的装 置。RF MEMS开关是设计为以RF至毫米波频率(0. 1至100GHz)进行操作并在RF通信系统 中形成基本组成部件的特定微机械开关。例如，可以获得机械移动所需要的力，但不是只使 用静电、静磁、压电或热设计。 使用PIN 二极管的MEMS开关或FET开关的优点是 近零功耗静电致动不消耗任何电流，导致非常低的功率消耗(10 100nJ/切换 周期)。
非常高的隔离制造具有气隙的RF MEMS串联开关，因此具有非常低的断开状态 电容(2 4fF)，导致0. 1 40GHz处极好的隔离。 非常低的介入损耗RF MEMS串联和分路开具有关高达40GHz的_0. ldB的介入损耗。 互调产物MEMS开关是非常接近线性的装置，因此，导致非常低的互调产物。它们 的性能大约为30dB，好于PIN或FET开关。 非常低的成本RF MEMS开关是使用表面(或体)微机械技术制造的，并且可以构 造在石英、耐热玻璃、低温共烧陶瓷(LTCC)、机械等级高阻硅或GaAs基板上。
可以将MEMS开关分为以下几类
RF电路构造_串联或并联。
机械结构_悬臂或气桥。 接触形式_电容式(金属_绝缘体_金属)或阻抗式(金属_金属)。
图1和图2示出了典型的MEMS电容开关63，其由悬在被介电膜69覆盖的传输线 67上方的细金属桥65组成。MEMS电容开关可以集成在共面波导(CPW)或微带拓扑中。传 统的电容开关具有处于两个金属层(桥和t线)之间的介电层。 在CPW配置中，MEMS开关的支座连接至CPW接地面。如图2所示，当将DC电压施
加在MEMS桥和微波线之间时，存在使MEMS桥在介电层上变形的静电(或其他)力，使桥的
电容增加30 100倍。该电容将t线连接至地，并在微波频率处用作短路，导致反射性开
关。当去除偏压时，MEMS开关由于桥的复原弹簧力而返回到其原始位置。 RF MESM开关用在可重构网络、天线和子系统中，因为它们具有非常低的介入损耗
和高达120GHz的高Q。此外，它们可以集成在高性能可调谐滤波器、高效率天线和低损耗匹
配网络中使用的低介电常数基板上。 RF MEMS开关提供了非常低损耗的切换，并可使用10 120kQ的电阻线进行控 制。这意味着RF MEMS开关的基本网络将不会干扰以及降低天线辐射方向图。基本网络将 不会消耗任何功率，这对于大天线阵列来说是很重要的。 下层机构是以二维进行排列的紧凑MEMS悬臂开关。阵列内的开关可以被分别驱 动。阵列中的各个微开关的可寻址性提供了修改电路线路的装置，因此允许电路元件行为 的精细调谐或完全重构。 典型的MEMS开关要求典型的50 100V的下拉电压(它们可根据精确配置和材 料系统而显著较低或较高)。这是使用软件控制DC MEMS开关覆盖的大范围。
加利福尼亚大学的Irvine提出了使用像素天线概念，其具有各个天线元件可经 由MEMS开关连接的阵列。通过简单地改变天线尺寸来实现频率可重构性。通过选择25个 像素，获得6. 4GHz的上限工作频率，而通过选择所有64个像素来获得4. 1GHz的下限频率。
本发明的目的在于提供一种改进的可重构MEMS天线。

发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于传送和/或接收电磁波的装置，该装置 包括 基板；
6
连接器，穿过基板延伸以操作性地将MEMS开关连接至天线。 优选地，基板包括半导体层和至少一个绝缘层。 优选地，至少一个绝缘层形成用于天线的基板。 优选地，基板用于遮蔽MEMS开关免受天线影响。 优选地，MEMS开关和天线具有公共地。 优选地，公共地包括半导体层。 优选地，天线包括图案化金属表面。 优选地，图案化金属表面包括螺线。 优选地，螺线是弯曲的。 优选地，天线包括多个天线元件。 优选地，连接天线元件。 优选地，一个或多个天线元件可以接通或断开。 优选地，一个或多个天线元件可以接通或断开，以控制装置的工作频率。 优选地，MEMS开关是电容开关。 优选地，MEMS开关进行操作以改变天线的输入的相位或来自天线的输出的相位。 优选地，MEMS开关包括 基板； 第一导电层； 附接至基板并在基板上形成桥结构的材料； 第二导电层，附接至远离基板的材料的表面； 其中，材料用作对第二导电层的机械支撑或用作电介质。 优选地，材料用于响应于力的施加而弯曲，从而改变MEMS开关的电容。 优选地，材料用于响应于在第一和第二导电层之间施加电压而弯曲，从而改变
MEMS开关的电容。 优选地，材料具有小于4. 5GPa的弹力的杨氏模量。 优选地，材料具有处于l腿z大于2的介电常数。 优选地，材料是聚合物。 优选地，材料源自对二甲苯。 更优选地，材料是聚一氯对二甲苯。 可选地，材料是聚对二甲苯。 优选地，第二导电层是金属。 更优选地，第二导电层包括铝。 优选地，MEMS开关还包括安装在基板上的共面波导。 可选地，MEMS开关集成在微带拓扑中。 优选地，桥结构包括梁，其被成形以改变桥的机械特性以及其响应于所施加的电 压移动的方式。 优选地，梁是对称的。
7
可选地，梁是不对称的。
优选地，梁包括蛇形弯曲部。 根据梁的形状，其可以在施加电压时以预定方式扭曲或弯曲。 优选地，MEMS开关用于将电磁装置连接至馈送线或信号路径，以及将电磁装置与 馈送线或信号路径断开。 优选地，MEMS开关用于改变馈送线上的信号的相位。 优选地，利用所施加电压的相位改变在预定电压范围内基本是线性的。 优选地，多个MEMS开关可以进行组合，以在所施加电压进行施加时提供从0至
36(TC的可控相移。 优选地，连接器是通孔或过孔。 优选地，连接器包括附接于此的导电材料。 优选地，该装置还包括集成电路，该集成电路在MEMS开关处或其附近附接至该装置。 优选地，集成电路包括CMOS电路。 优选地，CMOS电路包括CMOS无线电装置。 优选地，多个天线元件包括天线阵列，该天线阵列包括多个第一天线元件，每一个
都具有第一天线配置，该天线阵列并且还包括多个第二天线元件，每一个都具有第二天线
配置，其中，第一天线配置和第二天线配置是不同的。 优选地，第二天线配置包括第一天线配置的转换。 优选地，转换包括旋转、映像、縮放和变形的至少一种。 优选地，多个第一天线元件与多个第二天线元件交错。
优选地，天线阵列包括第一元件组，包括第一天线元件和第二天线元件；以及第
二元件组，包括第一元件组的转换。 优选地，转换包括映像。 根据本发明的第二方面，提供了用于传送和/或接收电磁波的装置，该装置包括
天线阵列，包括多个第一天线元件，每一个都具有第一天线配置，并且还包括多 个第二天线元件，每一个都具有第二天线配置，其中，第一天线配置和第二天线配置是不同 的；以及 —个或多个开关，用于接通或断开一个或多个天线元件，以配置天线阵列。
优选地，第二天线配置包括第一天线配置的转换。
优选地，转换包括旋转、映像、縮放和变形的至少一种。
优选地，多个第一天线元件与多个第二天线元件交错。 优选地，天线阵列包括第一元件组，包括第一和第二天线元件；以及第二元件
组，包括第一元件组的转换。 优选地，转换包括映像。


现在，将仅通过参照附图的实例描述本发明，其中
图1是已知MEMS电容桥的示 图2是向其施加电压的已知MEMS电容桥的示图； 图3示出了根据本发明的装置的第一实施例； 图4示出了具有对称蛇形支撑件的装置的第二实施例； 图5示出了与图4类似但具有非对称蛇形支持的装置； 图6是绘出根据本发明的装置的相位对所施加电压的曲线图； 图7a至图7g示出了用于构造根据本发明的装置的工艺； 图8示出了安装在根据本发明的装置的表面上的多个天线； 图9示出了在不存在支撑基板的情况下天线电容桥MEMS开关和通孔的配置； 图10示出了在不存在支撑基板的情况下的多个天线和MEMS开关； 图11示出了 MEMS开关和输入/输出路线； 图12是根据本发明的MEMS开关桥的透视图； 图13是图11的装置更加详细的示图； 图14示出了根据本发明的CMOS可重构无线电装置； 图15是根据本发明的CMOS可重构无线电装置的透视图； 图16是示出图14和图15的可重构无线电装置的各层的侧视图； 图17示出了又一个天线实施例； 图18示出了在不存在支撑基板的情况下具有过孔的图17的天线的视图； 图19示出了具有四种天线元件的异构微天线的阵列； 图20和图21示出了同构阵列的实例，每个元件都具有相同的形状，但在阵列中的 不同位置通过旋转进行变化； 图22示出了具有四种不同的天线的异构阵列的实例； 图23示出了具有重复且旋转的一组四个的两种不同类型的天线的异构阵列的实 例； 图24示出了具有重复的一组四个的两种不同类型的天线的异构阵列的实例； 图25和图26示出了分别用于提供多极化的同构和异构阵列的实例； 图27示出了具有不同天线设计的同构阵列的组合的异构阵列的实例； 图28示出了具有类似天线设计的同构阵列的组合的异构阵列的实例；以及 图29示出了具有所有可能极化且具有同构阵列组合的异构阵列的实例。
具体实施例方式
图3示出了根据本发明的装置的实施例。装置15包括最上面的金属层17，其横跨 由聚合物层19形成的桥结构延伸。聚合物层包括聚一氯对二甲苯(二氯对二甲苯二聚体 (parylene-C))。 聚合物层19下方的空间容纳共面波导23和基板21上的第二板75。总的支撑距 离L通过共面波导的宽度的距离W和距离G来提供，其中，两个距离G相等并提供共面波导 的边缘和聚合物19的垂直部分之间的剩余距离。 聚对二甲苯在MEMS制造中通常被用作防水材料。其是类似于具有非常低的弹簧 常数(即，高弹性)的聚合物的塑料。二氯对二甲苯二聚体用在本发明的这个实施例中，因 为其包含适当的柔软度、介电强度和其他与其作为涂覆材料的正常使用相关的特性。二氯对二甲苯二聚体是真空沉积塑料膜，其根据气态单体形成聚合物作为固态涂层。其提供了 极好的耐蚀性、重量轻、无应力以及使其适合于空间和军事应用的抗辐射性。二氯对二甲苯 二聚体具有2. 8GPa的杨氏模量，因此其是能够在施加电压时随着装置变形而弯曲的极其 柔软的材料。 将聚对二甲苯用作主要桥材料使得MEMS装置的桥非常柔软，并且要求相对较低 的致动电压来拉动桥向下。这意味着需要较低的功率来控制MEMS装置。聚对二甲苯的使 用允许单个元件的制造，可动态地构造rf相移器元件用于任何特定的校准频率。这种相移 器元件的阵列可被组装并分别寻址，以改变rf装置的总体特性。例如，通过附接天线元件 来形成用于固定频率范围的操作或可重构频率范围的相控阵列。 聚对二甲苯的使用提供了桥的强度构件。如图1所示，传统的MEMS桥使用金属桥 并在底板上具有绝缘层，以提供电容开关的介电质。与典型的MEMS桥相比，在本发明的优 选实施例中，绝缘层从底板移到顶板。这在MEMS装置的两个金属层之间提供了绝缘层，并 消除了金属线路上方对于绝缘的需求。优选实施例将空气作为可变电介质，以及将聚对二 甲苯用作恒定介电材料，以通过改变桥高度来改变电容。选择聚对二甲苯作为桥的主要材 料还支持将非常薄的金属膜用作顶部金属层。这利于非常柔软的MEMS装置的制造。
图4示出了对称的蛇形桥设计31，其包括基板33、蛇形弯曲部35、37，蛇形弯曲部 35、37沿着基板的长度延伸以基本上将基板一分为二。蛇形弯曲部在凸出位置通过支撑件 43来支撑。固定板41形成梁的中心部分，并在其两端附接至蛇形弯曲部35、37。 CPW 39在 板41下方被支撑，并与板41隔开一定间隙。 图5示出了与图4具有类似构造的开关的另一个实施例。其包括基板53、蛇形梁 55、CPW 57、板59和支持件61。非对称结构可以使桥在施加电压时扭曲。设想另一梁和弯 曲部几何形状，其中，电压的施加会以可控方式移动梁。 图6是针对根据本发明的装置的相位82对施加电压84的曲线图80。曲线86示 出了相位变化具有指数特性并且可控。此外，在较低电压处，该曲线近似为线性。在本发明 的优选实施例中，使用5个这样的装置实施相移器控制。在那种情况下，累计效应使得达到 36(TC的相移通过OV和14V之间的施加电压来实现。 上述本发明的装置提供了低功率、低电压致动MEMS开关，其改变传输线上信号的 相位。可以将其使用扩展到分布式MEMS传输线(DTML)，其中，每个单元都可被电控制。
图7a至图7g示出了用于制造根据本发明的装置的工艺。图7a示出了硅半导体 基板12。在图7b中，14示出了具有绝缘层16的n型硅基板12。图7c示出了具有绝缘体 16以及进入穿透这些层的通孔或过孔的n型硅基板12。 图7d示出了图7c具有形成在绝缘层的顶部上的金属涂层的配置。金属涂层24 形成本发明的天线。图7e示出了图7d在硅基板与天线24相对的表面上具有附加聚合物 层28的配置。在图7f中，30示出了沉积在聚合物层28的顶部上的金属层32。图7g示出 了一旦根据分层结构进行蚀刻的MEMS电容开关的结构。 在图8中，34示出了根据本发明的装置的表面，其中，天线36根据基板38之上的 金属表面而成型。 电磁传输的多种应用需要大多数电磁波频谱的探测和利用。为了覆盖频率的整个 范围，又一实施例利用了非频变天线，其性能相对于其电特性、物理尺寸和工作频率是固定
10不变的。 这种非频变天线完全通过角度来指定，并要求电流沿着结构减弱直到在切断点可 忽略。为了使辐射和减弱发生，必须使电荷加速，并且当导体与电荷行进的方向相垂直地弯 曲或弯折时才发生。因此，螺旋形的弯曲提供了宽带宽的非频变操作。 这种弯曲的螺旋形设计(未示出)的优点在于这种非频变天线的阵列可以与用于
波束形成的MEMS装置进行结合。可以在期望的方向上来操纵波束的总体辐射方向图。MEMS
装置被用于分别控制在工作频率的整个范围内馈送给每个天线的信号的相位，从而给出不
仅采用辐射方向图的方向性而且同时采用阵列的工作频率的优点。这种针对阵列内的每个
天线的同时提供阵列的频率和定向适应性的精确控制是本实施例的新颖特征。 图9示出了在不存在基板的情况下的本发明的配置。绘制该图以阐明本发明的特
定特征。在该实例中，天线36被定位在基板(未示出)的一侧上并通过通孔或过孔48连
接至MEMS电容桥44和传输线42，通孔或过孔48形成了从装置的一侧到另一侧穿过基板的
导电路径。 有利地，以这种方式制造本发明的装置，以遮蔽MEMS开关免受从天线接收或传送 的电磁辐射的影响。 在现有技术中，已经发现不可以在半导体基板上整体地制造MEMS和天线。这是由 于基板的高介电常数以及形成在天线和接地面之间的表面波。本发明使MEMS设置在晶片 的背侧，并且天线和MEMS具有公共地。将天线设计为具有非常小的背部辐射。除了在接地 面背面的区域之外，没有表面电流且具有非常小的电磁场。 图10是本发明的又一实施例，其中，四个单独的MEMS开关54、56、58和60连接至 四个单独的天线62、64、66和68。传输线52通过天线提供输入和输出。MEMS开关54、56、 58和60是可控的，从而将各个天线62、64、66和68的每一个切换为进行电磁信号的传输 和/或接收或不进行电磁信号的传输和/或接收。这通过控制对MEMS开关的输入以改变 传送通过天线的信号的相位来实现。 图11至图13以细节的变化程度示出了装置。图11简单示出了每个MEMS开关 54、56、58和60都连接至基板38 —侧上的传输线42。图12示出了桥电路54，其包括连接 至传输线42的多个单独的电容开关46。此外，图13更加详细的示图示出了连接至传输线 42的电容开关46。 图14示出了本发明的又一实施例，其中，CM0S可重构无线电芯片连接至容纳MEMS 开关的基板的一侧。 图15和图16示出了该装置的分层结构。其包括在一个端面上的CMOS无线电装 置03以及在另一端面上的天线05。在这些表面之间存在多个层，多个层包括绝缘体层07、 硅层09、绝缘体11和MEMS装置13。 参照图7a至7g描述根据本发明的制造装置的工艺。 绝缘体材料16在高导电性硅晶片12上沉积到200至500um的厚度。精确的深度 取决于天线的应用。 形成用于金属探针的通孔20，然后小心地从基板12清除以露出装置的背侧。然 后，利用铜24对背侧进行电镀到lum的厚度，并形成直径为20um的探针。铜24被光刻剂 遮住，然后曝光以形成图8所示期望形状的天线。
11
在顶层上图案化MEMS结构28、32。这些MEMS装置起到开关、相移器和匹配电路的 作用，构成可重构MEMS应用装置。 因此，可以在硅晶片的一侧上结合完整天线或大的天线阵列，同时在晶片的相反 侧上制造MEMS装置。使MEMS处于另一侧减小了来自天线的辐射干扰，并且还简化了 RF和 MEMS控制电路的3D集成。 这通过使可重构天线与RF和其他模块设置在相同芯片上来对芯片上系统增加了 新的尺寸。这减少了损耗，使总的系统效率最大，并减少了功耗，这是因为RF和天线馈送之 间的较短距离。本发明允许具有多频率容量的多带天线与定相阵列网络的集成，以构成用 于多带通信的可重构微天线。天线阵列在方向性、频率、相位和极化方面都是可重构的。
图17示出了具有天线规格的又一天线实施例90的平面图。该实施例具有低功率，
在多个频率处都工作地很好，并在其操作范围上都具有稳定的性能。 图18示出了不存在支撑基板的情况下具有过孔91的、图17的天线90的示图。
图19示出了具有四种天线元件101、102、103和104(每个都具有不同的配置)的 异构微天线的阵列100。没有示出可用于接通或切断一个或多个天线元件以构造天线阵列 100的MEMS开关。 可重构天线阵列100横跨在阵列100具有重复的元件组101至104。此外，横跨较 大的阵列100，元件101的阵列与元件102的阵列交错。 可以利用小于4mi^尺寸的天线来实施同构或异构天线阵列结构。天线阵列可包 括一种、两种、三种、四种及以上不同类型的天线(例如，螺旋、螺线等)。天线阵列配置可 覆盖从棋状阵列结构到重复天线中心的较大阵列的所有形状和配置。这允许平滑的波束形 成并相容覆盖许多频带，并且还允许在相同阵列中从单种极化(垂直、水平、右旋圆和左旋 圆)直到所有可能的极化。 图19所示阵列的变化(包括处于不同定向的相同图案的组合)提供了左旋圆和
右旋圆极化以及大约水平和垂直极化。该天线阵列提供了对大频谱、极化和空间分集的覆
圭 下面参照附图讨论各种天线阵列结构。 图20和图21示出了同构阵列的实例，每个元件都具有相同的形状，但在阵列中不 同位置通过旋转进行转换。 图22示出了与图19所示类似的具有四种不同天线的异构阵列的实例，但是每个 组都横跨阵列水平重复同时旋转而被转换。每个元件组的垂直重复并不涉及任何转换，而 仅仅是平移，所以每列都包括四个相同组的堆叠。 图23示出了一组四个的具有两种不同类型天线的异构阵列的实例。存在每个四 元件组的四种旋转都水平横跨阵列。此外，类似于图22，每个元件组的垂直重复并不涉及任 何转换，而仅仅是平移。 图24示出了具有两种不同类型天线的异构阵列的实例，其不具有横跨阵列转换 每个四元件组。 图25示出了使用图17的基本元件的不同旋转提供多极化的同构阵列的实例。天 线的每个象限都与其他象限相同。 图26示出了使用图17的基本元件的不同旋转和映像提供多极化的异构阵列的实例。每半边的天线都相对于中心线被映射，使得每个象限都是其最近相邻象限的映像。螺 旋天线元件的映像产生了不同的天线类型，因此阵列是异构的。 尽管在图中示出了通过旋转和映像进行天线元件的转换，但其他转换(例如縮放 和变形)也可以被用于提供不同的天线元件配置。 图27示出了具有不同天线设计的同构阵列组合的异构阵列的实例。 图28示出了具有类似天线设计的同构阵列组合的异构阵列的实例。每半边的天
线都相对于中心线被映射，使得每个象限都是其最近相邻象限的映像。 图29示出了具有4X4同构阵列组合的异构阵列的实例，其具有所有可能的极化。
这适合于较大阵列尺寸的应用(例如，雷达)。 使用本发明的天线阵列以使频谱范围最大，并且同时还具有高方向性和多极化能 力。该阵列可包括多个相对于彼此以各种方向放置的不同辐射元件，以使干扰最小且使效 率最大。异构天线阵列满足民用和军用的较宽范围。 每个元件的尺寸为毫米的级别，并且这种小天线元件的阵列并不会不利地被尺寸 所限制，因此可以允许在阵列中使用大量的元件。阵列的结构及其元件类型(异构和同构) 的选择、放置和它们的数量通过所针对的应用、频率范围和所要求的极化、所需要的相移、 馈送系统的功率处理能力和芯片的封装来调节。 通常，在天线阵列中，在不同的阵列元件之间存在固有的干扰问题，然而，本发明
的阵列具有接通/切断各个元件的能力，从而减小了处于给定频率的干扰效应。 阵列中元件的放置可以提供电磁辐射的各种极化，极化可以在水平、垂直、右旋圆
和左旋圆极化之间进行变化。通过适当放置阵列元件，该阵列可在同一阵列上实现所有种
类的极化。 这种设计可源于来自经由MEMS相移器的网络控制的辐射元件中分配的RF的单馈 送。这简化了 RF端，其中，系统将会通过改变波束的方向性来尝试检测期望信号的最大信 噪比(SNR)。 通过可重构MEMS的应用，可实现微型低功率自适应天线的构想，并且通过无缝式
可重构SoC结构，可以在单个平台上建立多种应用。自适应天线阵列能够察觉到它们的环
境，并自动地调节它们的信号定向，以减少干扰并使期望的信号接收最大化。本发明可用于多标准、多频率通信，以实施900. 1800MHz的GSM、 2GHZ的3G、 2. 4GHz
的WLAN/蓝牙、5GHz的WLAN和10 66GHz的WiMAX的单个系统。用户的需求是能够利用
所有这些关键的通信系统，本发明将会使用户受益于单个装置上完整频谱。 作为交互装置的天线在传送和接收微波时具有相同特性，因此主要用于通信的天
线还可以应用于基于空间的传感器。被动微波感测是与热感测类似的概念，其检测在其视
场内自然辐射的微波能量。这种辐射的能量与发射对象或表面的温度和潮湿特性相关。 现在在欧洲和美国(USA)所使用的许多运输和豪华客用机动车辆上出现了汽车
雷达装置。在先进的巡航控制系统中采用这些装置，其可以驱动机动车辆的加速器和/或
刹车，以控制其在另一车辆之后的隔离距离。这种系统的实例是B丽的"主动巡航控制"、
Jaguar的"自适应巡航控制"和Daimler-Benz的"限距"系统。期望这些系统的使用在未
来将变得普遍。 许多车辆进口商设法使汽车具有智能巡航控制系统引入澳大利亚。所提出的系统采用在76 77GHz的频率范围内操作的脉冲雷达。欧洲邮政和电信会议(CEPT)提出了 43 个欧洲监管委员。CEPT通过欧洲无线电通信协议(ERC)决议(92) 02 [2]确定76 77GHz 的频带应该被指定给非专属基础的汽车雷达系统。对于用作车辆雷达系统的车载场干扰传 感器，联邦通信委员会(FCC) [3]规则支持46. 7 46. 9GHz频带和76. 0 77. 0GHz频带在 USA的使用。国际电信联盟(ITU)建议ITU R M. 1310 [4]将频带60 61GHz和76 77GHz 由汽车雷达系统所使用。针对这种目的的日本邮政和电信部(MPT)的对60 61GHz频带 和76 77GHz频带的应用与亚太电信联盟标准化程序(ASTAP)相类似，其已经提出了关 于"low Power Short-RangeVehicle Radar Equipment Operating in the 60-61GHz，and 76-77GHz bands"标准草案的提议。 下表是支持汽车雷达的使用的(由海外机构做出的)各种频带的总结。 所支持的频带 机构 76 77GHz CEPT (欧洲)





76 77GHz ETSI (欧洲)
46. 7 46. 9GHz ， 76 77GHz FCC (美国)
60 61GHz, 76 77GHz ITU
60 61GHz，76 77GHz MPT(日本)
多模式雷达是用于许多军事运载工具(尤其是航空器)的主要任务传感器，赋予 它们跟踪和扫描多目标的能力，并且低功率、轻重量且能够宽频带操作。
在这种应用中采用本发明的可重构天线的优点在于其可以按比例放大到较大阵 列以在多模式雷达中创建有效操作的多扫描波束。由于单个天线的尺寸小于4mm2，所以这 种小MEMS天线的阵列将根据所需应用给出低功率且重量轻的装置。 单个3英寸晶片可以集成多于200的当前设计的元件(如下所示)。较大天线的 每个部分都可以以不同的模式进行操作，以用于应用所要求的对多个目标的同时跟踪和扫 描。 由于尺寸的縮小，可以实施天线的异构阵列，每个都以多种频率进行工作。整体的 阵列会覆盖整个频谱。因此，在单个晶片实施的情况下，可以覆盖1 150GHz的频率，提供 对目标的宽带扫描和基于窄带的跟踪。这对于通过单个装置进行军事应用和跟踪多个目标 来说是理想的。 合成孔径雷达(SAR)是指用于通过组合雷达沿着飞机或卫星的航迹移动所接收 的信号(回波)来合成非常长的天线的技术。孔径是指用于收集形成图像的反射能量的开 □。 SAR系统利用雷达信号的大范围传播特性和现代数字电子器件的复杂信息处理能 力的优点来提供高解析度图像。合成孔径雷达补充了摄影和其他光学成像能力，这是因为 对时间和大气条件的最低限制以及因为相对于雷达频率的地形和文化目标的独特响应。
合成孔径雷达技术已经向地质学者提供了地形结构信息用于矿物开发，向环境工 作者提供关于漏油边界，向领航员提供海况和冰暴，以及向军事行动提供侦查和目标信息。 本发明具有许多其他应用或潜在应用。它们中的一些(尤其是民用)还没有被充分开发， 因为较低成本的电子器件刚刚开始使SAR技术变得经济以进行小规模使用。
本发明可以使用本文所描述的各种结构覆盖SAR频率，以制造低功率、坚固且小
14型化的SAR装置的版本。 被动微波远程感测的应用包括气象学、水文学和海洋学。目前所使用的大多数地 球观测卫星承载非常特定的雷达子系统，该雷达子系统根据微波频谱的固定频带来工作。 在本发明可重构设计的目标范围内具有P、 L、 S、 C和X频带。 对于身体可佩带天线，目前感兴趣的为军事和民用领域。本发明提供了可重构天 线，其较小且覆盖了用于高数据率微波链路和感测的大量频率。用于个人通信和感测的可 重构天线的设计可以被认定是非常有用的装置应用。 这种自适应天线的应用不限于通信，而是还可以用于医学治疗。用于微波谐振治 疗(MRT)的天线生成高频微波，在临床实验中成功治疗乳腺癌。与将现代技术与传统东方 医学相混合的针灸疗法类似，它们还被用于生物物理治疗。由于相对较小的尺寸，低功率、 设计成本以及与CMOS技术相对容易的结合，在上述两种情况下，采用相位阵列天线。
在不背离本发明权利要求的范围的情况下，可以结合各种改进和修改。
权利要求
一种用于传送和/或接收电磁波的装置，所述装置包括基板；一个或多个天线，安装在所述基板的第一表面上；一个或多个微机电(MEMS)开关，定位在所述基板的第二表面上；连接器，穿过所述基板延伸以操作性地将所述MEMS开关连接至所述天线。
2. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述基板包括半导体层和至少一个绝缘层。
3. 根据权利要求2所述的装置，其中，所述至少一个绝缘层形成用于所述天线的基板。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述基板用于遮蔽所述MEMS开关免 受所述天线影响。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述MEMS开关和所述天线具有公共地。
6. 根据权利要求5所述的装置，其中，所述公共地包括半导体层。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述天线包括图案化金属表面。
8. 根据权利要求7所述的装置，其中，所述图案化金属表面包括螺线。
9. 根据权利要求8所述的装置，其中，所述螺线是弯曲的。
10. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述天线包括多个天线元件。
11. 根据权利要求10所述的装置，其中，所述天线元件是被连接的。
12. 根据权利要求10或11所述的装置，其中，一个或多个天线元件被接通或断开。
13. 根据权利要求10至12中任一项所述的装置，其中，一个或多个天线元件被接通或 断开，以控制所述装置的工作频率。
14. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述MEMS开关是电容开关。
15. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述MEMS开关进行操作以改变所 述天线的输入的相位或来自所述天线的输出的相位。
16. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述MEMS开关包括 基板；第一导电层；附接至所述基板并在所述基板上形成桥结构的材料；第二导电层，附接至远离所述基板的所述材料的表面；其中，所述材料用作对所述第二导电层的机械支撑以及用作电介质。
17. 根据权利要求16所述的装置，其中，所述材料用于响应于力的施加而弯曲，从而改 变所述MEMS开关的电容。
18. 根据权利要求16所述的装置，其中，所述材料用于响应于在所述第一导电层和所 述第二导电层之间施加电压而弯曲，从而改变所述MEMS开关的电容。
19. 根据权利要求16至18中任一项所述的装置，其中，所述材料具有小于4. 5GPa的弹 力的杨氏模量。
20. 根据权利要求16至19中任一项所述的装置，其中，所述材料具有处于1MHz大于2 的介电常数。
21. 根据权利要求16至20中任一项所述的装置，其中，所述材料是聚合物。
22. 根据权利要求16至21中任一项所述的装置，其中，所述材料源自对二甲苯。
23. 根据权利要求16至22中任一项所述的装置，其中，所述材料是聚一氯对二甲苯
24. 根据权利要求16至23中任一项所述的装置，其中，所述材料是聚对二甲苯。
25. 根据权利要求16至24中任一项所述的装置，其中，所述第二导电层是金属。
26. 根据权利要求16至25中任一项所述的装置，其中，所述第二导电层包括铝。
27. 根据权利要求16至26中任一项所述的装置，其中，所述MEMS开关还包括安装在所 述基板上的共面波导。
28. 根据权利要求16至27中任一项所述的装置，其中，所述MEMS开关集成在微带拓扑中。
29. 根据权利要求18至28中任一项所述的装置，其中，所述桥结构包括梁，所述梁被成 形以改变桥的机械特性以及其响应于所施加的电压移动的方式。
30. 根据权利要求29所述的装置，其中，所述梁是对称的。
31. 根据权利要求29所述的装置，其中，所述梁是不对称的。
32. 根据权利要求29至31中任一项所述的装置，其中，所述梁包括蛇形弯曲部。
33. 根据权利要求29至32中任一项所述的装置，其中，配置所述梁的形状，使得在施加 电压时所述梁以预定方式扭曲或弯曲。
34. 根据权利要求29至33中任一项所述的装置，其中，所述MEMS开关被配置为将电磁 装置连接至馈送线或信号路径，以及将所述电磁装置与所述馈送线或所述信号路径断开。
35. 根据权利要求34所述的装置，其中，所述MEMS开关用于改变所述馈送线上的信号 的相位。
36. 根据权利要求35所述的装置，其中，利用所施加电压的相位改变在预定电压范围 内基本是线性的。
37. 根据权利要求35或36所述的装置，其中，多个MEMS开关进行组合，以在所施加电 压进行施加时提供从0至36(TC的可控相移。
38. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述连接器是通孔或过孔。
39. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述连接器包括附接于此的导电材料。
40. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述装置还包括集成电路，所述集 成电路在所述MEMS开关出或其附近附接至所述装置。
41. 根据权利要求40所述的装置，其中，所述集成电路包括CM0S电路。
42. 根据权利要求41所述的装置，其中，所述CMOS电路包括CMOS无线电装置。
43. 根据权利要求10至42中任一项所述的装置，其中，所述多个天线元件包括天线阵 列，所述天线阵列包括多个第一天线元件，每一个都具有第一天线配置，并且所述天线阵列 还包括多个第二天线元件，每一个都具有第二天线配置，其中，所述第一天线配置和所述第 二天线配置是不同的。
44. 根据权利要求43所述的装置，其中，所述第二天线配置包括所述第一天线配置的 转换。
45. 根据权利要求44所述的装置，其中，所述转换包括旋转、映像、縮放和变形的至少一种。
46. 根据权利要求43至45中任一项所述的装置，其中，所述多个第一天线元件与所述多个第二天线元件交错。
47. 根据权利要求43至46中任一项所述的装置，其中，所述天线阵列包括第一元件 组，包括第一天线元件和第二天线元件；以及第二元件组，包括所述第一元件组的转换。
48. 根据权利要求44所述的装置，其中，所述转换包括映像。
全文摘要
微机电(MEMS)天线(36)被定位在基板的一侧并通过通孔或过孔(48)连接至包括电容器桥(46)的MEMS开关和传输线(42)，通孔或过孔(48)形成穿过基板的导电路径。这种配置为天线和开关提供了公共接地面，并遮蔽开关免受从天线接收或传送的电磁辐射的影响。开关可包括最上面的金属层，其横跨由聚合物层(19)形成的桥结构延伸。聚合物层包括聚一氯对二甲苯(二氯对二甲苯二聚体)。实现了同构或异构天线阵列结构。天线阵列可包括一个或多个不同类型的天线，这些天线例如具有不同的形状、旋转和映像。
文档编号H01Q1/38GK101743665SQ200880019799
公开日2010年6月16日 申请日期2008年6月13日 优先权日2007年6月13日
发明者安东尼·约翰·沃尔顿, 格里尔·阿斯兰, 纳库尔·R·哈里达斯 申请人:爱丁堡大学评议会