RF﹢MEMS器件在航天领域的应用

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1、蹲鳓霪、器佟莛藏．芙氯壤：斡廑蘑朱健(中国电子科技集团公司55所．南京．210016)文摘：概述近年来国内外RFMEMS器件在航天领域的部分应用及发展趋势，重点介绍了RFMEMS开关、RFMEMS移相器和RFMEMS滤波器在航天领域的应用。关键词：RFMEMS器件；产品小型化；航天元器件。0引言RFMEMS器件与传统的射频元器件相比．具有低插损、线性、宽带、低功耗、体积小等优点。RFMEMS器件在航天系统中的应用，将大幅降低航天器件的体积和重量．提高通讯系统的性能。RFMEMS器件在微纳卫星、微型SAR

2、、空间探测、空间传输、微小飞行器等航天领域具有广阔的应用前景．对航天装备的小型化、集成化、轻型化有重大影响和深远意义。目前．国际上已经对RFMEMS器件进行了十多年的研究。国内也开展了近十年的研究，并取得了一定的成果．开发出了RFMEMS开关样品及滤波器产品．尤其是中国电子科技集团公司55所开发的基于MEMS通孔技术的硅基滤波器．开始逐步替代传统的微带线结构滤波器．并已经在航天系统中获得应用。近年来，国内外对RFMEMS器件在皮卫星、纳卫星中的应用研究相应展开。2000年，美国发射了由Aerospace

3、公司及斯坦福大学研制的皮卫星．其中携带了Rockwell研究中心(RSC)所研制的RFMEMS开关，这也是RFMEMS开关首次在航天型号研制中进行的试验(图略)Ill。该RFMEMS开关利用表面微加工工艺制作的串联接触式开关．利用PCB版将其安装于皮卫星中．主要开展RFMEMS开关一32一在太空中工作可靠性及可行性的研究。通过实验研究．该开关在太空中的性能与发射之前完全相同．太空中的环境及发射过程并未影响RFMEMS开关的性能。美国NASA启动的芯片级系统(SOAC)计划，目标是开发单芯片自主航空系统。

4、该系统单片集成有CPU、存贮器、电源管理及分配单元、传感器、制动器及通信子系统等．其中X频段的微波通讯T／R部件是“瓶颈”之一。研究工作表明．借助射频MEMS的能力．将使微波前端的体积从基于波导元件设计的2870cm3降至38cm3．重量从原先的3．6kg降至3009。RSC所研制的RFMEMS开关在太空中的成功应用．使得国外众多科研单位相继开展了RFMEMS器件在航天系统中应用的研究。本文将分别介绍RFMEMS开关、移相器、滤波器等在航天系统中的潜在应用及国内RFMEMS器件的研究情况。1RFMEMS

5、开关通讯卫星的通讯系统需要成千上万的开关用于信号通路及冗余设计．RFMEMS开关主要应用在通讯卫星中的通讯系统。在通讯系统中．通常使用大体积的电子机械开关和高能耗的固体电路开关。如图1所示。而利用MEMS技术制作的RFMEMS开关，具有体积小、功耗低等优点，《航天标准化))2010年第4期可以替换通讯系统中原有的开关。丛丛曼塑攫壁庄廑差盥厦改应虚：塞震阵面积0．4m2。使用了25000只RFMEMS开关，天线实现了电扫描角度±600、空中探测距离超过20km。我所研制的RFMEMS开关样品已经获得国内多

6、家单位的试用。2RFMEMS移相器相控阵天线具有很多的天线单元．通过控制图1通讯卫星中应用的冗余开关阵列每个天线单元所发射信号的相位．使各天线发射RFMEMS开关在航空航天领域应用的实例的信号相互干涉．可以使相控阵天线具有很高的之一是美国2002。2004财年的“用于空间运用的方向性。每个相控阵天线单元中都包含一个移相DARPA—MEMS和微技术”项目．通过新一代射器，移相器是相控阵天线的最重要的单元。频MEMS开关技术以及通信协议和地面操作的改与铁氧体、PIN和GaAs移相器相比。MEMS进．实现利用

7、小电源维持长时间的在轨运行。移相器具有体积小、质量轻、价格低、线性度好2007年．加拿大Mansour等人在NSERC和等优点，更适合天基雷达的应用。MEMS移相器COMDEV计划的资助下．开发了针对通讯卫星通常具有开关线型、负载线型和反射线型等三种应用的C型、R型开关和冗余开关阵列．如图2结构形式。目前，已经开发了针对多种频段及应所示。C型和R型开关均为4端I=I器件．分别具用的MEMS移相器。与现有的移相器相比，有2个和3个工作状态．可使利用R型开关所MEMS移相器具有更低的插入损耗，但是驱动电压组

8、成的冗余开关阵列少使用50％的开关l扪。也相对较高，表l列出了MEMS移相器与GaAsFET移相器的性能比较。并且．MEMS移相器的带宽更宽。通常针对军事通讯系统的应用。目前也有一些针对卫星应用的MEMS移相器。(a)c型和(b)由C型开荚组成的(c)由R型开关R型开关冗余开关阵列组成的冗余开荚阵列图2针对通讯卫星应用的RFMEMS开关RFMEMS开关也可以应用于有源相控阵天线的移相器中。目前。这些移相器主要使用固态电路元件。而固态电路元件