JP2021500793A - 高インピーダンスｒｆ ｍｅｍｓ伝送素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

ＲＦ伝送システムは、ＲＦ入力を供給するＲＦソースと、当該ＲＦソースに結合されて当該ＲＦソースからＲＦ入力を受信し、ＲＦ負荷へと伝送するための出力信号を生成する１または複数のＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子とを備える。ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子はそれぞれ、基板、当該基板上に形成され、ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子の信号入力部とＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子の信号出力部との間に信号伝送線路を供給している導電線、および当該導電線に沿って配置され、信号入力部と信号出力部との間に信号伝送線路を画定するように、選択的に制御可能である複数のスイッチ素子を含む。ＲＦソースおよびＲＦ負荷はそれぞれ第１の特性インピーダンスを有し、１または複数のＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子は、第１の特性インピーダンスよりも高い第２の特性インピーダンスを有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、概して無線周波数（ＲＦ）通信システムに関し、より詳細には、特性インピーダンスを選択的に上昇させて、挿入損失を減少させるＲＦマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）による通信システムに関し、また本システムの構造により、その製造歩留まりを向上させるものである。

ＲＦ ＭＥＭＳ素子は、その最も一般的な形態では、電気的に作動させる機械的動作を利用して、ＲＦ伝送線路の開回路または閉回路を形成する小型素子として定義できる技術である。ＲＦ ＭＥＭＳ素子がオンの位置にある場合、ＲＦ伝送線路は「クローズ」され、このＲＦ ＭＥＭＳ素子を使用して高周波ＲＦ信号を伝導することができる。このようなＲＦ ＭＥＭＳ素子は、低放射損失であり、開状態で低容量結合され（３００ｆＦｄ）、かつ機械的形状が極めて小さい（７６ｕｍ）ことから、結果として誘導性寄生成分が最小限に抑えられ、かつ接触抵抗が比較的低くなる（１オーム）などの望ましいＲＦ特性を有することにより、開回路と閉回路との間にこのようなスイッチング機能を設けるのに理想的であると認識されている。

ＲＦ ＭＥＭＳ素子の用途の１つとしては、電子式指向アンテナ（ＥＳＡ：ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ ｓｔｅｅｒｅｄ ａｎｔｅｎｎａ）システムでこの素子を使用することが挙げられ、これは、複数の固定アンテナ素子からの信号を結合して、電波ビームを空間内のある角度に指向させるシステムである。アンテナを物理的に移動させることなく、ビームをさまざまな方向に電子的に指向させることによってこれらのビーム特性およびビーム角度を制御することができ、これを実行するための既知の技法として、真の時間遅延（ＴＴＤ：ｔｒｕｅ ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ）が挙げられる。このＴＴＤを用いたビームステアリングは、各アンテナ素子の線路長または伝送時間を変更することで実現され、さまざまな長さのＲＦ伝送線路に結合された複数のＲＦ ＭＥＭＳ素子を含むＴＴＤモジュールを設けることにより、こうした変更を行うことができる。共通給電点と当該アンテナとの間で信号が伝送されるのにかかる時間を、ＲＦ ＭＥＭＳ素子によるスイッチングを介して特定の伝送線路の組み合わせを選択することにより制御しており、これにより、各素子に、ＲＦ信号に対する所望の量の位相または時間遅延を分与することができる。

しかしながら、既存のＲＦ伝送システム（ＴＴＤを利用するＥＳＡシステムを含む）のためのＲＦ ＭＥＭＳ素子および付随するＲＦ伝送線路を使用するにあたっては、これらに関連した多くの制限および課題が存在することが認識されている。主な課題の１つとしては、当該システムで望ましい５０オームの特性インピーダンスを達成することであり、この５０オームは、ほとんどのＲＦ伝送システムで使用されている標準的な特性インピーダンスである。つまり、そのようなシステムで使用するＲＦ ＭＥＭＳ素子およびＲＦ伝送線路のサイズが原因で、当該システムの小型化に関連した課題に起因して、５０オームの特性インピーダンスを達成するのが困難になることが多い。たとえば、ＲＦ伝送線路の幅またはＲＦ伝送線路間の間隔を変更することにより、特性インピーダンスを望ましく変更することができるが、そのような変更により、当該システムの抵抗が増加するか（ＲＦ伝送線路が狭い場合）、または当該システムのサイズを拡大しなければならない結果となる（ＲＦ伝送線路間の間隔を拡げる場合）。別の例として、当該システム内でＲＦ伝送線路が形成されている絶縁基板（ガラスなど）の厚さを減少させることにより、特性インピーダンスを望ましく変更することができるが、基板をこのように薄くすることによりこの基板が脆くなり、厚さをそのように減少させることで、場合によっては破損が発生し得るため、製造歩留まりが低下する恐れがある。

したがって、製造歩留まりの課題に対処しながら、望ましい特性インピーダンスを供給するようなＲＦ ＭＥＭＳ伝送システムを提供することが望ましい。さらに、パッシブビームフォーマアセンブリを形成し、かつ広帯域周波数信号の処理用途に良好な信号伝送を維持できる、低いＲＦ挿入損失（４ｄＢ未満）のＲＦ ＭＥＭＳ伝送システムを提供することが望ましい。

本発明の一態様によれば、ＲＦ伝送システムは、ＲＦ入力を供給するＲＦソースと、このＲＦソースに結合されてこのＲＦソースからＲＦ入力を受信し、ＲＦ負荷へと伝送するための出力信号を生成する１または複数のＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子とを備える。これらの１または複数のＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子はそれぞれ、基板、この基板上に形成され、ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子の信号入力部とＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子の信号出力部との間に信号伝送線路を供給している導電線、およびこの導電線に沿って配置され、信号入力部と信号出力部との間にこれらの信号伝送線路を画定するように、選択的に制御可能である複数のスイッチ素子を含む。ＲＦソースおよびＲＦ負荷はそれぞれ第１の特性インピーダンスを有し、１または複数のＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子は、第１の特性インピーダンスよりも高い第２の特性インピーダンスを有する。

本発明の別の態様によれば、ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子を製造する方法は、基板を形成するステップと、複数の線路部分を含む信号線をこの基板の上面に形成するステップと、ＭＥＭＳスイッチ素子を信号線に結合するステップであって、この信号線のそれぞれの線路部分を選択的に結合かつ減結合し、これらの線路部分を介してＲＦ信号を伝送するように、ＭＥＭＳスイッチ素子を閉位置および開位置で動作可能にしている、ステップとを含む。基板および信号線を形成するステップは、基板の厚さおよび信号線の幅を互いに対して選択的に制御するステップを含み、その結果、信号線の長さおよび厚さと、基板および信号線の材料特性とを組み合わせた場合に、ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子の特性インピーダンスが、ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子を接続しているＲＦソースおよびＲＦ負荷が有する５０オームの特性インピーダンスよりも高くなるようにしている。

本発明のさらに別の態様によれば、ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子は、ある厚さを有する基板と、この基板の上面に配置された複数のＭＥＭＳ素子と、この基板の上面に形成された導電性信号線とを備え、これらの導電性信号線はそれぞれ、ある長さ、ある幅、およびある厚さを有する。基板の厚さ、ならびに導電性信号線の長さ、幅、および厚さをそれらのうちの他のものと組み合わせると、ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子の特性インピーダンスが約１５０オームとなるように、基板の厚さと導電性信号線の幅とを設定している。

添付の図面に関連して示している本発明の好ましい実施形態に関する以下の詳細な記載から、これらおよび他の利点および特徴についてより容易に理解できるであろう。

これらの図面は、本発明を実施するために現在企図される実施形態を示している。
図面において：
真の時間遅延の影響をビームステアリングが受けた位相アレイアンテナを備えるレーダシステムの形態の、ＲＦ伝送システムの簡略概略図である。 本発明のｎ実施形態による、図１のレーダシステムで使用可能な真の時間遅延（ＴＴＤ）モジュールの概略上面図である。 本発明の一実施形態による、図２のＴＴＤモジュールで使用可能な例示的ＭＥＭＳスイッチ素子の概略図である。 ５０オームのＴＴＤモジュールを内部に組み込んだ、従来技術によるＲＦ伝送システムの概略ブロック図である。 本発明の一実施形態による、１５０オームのＴＴＤモジュールを内部に組み込んだ、ＲＦ伝送システムの概略ブロック図である。

本発明の実施形態は、特性インピーダンスを選択的に上昇させて、挿入損失を減少させ、その際１または複数のＲＦ伝送線路の特徴部を形成して、特性インピーダンスの上昇をもたらすようにしているＭＥＭＳ伝送システムを対象とする。その製造歩留まりを向上させるために、ＲＦ伝送線路は耐久性を高めるようにさらに構成してもよい。

真の時間遅延（ＴＴＤ）ビームフォーマまたはモジュールからＲＦ入力を受信する放射アンテナ素子を含むレーダシステムの形態の、ＲＦ ＭＥＭＳ伝送システムで使用するために、本発明の実施形態をここで以下に示し、かつ説明している。しかしながら、本明細書に具体的に示し、かつ説明しているもの以外の他のＲＦ伝送システムで、本発明の実施形態を実施してもよいことが認識されている。したがって、本明細書に記載している特定のＲＦ ＭＥＭＳ伝送システムのみに本発明の実施形態を限定することを意図しておらず、これらを他のＲＦ ＭＥＭＳ伝送システムで利用してもよい。また、ここではＴＴＤビームフォーマについて以下に具体的に開示しており、またこれをレーダシステムで利用しているが、ＭＥＭＳスイッチおよびＲＦＴ伝送線路を利用する他のＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子も本発明の範囲内にあると認められることが認識されている。

まず図１を参照すると、本発明の実施形態によるレーダシステム１０（または「ＲＦ伝送システム」）の簡略概略図が示されている。レーダシステム１０は、信号を伝送かつ受信するための複数の放射素子１４から構成された、アンテナ１２を備える。所定の波長を有するＲＦ変調信号などのＲＦ入力を供給しているソース１６によって、これらの放射アンテナ素子１４に給電している。このＲＦ入力は、伝送／受信スイッチ１８により、分配器／結合器２０を介して、各アンテナ素子１４に対応する真の時間遅延（ＴＴＤ）ビームフォーマまたはモジュール２２へと伝送されている。コントローラ２４は、ドライバダイ２６に駆動信号を供給し、ドライバダイ２６は時間遅延信号を生成する仕方で、ＴＴＤモジュール２２内のスイッチ素子を選択的に制御している。これらのＴＴＤモジュール２２は、時間遅延信号をそれぞれのアンテナ素子１４へと出力している。ここでアンテナ素子１４によって受信される信号は、分配器／結合器２０を介して受信機２８へと転送される。図１には具体的に示していないが、垂直偏光、水平偏光、および円偏光を独立してビーム制御を行うように、本発明の実施形態を構成してもよく、また各偏光に対して、別個のビーム制御回路を含んでもよいことが企図される。

図２は、本発明の一実施形態による、図１のレーダシステムまたはＲＦ伝送システム１０に組み込んだＴＴＤモジュール２２の概略上面図である。ＴＴＤモジュール２２は、ベース基板５６上にパターニングされたマイクロストリップ伝送線路３０またはマイクロストリップ信号線を含み、これによって４組の時間遅延段３２、３４、３６、３８を含む。当技術分野で既知の堆積法、パターニング法、および／またはエッチング法を用いて、マイクロストリップ伝送線路３０を形成している。好ましい一実施形態では、ベース基板５６を溶融石英で形成しており、これにより漏れ電流が減少し、またスイッチチャネルの絶縁が改善される。代替実施形態によれば、ベース基板５６を、ガラス、アルミナ、セラミック、ＬＴＣＣ、ＨＴＣＣ、石英、ポリイミド、ヒ化ガリウム、シリコン、もしくはゲルマニウムなどであるが、これらに限定されない絶縁性材料、半絶縁性材料、または半導電性材料とすることができる。あるいはベース基板５６を、スイッチ素子またはスイッチ４４、４６およびマイクロストリップ伝送線路３０を含むように処理された、半導体ウェーハとすることができる。

マイクロストリップ伝送線路３０を、たとえば銅、金、タングステン／ニッケル／金の積重ね、または別の一般的な包装材料などの任意の導電性材料とすることができる。図示のように、マイクロストリップ伝送線路３０をパターニングして、遅延段３２、３４、３６、３８を直列に結合するようにし、その際、第１の遅延段３２をＴＴＤモジュール２２のＲＦ信号入力部４０に結合し、第４の遅延段３８をＴＴＤモジュール２２のＲＦ信号出力部４２に結合するようにしている。これらの遅延段３２、３４、３６、３８はそれぞれ、入力電子スイッチ素子４４および出力電子スイッチ素子４６を含み、これらの電子スイッチ素子をオンまたはオフ位置のいずれかで選択的に制御し、これによってそれぞれのアンテナ素子１４（図１）へと伝送される伝送信号に累積時間遅延を挿入するようにしており、これについては以下でさらに詳述している。本明細書では素子４０および素子４２をそれぞれ入力部および出力部として記載しているが、これらの素子４０、素子４２の機能を逆にして、素子４０をＲＦ信号出力部とし、素子４２をＲＦ信号入力部とし得ることが企図される。同様に、ＲＦ信号がＲＦ信号素子４０からＴＴＤモジュール２２を通ってＲＦ信号素子４２へと（それぞれ「出力」スイッチ素子および「入力」スイッチ素子として）進む場合において、当該信号が逆方向に進むときは、スイッチ素子４４および４６は、各遅延線４８、５０、５２、５４のそれぞれの「入力」スイッチ素子および「出力」スイッチ素子として機能することを理解すべきである。

第１の遅延段３２は、ＴＴＤモジュール２２のベース基板５６上にパターニングされた４つのマイクロストリップ遅延線４８、５０、５２、５４を含む。遅延線４８、５０、５２、５４の長さを変化させて、ＲＦ入力信号にさまざまな時間遅延を分与するようにしている。遅延線４８は長さＬ１を有し、遅延線５０は長さＬ２を有し、遅延線５２は長さＬ３を有し、遅延線５４は長さＬ４を有し、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ４となっている。伝送信号の位相は、遅延線４８、５０、５２、５４によって分与される時間遅延に比例して変位し、最長の遅延線５４が最大の時間遅延を分与している。

第２、第３、および第４の遅延段３４、３６、３８を第１の遅延段３２と同様に形成しており、遅延段３４、３６、３８はそれぞれ、ベース基板５６上にパターニングされたさまざまな長さの４つのマイクロストリップ遅延線４８〜５４を含む。線路セグメント５８、６０、６２は遅延段３２〜３８を相互接続している。４つのマイクロストリップ遅延線４８〜５４のうちの１つにある所与のスイッチ対４４、４６を選択的に閉じ、残りのスイッチ対を、上記と同様に開位置で維持することにより、追加の位相シフトを後続の各遅延段３４〜３８によって入力信号に分与させている。

ベース基板５６上で、各マイクロストリップ遅延線４８〜５４の入力端子および出力端子にスイッチ素子４４、４６をそれぞれ配置している。図示の実施形態では、第１の遅延段３２および第３の遅延段３６のマイクロストリップ遅延線４８〜５４が、スター型またはファンアウト構成を有するように構成され、また第２の遅延段３４および第４の遅延段３８のマイクロストリップ遅延線４８〜５４が、線形構成を有するように構成されている。しかしながら、特定の用途の設計仕様に基づいた任意の数の代替構成を有するように、これらの遅延段を構成してもよいと企図される。

本明細書で開示しているＴＴＤモジュール２２を、４つの遅延段と３６０度の遅延／位相シフト範囲とを有する２５６状態のビームフォーマとして設計している。ＴＴＤモジュール２２は、Ｋｕ帯域全体にわたって、または１０〜１５ＧＨｚ帯域幅にわたって動作可能である。しかしながら、本明細書に開示している概念を、任意の数の遅延段を有するＴＴＤモジュールであって、特定の用途における所望の遅延量、および結果として得られるビームステアリング分解能に基づいて、当該数の遅延段、およびそれらの段内にある個々の遅延線の長さを決定しているＴＴＤモジュールへと拡張してもよい。同様に、本明細書に開示しているＴＴＤモジュール２２の寸法は約９ｍｍ×７．５ｍｍであるが、当業者であれば、特定の用途の設計仕様に基づいて、ＴＴＤモジュールの寸法を変更してもよいことを認識するであろう。

本発明の実施形態によれば、スイッチ４４、４６をＭＥＭＳ素子として設けており、これにより、ＴＴＤモジュール２２を「ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子」と呼んでもよい。これらのＭＥＭＳスイッチ４４、４６を、複数の堆積工程、陽極酸化工程、パターニング工程、およびエッチング工程を含む堆積技法を用いて形成してもよい。例示的な一実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ４４、４６は、オーミック接触型スイッチ機構として示す、図３に図示しているＭＥＭＳスイッチ６４と同様の構造を有する。ＭＥＭＳスイッチ６４は、接点６６と、たとえば片持ち梁ビームなどの可動素子６８とを含む。いくつかの実施形態では、可動素子６８をアンカーによって支持することができ、このアンカーは可動素子６８と一体化され、可動素子６８をベース基板５６などの下部にある支持構造体に結合する役割を果たしていてもよい。図示の一実施形態では、可動素子６８は、共通の梁部分に結合された２つの片持ち梁部分を含む、１つの片持ち梁ビームである。しかし他の実施形態では、可動素子が別の形状を有するように、構成してもよいことが企図される。非限定的な例として、接点６６、片持ち梁ビーム６８、および電極７０を、金、金合金、ニッケル、ニッケル合金、白金、タンタル、またはタングステンなどの少なくとも１つの導電性材料で少なくとも部分的に形成している。スイッチ６４は、電極７０と片持ち梁ビーム６８との電位差をもたらす電極または駆動手段７０をさらに含む。

図３に示すように、スイッチ４４の接点６６および可動素子６８を、ベース基板５６上にパターニングされた２つのマイクロストリップ線路７２ａと７２ｂとの間に形成しており、ここでは、マイクロストリップ線路７２ａと７２ｂとの間に電極７０を配置している。たとえば蒸気堆積法、電気めっき法、フォトリソグラフィ法、ならびにウェットエッチング法およびドライエッチング法などのマイクロ加工技法によってスイッチ４４をベース基板５６上に形成し、その結果、スイッチ４４が、マイクロ電気機械素子、ナノ電気機械素子、またはＭＥＭＳの一部を構成するようにしてもよい。そのような一実施形態では、１または数十のマイクロメートルもしくはナノメートルのオーダーの特徴部を有するスイッチ４４が製造されている。

適切に充電されると、ＭＥＭＳスイッチ６４の電極７０は、片持ち梁ビーム６８を電極７０および接点６６に向かって引っ張る静電気力を発生させる。したがって、電極７０はスイッチ４４に対してゲートとして機能し、可動素子６８が接点６６（図４に示す）から離隔される非接触位置または「開」位置と、可動素子６８が接点６６と接触して、接点６６との電気的連絡を確立し、接触位置または「閉」位置との間で、片持ち可動素子６８を移動させ、これによってマイクロストリップ線路７２ａと７２ｂとの間にある回路を閉じる。

図３にさらに示すように、ベース基板５６上にパターニングされたマイクロストリップ線路７２ａおよび７２ｂ（および図２のマイクロストリップ伝送線路３０）と共に、ベース基板５６の下に接地層７４を含めることにより、埋め込みマイクロストリップ構成にＭＥＭＳスイッチ６４（および全体として図２のＴＴＤモジュール２２）を設けており、その際、マイクロストリップ線路と接地平面層７４とが相互に作用して、誘電体基板５６を通過する電磁波を発生させて、ＲＦ信号を生成する。特定の接地構成を図３に示しているが、たとえばベース基板５６上のマイクロストリップ線路３０と同一平面上に２つの接地線（図示せず）を設けているコプレーナ導波路構成を接地させるなど、別のストリップ線路および埋め込みマイクロストリップ接地構成を有するＴＴＤモジュール２２を製造してもよいことが企図される。さらに別の代替実施形態では、アンカー３０およびベース基板５６の上に配置される反転接地面（図示せず）を有するＴＴＤモジュール２２を構成している。

ＴＴＤモジュール２２の動作において、遅延線５０〜５４のスイッチ４４、４６を開位置に維持する一方、遅延線４８上の入力スイッチ４４および出力スイッチ４６を閉じることにより、たとえば第３の遅延段３６における遅延線４８などの所与の遅延線を駆動している。ＭＥＭＳスイッチ４４、４６の電極７０へと選択的ゲート電圧を印加することにより、その開位置と閉位置との間で移動するように、ＴＴＤモジュール２２のＭＥＭＳスイッチ４４、４６を制御している。ベース基板５６にパターニングされたゲート線路（図示せず）を介してこのゲート電圧を供給しており、ここで、これらのゲート線路によってＭＥＭＳスイッチ４４、４６をゲート電圧ソースまたはゲートドライバ（図示せず）へと結合しており、これらのゲート電圧ソースまたはゲートドライバは電源から電力を受け取り、スイッチが開位置にあるときにＭＥＭＳスイッチ４４、４６の接点６６と片持ち梁ビーム６８との電位差を確立している。

ＴＴＤモジュール２２の動作に関しては、当該モジュールが理想的に動作するのが５０オームの特性インピーダンスであることが認識されており、この特性インピーダンスは典型的には、ＲＦ伝送システムで見られる５０オームのソース抵抗および負荷抵抗と整合がとれるものである。しかしながら、ＴＴＤモジュール２２においてＲＦ ＭＥＭＳ素子４４、４６およびマイクロストリップ伝送線路３０のサイズが小さいために、当該モジュールで５０オームの特性インピーダンスを達成するのが困難となり得ることが認識されている。たとえば、マイクロストリップ伝送線路３０の幅を拡大することにより、ＴＴＤモジュール２２において特性インピーダンスを低下させてもよいが、そのような変更によって当該モジュールのサイズが拡大することになり得る。別の例として、厚さ１２５μｍの基板を形成するなどして、基板５６の厚さを減少させることで特性インピーダンスを低下させてもよいが、基板５６をこのように薄くすることによりこの基板が脆くなり、厚さをそのように減少させることで、場合によっては破損が発生し得るため、製造歩留まりが低下する恐れがある。

したがって、本発明の実施形態は、特性インピーダンスを選択的に上昇させているＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子（ＴＴＤモジュール２２など）を対象とする。例示的な一実施形態によれば、ＴＴＤモジュール２２の特性インピーダンスを１５０オームの高さまで上昇させており、これにより、マイクロストリップ伝送線路３０およびＭＥＭＳスイッチ４４、４６における抵抗損失の影響が最小限に抑えられ、ＲＦ挿入損失が減少し、これによってパッシブビームフォーマアセンブリが得られ、また良好な信号伝送が維持される。従来技術によるＲＦ ＭＥＭＳ伝送システム７６および本発明の一実施形態によるＲＦ ＭＥＭＳ伝送システム７８の概略ブロック図を、図４Ａおよび図４Ｂにそれぞれ示している。そこに示すように、ＲＦ ＭＥＭＳ伝送システム７６、７８はそれぞれ、５０オームの特性インピーダンスを有するＲＦソース８０とＲＦ負荷８２（たとえば、放射アンテナ素子）とを備える。しかしながら、図４Ａの従来技術によるＲＦ ＭＥＭＳ伝送システム７６は、５０オームの特性インピーダンスを有する４段型ＴＴＤモジュール８４を備え（以下でより詳細に説明しているように、その構成に基づいて）、その一方で、図４Ｂの４段型ＴＴＤモジュール８６は、１５０オームまで上昇させた特性インピーダンスを有する（以下でより詳細に説明しているように、その構成に基づいて）。

図４Ｂにさらに示すように、ＲＦソース８０、ＴＴＤモジュール８６、およびＲＦ負荷８２間の特性インピーダンスの差に対応するために、ＴＴＤモジュール８６の入力部および出力部にインピーダンス変換器８８を設けており、ここで、これらのインピーダンス値間の推移に適合するように、インピーダンス変換器８８が特性インピーダンスを上昇／低下させている。そのようなインピーダンス変換器８８の構造は既知であり、ある電圧の電流を別の電圧の同じ波形に変換するように機能させることができ、たとえばバラン変換器を、インピーダンス変換を実行する１つの素子／コンポーネントとして利用できる。別の実施形態では、５０オーム「部分」を生成できるようにするために、ＴＴＤモジュール８６と同じ基板上にインピーダンス変換器８８を形成してもよい。つまり、インピーダンス変換器８８がＴＴＤモジュール８６の一体部分／コンポーネントと見なされ、その際当該ＴＴＤモジュールが５０オームの素子として機能するように、その製造の一部としてＴＴＤモジュール８６のベース基板５６（図２）上にインピーダンス変換器８８を形成してもよい。

本発明の実施形態によれば、ＴＴＤモジュール２２、８６の特性インピーダンスを上昇させるために、マイクロストリップ伝送線路３０の幅または基板５６の厚さのうちの一方またはそれ以上を、ＴＴＤモジュール２２、８６の製造中に互いに対して選択的に制御してもよい。再度図３を参照すると、９０で示すマイクロストリップ伝送線路７２ａ、７２ｂの幅と、９２で示す基板５６の厚さとが示されている。先に示したように、マイクロストリップ伝送線路７２ａ、７２ｂ（および図２では概して線路３０）の幅９０を変化させると、ＴＴＤモジュール２２の特性インピーダンスが変化し、その際、幅９０を狭くすると特性インピーダンスが上昇する。さらに、基板５６の厚さ９２を変化させると、ＴＴＤモジュール２２の特性インピーダンスが変化し、その際、基板５６を厚くすると、特性インピーダンスが上昇する。基板の厚さ５６とマイクロストリップ伝送線路の幅９０とをさまざまに組み合わせて、これらをさらにマイクロストリップ伝送線路７２ａ、７２ｂの長さ９４および厚さ９６、ならびに基板５６およびマイクロストリップ伝送線路７２ａ、７２ｂの材料特性と組み合わせた場合（たとえば、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）基板および銅線）、ＴＴＤモジュール２２において所望の特性インピーダンスを達成することができ、そのような組み合わせの例を以下の表１に示しており、そのような厚さ／幅を従来技術による５０オームのＴＴＤモジュールと、本発明の実施形態によるさまざまな１５０オームのＴＴＤモジュールとに設定している。

表１から分かるように、約１５０オーム（すなわち、１５０＋／−０．０〜１．３オーム）の特性インピーダンスを有するＴＴＤモジュールはそれぞれ、約５０オームの特性インピーダンスを有するＴＴＤモジュールの抵抗損失と比較して抵抗損失（ｄＢ／ｍｍ）が増加しているが、ＴＴＤモジュールにおける全体的な抵抗損失は、ＭＥＭＳスイッチ４４、４６の接触抵抗によって支配されていることが認識されている。さらに、ＴＴＤモジュールにおける抵抗損失の全体的な影響は、ＴＴＤモジュールの特性インピーダンスに対して相対的であることが認識され、ここではＴＴＤモジュールの特性インピーダンスが上昇するにつれて、抵抗損失の影響が低下している。したがって、５０オームの特性インピーダンスを有するＴＴＤモジュールおよび１５０オームの特性インピーダンスを有するＴＴＤモジュールの場合、１５０オームのＴＴＤモジュールの挿入損失は、５０オームのＴＴＤモジュールと比較して大幅に減少する。図４ＡのＴＴＤモジュール８４および図４ＢのＴＴＤモジュール８６を一例として使用し、これらのＴＴＤモジュールがそれぞれ、ＲＦ信号が通過する必要のある最低８つのＭＥＭＳスイッチを含むＲＦ信号線路を有すると仮定すると、挿入損失は次のように定義される。
挿入損失（図４Ａ）＝１０＊ｌｏｇ１０（５０／５８）＝０．６５ｄＢ
挿入損失（図４Ｂ）＝１０＊ｌｏｇ１０（１５０／１５８）＝０．２２５ｄＢ［式１］。
したがって、５０オームの特性インピーダンスではなく、１５０オームの特性インピーダンスを有するようにＴＴＤモジュール８６を構成することにより、挿入損失の約６５％の減少をこのＴＴＤモジュールで達成できることが分かる。高インピーダンスＴＴＤモジュール８６において挿入損失がこのように減少することで、ＴＴＤモジュールによって消費される直流電力がこれに伴って減少する結果となる。

ＴＴＤモジュール８６でインピーダンス変換器８８（ＴＴＤモジュールの入力部／出力部に配置されるか、またはその一部となるように、ＴＴＤモジュールと同じ基板上に形成される）を使用することが、ＲＦ伝送システムの帯域幅を減少させる結果を招くことが認識されているが、この減少がシステムの動作に悪影響を及ぼすことはない。つまり、レーダシステム１０（図１）のアンテナ素子１４がすでにＲＦ伝送システムの帯域幅を制限しているので、本システムにインピーダンス変換器８８を含めても、本システムの帯域幅に別途何ら悪影響が及ぶことはない。

したがって、本発明の実施形態は、有利には特性インピーダンスを選択的に上昇させて、挿入損失を減少させ、本システム内のＲＦ伝送線路の歩留まりを向上させ、かつ／または本システムの平面空間を最小化するＭＥＭＳ伝送素子（ＴＴＤモジュールなど）を提供するものである。マイクロストリップ伝送線路が形成される基板を、たとえば１００〜５００μｍの厚さにするなどして厚くすることにより、この特性インピーダンスの増加を達成することができ、またこのように基板を厚くすることで製造中の安定性が大幅に向上し、これによってウェーハ破損のリスクが低下し、製造ラインの歩留まりが改善されることになる（一例として、２０％の歩留まりから８０％の歩留まりへと上昇）。同様に、マイクロストリップ伝送線路の幅を２０〜２００μｍに狭めるなどして、この特性インピーダンスの増加を達成することもでき、このようにマイクロストリップ伝送線路を狭めることで、ＲＦ伝送システムの平面空間を減少させることもできる。このように基板を厚くしたり、かつ／またはマイクロストリップ伝送線路を狭めたりする際、選択プロセスに従って選択的にこれを最適化することにより、たとえば１５０オームなどの望ましいインピーダンスまで上昇させることができる。インピーダンス変換器を使用して、高インピーダンスＲＦ ＭＥＭＳ伝送システムとＲＦソースおよびＲＦ負荷の低インピーダンスとのインピーダンス整合を実行することができ、その際、本システムのアンテナ素子が本システムの帯域幅をすでに制限していることに基づいて、本システムの帯域幅にこのインピーダンス変換器が悪影響を及ぼしているはずのないことが認識されている。

本発明の一実施形態によれば、ＲＦ伝送システムは、ＲＦ入力を供給するＲＦソースと、このＲＦソースに結合されてこのＲＦソースからＲＦ入力を受信し、ＲＦ負荷へと伝送するための出力信号を生成する１または複数のＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子とを備える。これらの１または複数のＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子はそれぞれ、基板、この基板上に形成され、ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子の信号入力部とＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子の信号出力部との間に信号伝送線路を供給している導電線、およびこの導電線に沿って配置され、信号入力部と信号出力部との間にこれらの信号伝送線路を画定するように、選択的に制御可能である複数のスイッチ素子を含む。ＲＦソースおよびＲＦ負荷はそれぞれ第１の特性インピーダンスを有し、１または複数のＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子は、第１の特性インピーダンスよりも高い第２の特性インピーダンスを有する。

本発明の別の実施形態によれば、ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子を製造する方法は、基板を形成するステップと、複数の線路部分を含む信号線をこの基板の上面に形成するステップと、ＭＥＭＳスイッチ素子を信号線に結合するステップであって、この信号線のそれぞれの線路部分を選択的に結合かつ減結合し、これらの線路部分を介してＲＦ信号を伝送するように、ＭＥＭＳスイッチ素子を閉位置および開位置で動作可能にしている、ステップとを含む。基板および信号線を形成するステップは、基板の厚さおよび信号線の幅を互いに対して選択的に制御するステップを含み、その結果、信号線の長さおよび厚さと、基板および信号線の材料特性とを組み合わせた場合に、ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子の特性インピーダンスが、ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子を接続しているＲＦソースおよびＲＦ負荷が有する５０オームの特性インピーダンスよりも高くなるようにしている。

本発明のさらに別の実施形態によれば、ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子は、ある厚さを有する基板と、この基板の上面に配置された複数のＭＥＭＳ素子と、この基板の上面に形成された導電性信号線とを備え、これらの導電性信号線はそれぞれ、ある長さ、ある幅、およびある厚さを有する。基板の厚さ、ならびに導電性信号線の長さ、幅、および厚さをそれらのうちの他のものと組み合わせると、ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子の特性インピーダンスが約１５０オームとなるように、基板の厚さと導電性信号線の幅とを設定している。

本明細書ではいくつかの例を使用して、最良の形態を含む本発明を開示し、また、任意のデバイスまたはシステムを製造かつ使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含めて、あらゆる当業者が本発明を実施できるようにしている。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の例を含んでもよい。そのような他の例が、特許請求の範囲における字義通りの文言と異ならない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲における字義通りの文言と実質的な差異のない等価の構造要素を含む場合、これらが特許請求の範囲内にあることが意図される。

本発明を限定された数の実施形態のみに関連して詳述してきたが、本発明はそのように開示している実施形態に限定されるものではないことを容易に理解すべきである。むしろ、本発明を修正して、これまでに記載していないが、本発明の精神および範囲に相応するような任意の数の変形形態、代替形態、置換形態または等価の構成を組み込むようにすることができる。さらに、本発明のさまざまな実施形態について記載してきたが、本発明の態様が、記載している実施形態の一部のみを含み得ることを理解すべきである。したがって、本発明が上記の記載によって限定されると見なすべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

Claims (21)

1. 無線周波数（ＲＦ）伝送システムであって、
   ＲＦ入力を供給するＲＦソースと、
   前記ＲＦソースに結合されて前記ＲＦソースから前記ＲＦ入力を受信し、ＲＦ負荷へと伝送するための出力信号を生成する１または複数のＲＦマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）伝送素子とを備え、
   前記１または複数のＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子はそれぞれ、
   基板、
   前記基板上に形成され、前記ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子の信号入力部と前記ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子の信号出力部との間に信号伝送線路を供給している導電線、および
   前記導電線に沿って配置され、前記信号入力部と前記信号出力部との間に前記信号伝送線路を画定するように、選択的に制御可能である複数のスイッチ素子を含み、
   前記ＲＦソースおよび前記ＲＦ負荷はそれぞれ第１の特性インピーダンスを有し、前記１または複数のＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子は、前記第１の特性インピーダンスよりも高い第２の特性インピーダンスを有する、
   無線周波数（ＲＦ）伝送システム。
2. 前記ＲＦソースと前記１または複数のＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子との間に配置され、前記ＲＦソースの第１の特性インピーダンスを上昇させて、前記１または複数のＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子の第２の特性インピーダンスに整合させている第１のインピーダンス変換器と、
   前記１または複数のＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子と前記ＲＦ負荷との間に配置され、前記１または複数のＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子における前記第２の特性インピーダンスを低下させて、前記ＲＦ負荷の第１の特性インピーダンスに整合させている第２のインピーダンス変換器とをさらに備える、
   請求項１に記載のＲＦ伝送システム。
3. 前記第１および第２のインピーダンス変換器を、前記ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子とは別個のコンポーネントとして設けているか、または前記ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子の前記基板上に形成することで、前記ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子の一部となるようにしている、請求項２に記載のＲＦ伝送システム。
4. 前記ＲＦソースおよび前記ＲＦ負荷の前記第１の特性インピーダンスが約５０オームであり、前記１または複数のＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子の前記第２の特性インピーダンスが約１５０オームである、請求項１に記載のＲＦ伝送システム。
5. 前記基板がある厚さを有し、前記導電線がそれぞれ、ある長さ、ある幅、およびある厚さを有し、また前記基板の厚さ、ならびに前記導電線の長さ、幅、および厚さをそれらのうちの他のものと組み合わせると、前記ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子の特性インピーダンスが約１５０オームとなるように、前記基板の厚さおよび前記導電線の幅のうちの少なくとも一方を設定している、請求項４に記載のＲＦ伝送システム。
6. 前記基板の厚さが１００ミクロン〜５００ミクロンである、請求項５に記載のＲＦ伝送システム。
7. 前記導電性信号線の幅が２０ミクロン〜２００ミクロンである、請求項５に記載のＲＦ伝送システム。
8. 前記１または複数のＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子の前記第２の特性インピーダンスでの動作が、前記第１の特性インピーダンスでの動作と比較して、内部の挿入損失を減少させている、請求項１に記載のＲＦ伝送システム。
9. 前記１または複数のＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子がそれぞれ真の時間遅延（ＴＴＤ）モジュールを備え、前記複数のスイッチ素子が、
   前記複数の時間遅延線のそれぞれにおける第１の端部に配置された入力スイッチ素子と、
   前記複数の時間遅延線のそれぞれにおける第２の端部に配置された出力スイッチ素子とを含み、
   前記入力スイッチ素子および前記出力スイッチ素子を、伝導状態と非伝導状態との間で選択的に制御することができ、これによって前記信号入力部と前記信号出力部との間で長さが変化する信号伝送線路を形成している、請求項１に記載のＲＦ伝送システム。
10. 前記基板が、ガラス、アルミナ、セラミック、ＬＴＣＣ、ＨＴＣＣ、石英、ポリイミド、ヒ化ガリウム、シリコン、またはゲルマニウムのうちの１つを含む、請求項１に記載のＲＦ伝送システム。
11. 前記基板に取り付けられた接地面をさらに備え、前記接地面および前記導電線が、前記ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子のためのＲＦ伝送線路を形成している、請求項１に記載のＲＦ伝送システム。
12. 無線周波数（ＲＦ）マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）伝送素子を製造する方法であって、
    基板を形成するステップと、
    複数の線路部分を含む信号線を前記基板の上面に形成するステップと、
    ＭＥＭＳスイッチ素子を前記信号線に結合するステップであって、前記信号線のそれぞれの線路部分を選択的に結合かつ減結合し、前記線路部分を介してＲＦ信号を伝送するように、前記ＭＥＭＳスイッチ素子を閉位置および開位置で動作可能にしている、ステップとを含み、
    前記基板および前記信号線を形成するステップが、前記基板の厚さおよび前記信号線の幅を互いに対して選択的に制御するステップを含み、その結果、前記信号線の長さおよび厚さと、前記基板および前記信号線の材料特性とを組み合わせた場合に、前記ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子の特性インピーダンスが、前記ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子を接続しているＲＦソースおよびＲＦ負荷が有する５０オームの特性インピーダンスよりも高くなるようにしている、方法。
13. 前記基板の厚さおよび前記信号線の幅を選択的に制御して、ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子内に約１５０オームの特性インピーダンスを供給している、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子の信号入力部および信号出力部のそれぞれにインピーダンス変換器を設けることにより、前記５０オームのＲＦソースおよびＲＦ負荷と前記約１５０オームのＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子とのインピーダンス整合をもたらすステップをさらに含み、前記インピーダンス変換器を前記ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子の前記基板上に形成しているか、または別個かつ異なるコンポーネントとして設けている、請求項１３に記載の方法。
15. 前記信号線の複数の線路部分が、前記ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子の前記信号入力部と前記信号出力部との間で代替線路を画定している複数の遅延線を含み、これによって真の時間遅延（ＴＴＤ）モジュールを形成している、請求項１４に記載の方法。
16. 前記基板の厚さおよび前記信号線の幅を選択的に制御するステップが、前記基板の厚さが１００ミクロン〜５００ミクロンとなるように形成するステップと、前記信号線の幅が２０ミクロン〜２００ミクロンとなるように形成するステップとを含む、請求項１２に記載の方法。
17. 無線周波数（ＲＦ）マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）伝送素子であって、
    ある厚さを有する基板と、
    前記基板の上面に配置された複数のＭＥＭＳ素子と、
    前記基板の上面に形成された導電性信号線とを備え、前記導電性信号線はそれぞれ、ある長さ、ある幅、およびある厚さを有し、
    また前記基板の厚さ、ならびに前記導電性信号線の長さ、幅、および厚さをそれらのうちの他のものと組み合わせると、前記ＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子の特性インピーダンスが約１５０オームとなるように、前記基板の厚さおよび前記導電性信号線の幅を設定している、
    無線周波数（ＲＦ）マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）伝送素子。
18. 前記基板の厚さが１５０ミクロン〜５００ミクロンである、請求項１７に記載のＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子。
19. 前記導電性信号線の幅が２０ミクロン〜２００ミクロンである、請求項１７に記載のＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子。
20. 前記基板の底面に配置された接地面をさらに備え、前記接地面および前記複数の導電性信号線がＲＦ伝送線路を形成している、請求項１７に記載のＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子。
21. 前記複数のＭＥＭＳ素子がそれぞれ、各信号線のセグメントを減結合するように構成された開位置と、各前記信号線のセグメントを結合するように構成された閉位置とを有するＭＥＭＳスイッチを備える、請求項１７に記載のＲＦ ＭＥＭＳ伝送素子。