专利名称：平面集成开关装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及平面集成开关装置(switching device)，以及用于传输微波信号的装置。更具体地，本发明涉及平面毫米波或微波集成电路。
背景技术：
共面波导(coplanar waveguide, CPff)和槽线(slotline)是最普遍使用的单平面传输线。单平面传输线的使用使得无需经由孔而容易地将装置串联和分路，以及容易地安装外部组件，并且因此提供了很大的设计灵活性。这些特征使得CPW和槽线在MIC (微波集成电路)和MMIC(毫米波集成电路)设计中非常重要。为了完全利用单面结构的优点， CPW槽线的宽带转变(transition)是必需的。这种CPW槽线的转变例如在W097/17738A1 和 1994 年的 IEEE MTT-S Digest 第 1305 到 1308 页的 C. Ho, L. Fan 和 K. Chang 的文章"Transmission Line Modeling of CPff-SlotlineTransitions and CPff Butterfly Filters”中被描述。开关是微波和毫米波系统中的必需装置之一，并且通常与其它组件串行连接。然而，这需要更多的空间用于系统中的开关，并且通常还需要匹配于网络的另外阻抗，这可使得系统的设计更加复杂。US 7，605，674B2公开了一种射频开关，用于在时分复用系统中在信号发送/接收端处在发送信号和所接收信号之间进行切换。在所述的RF开关中，槽线分为第一槽线和第二槽线，并且端开放电路(open-end circuit)设置在第一和第二槽线的每一末端部分处。 第一传输线从第一槽线和向第一槽线递送信号，并且第二传输线从第二槽线和向第二槽线递送信号。第三传输线从将第一槽线与第二槽线分离的槽线部分和向其递送信号。可变子端开放电路部分包括至少一个端开放电路，该至少一个端开放电路根据外部切换控制信号选择性地切换到第一或第二槽线。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种需要更少的空间以及支持更简单但是更好的电性能设计的平面集成开关装置。本发明的另一个目的是提供相应的装置用于传输微波信号。根据本发明的一个方面，提供了一种平面集成开关装置，其包括-至少两个CPW槽线转变单元，其每一个都包括用于输入和/或输出传输信号的通道(access)，-槽线，其连接所述至少两个CPW槽线转变单元，和-开关元件，其布置在所述至少两个CPW槽线转变单元之间的所述槽线上，用于在开关控制信号的控制下接通和关断传输信号经由所述槽线的传输。根据本发明的另一个方面，提供了一种用于传输微波信号的装置，其包括-一个或多个信号输入端子，-一个或多个信号输出端子，
_前述权利要求的任何一个中所述的平面集成开关装置，其用于提供在所述一个或多个信号输入端子和所述一个或多个信号输出端子之间的可切换连接(switchable connection)，禾口-开关控制单元，其用于生成开关控制信号以便控制所述平面集成开关装置。本发明的优选实施例在从属权利要求中定义。将会理解，用于传输微波信号的所述装置具有与所述平面集成开关装置和从属权利要求中所定义的装置类似和/或相同的优选实施 例。本发明基于在传输路径内的槽线上部署开关元件的思想。这使得可在实现为微波或毫米波集成电路的任何种类的装置(例如滤波器、单极η投开关装置或其它传输装置) 内实现切换功能，而不需要用于开关元件的另外的空间和复杂的匹配网络。具体而言，根据本发明，提出了在布置在CPW槽线转变单元之间并且连接到这些 CPff槽线转变单元的槽线上设置至少一个开关元件，通过该开关元件，可在开关控制信号的控制下来接通和关断从一个CPW槽线转变单元到另一个CPW槽线转变单元的槽线上的传输信号，开关控制信号优选地由外部开关控制单元来提供。优选地，通过由该开关元件对其间设置有狭槽并且其间形成了电磁场以用于信号传输的两个导体板进行短路，来实现对槽线上的传输信号的抑制。用于传输微波信号的装置通常具有一个或多个信号输入端子和一个或多个信号输出端子，在输入端子和输出端子之间，将传输微波信号(在这里也称为传输信号)。该装置例如可以是可用于通信或雷达应用的滤波器或收发器。应当注意，这里提及微波和毫米波，意味着从0. 3GHz到300GHz的频率范围，并且这里可交换地使用这些术语。一般而言，共面波导和槽线的使用原理将是适用的。
根据以下所述实施例，本发明的这些和其它方面将是明显的，并且将参考以下所述实施例在下面更详细地说明本发明的这些和其它方面。在附图中图IA和图IB示出了已知的CPW槽线转变单元的实施例，图2示出了共面波导的横截面，图3示出了槽线的横截面，图4示出了根据本发明的平面集成开关装置的第一实施例，图5示出了根据本发明的开关元件的第一实施例的横截面，图6示出了根据本发明的平面集成开关装置的第二实施例，图7示出了根据本发明的开关元件的第二实施例的横截面，图8示出了根据本发明的平面集成开关装置的第三实施例，图9示出了根据本发明的平面集成开关装置的第四实施例，图10示出了处于不同开关状态的根据本发明的平面集成开关装置的第五实施例，图11示意性地示出了根据本发明的传输装置的第一实施例，图12示意性地示出了根据本发明的传输装置的第二实施例，并且图13示意性地示出了根据本发明的传输装置的第三实施例。
具体实施例方式图IA和图IB示出了 CPW(共面波导)槽线传输装置1的实施例，例如在1994年的 IEEE MTT-S Digest 第 1305 到 1308 页的 C. Ho, L. Fan 和 K. Chang 的"Transmission Line Modeling of CPff-Slotline Transitions andCPff Butterfly FiIters”中所描述的。具体而言，图IA示出了单个CPW槽线转变单元并且图IB示出了形成CPW槽线传输装置1的经由槽线连接的两个CPW槽线转变单元。图IA中所示的CPW槽线转变单元10包括CPW 12， 其中在两个外部导体16、18之间形成中间导体14，两个外部导体16、18通常形成为衬底20 上面的板，如图2所描绘的横截面视图中所示。外部导体16、18与中间导体14隔开，在第一外部导体16和中间导体14之间形成第一狭槽22并且在第二外部导体18和中间导体14 之间形成第二狭槽24。在内部端，CPW 12是开路的，间隙26连接到第一和第二狭槽22、24。 在外部端，它们形成信号的输入和/或输出通道28，以使得信号的输入和/或输出通过所述 CPW槽线传输装置1来传输。为了提供从CPW 12到槽线30 (由两个外部导体16和18之间的狭槽32形成)的转变，布置了结34，在该结34处，CPff 12的第二狭槽24成直角地连接到槽线30的狭槽32。 在结34对面，在外部导体36中形成了类似的结36，在结36处，槽线30的狭槽32延伸超过 CPff 12四分之一的波长并且以短路来终止，因而形成了短路的槽线梢头(stub)。类似地， CPff 12延伸(图1中在垂直方向上)超过槽线30四分之一波长并且以开路终止，因而形成了开放的CPW梢头。以该方式，通过通道28进入CPW 12的电磁波被传输到槽线30内。此外，在图3中示出了槽线30的横截面，示出了也在衬底20上形成的外部导体 (也称为接地板)16、18之间的狭槽32。图IB中所示的CPW槽线传输装置1包括CPW槽线转变单元10、槽线30和另一个 CPff槽线转变单元40，该另一个CPW槽线转变单元40与第一 CPW槽线转变单元10相同并且因此提供另一个信号输入和/或输出通道42。在CPW 12和槽线30的交叉点处设置空中桥接器(air bridge) 38，以便消除寄生槽线模式，如同公知的那样。这样的传输装置及其元件的通常布局和功能以及用于将这样的装置形成为平面毫米波集成电路的方法在本领域中是众所周知的，因此在这里不再更详细说明。通常，提供这些装置以用于在微波和毫米波的范围内(通常从0. 3到300GHz)传输电磁波。导波长(guided wavelength)是电磁波在作为传输结构的电介质中的波长。该波长定义为自由空间波长除以介电常数的平方根。Xgs和λ g。分别表示槽线和CPW上的波长。图4示出了根据本发明的平面集成开关装置100的第一实施例。它包括第一 CPW 槽线转变单元110、第二 CPW槽线转变单元140以及连接第一 CPW槽线转变单元110的CPW 112和第二 CPW槽线转变单元140的CPW 142的槽线130。与上面参考图1和图2所说明的类似，两个外部导体116、118在衬底上形成，它们相互隔开。通过在所述外部衬底116、118 之间设置狭槽132来形成槽线130。所述狭槽132在一端垂直地连接到第一 CPW 112的第一狭槽124内并且在另一端垂直地连接到第二 CPW142的第一狭槽144内。以该方式，提供了从CPW 112、142到槽线130的转变。CPff 112、142中的每一个还分别包括第二狭槽122或146。在所述CPW 112、142的两个狭槽122、124或144、146之间，分别设置了中间导体114或148。然而，不同于图1A、1B 所示的实施例，CPW 112,142的超过槽线130的梢头111、141不是以开放的梢头终止，即没有提供连接狭槽来连接每一个CPW的两个狭槽(如图IA中的标号26所示)，而是优选地以长度是所述CPW的一半导波长的自然数倍的短路梢头终止。以该方式，避免了对CPW的端开放效应，并且这样的短路CPW梢头111、141更适合于毫米波和微波应用。当槽线130在所述CPW 112、142之间的长度接近于(Xgs/4)X(2n-l)(即四分之一导波长的奇数倍)时获得更好的传输性能，其中η = 1、2、...并且λ gs是槽线130的导波长。槽线130还延伸超过CPW 112、142并且以槽线梢头132、150终止，槽线梢头132、 150优选地被用作为短路并且具有所述槽线130的四分之一导波长的奇数倍的长度。作为候选，槽线梢头132、150可具有辐射状(radial)结构或开路结构，并且CPW 112、142也可以以具有四分之一导波长的奇数倍的开放梢头结束。在这里，同样在CPW 112,142上设置空中桥接器138、152，以便消除寄生槽线模式，如同公知的那样。为了提供转换功能，根据本发明提出，在所述两个CPW槽线转变单元110、140之间的槽线130上布置开关元件160，以使得可以在开关控制信号的控制下接通和关断所述槽线130上信号的传输。当槽线130的狭槽132两侧上的两个导体116、118保持在相同的 (电)势时，可抑制通道128和154之间的传输，S卩，可关断传输。因此，本发明的基本思想是通过使两个导体116、118处于相同电势，具体而言是通过设置可断开和闭合的电接触， 来提供开关元件160。为此目的，通常可使用任何种类的开关元件。在一个实施例中，如图5中所示，提供了如图5中所示的典型微机电系统(MEMS) 类型的开关元件160a。所述MEMS类型的开关元件160a包括在锚结构164上形成的悬臂 162，锚结构164与导体之一(这里为导体118)电接触并且在狭槽132上架桥。在外部开关控制信号170的控制下，所述悬臂162可与另一个导体(这里为导体116)接触，使得两个导体116、118接触。例如，如虚线所示，可设置外部开关控制单元170。例如，如果通过该外部开关控制单元170将正电势馈送到波导导体116并且将负电势馈送到波导导体118， 那么膜片(membrane) 162将被牵引到波导导体116并且开关将闭合。如果提供到波导导体 116、118的电势被移除，则例如由于固有力量的原因，膜片162将返回到原始位置(如图5 中所示)，以使得开关再次断开。在图4中所示的平面集成开关装置的实施例中，优选地在两个CPWl 12、142之间的槽线130上的中间区域内或者在上面所定义的位置处设置开关元件160。当闭合开关元件以阻挡传输信号的传输时，在该区域中设置开关元件160提供了最强的隔离。在一个实施例中，两个CPW之间的槽线130的长度被选择为(λ g/4) X (2n_l)(即槽线的长度是槽线的导波长的四分之一的奇数倍)，其中η = 1、2、...并且入8是在槽线 130上被引导的电磁波的导波长。因此，优选地将开关元件160基本上布置在所述槽线的导波长的八分之一的奇数倍处。优选地，开关元件布置在所述槽线130的对传输信号的抑制最大的位置处。图6示出了根据本发明的平面集成开关装置200的另一个实施例。一般地，所述实施例的布局和功能与图4中所示的平面集成开关装置100的布局和功能相同。然而，在该实施例中，两个开关元件160、161布置在CPW槽线转变单元110、140之间的槽线130上。通常，这些开关元件160、161相同并且由相同的开关控制信号同时控制。例如，两个开关元件160、161可如图5中所示的那样被实现。优选地，在槽线130上从槽线130和CPW 112 或142的交叉点处开始，每隔λ gs/4的距离布置开关元件，对于抑制槽线130上信号的传输来说这是最有效的位置。为了进一步增加隔离，甚至可在槽线130上设置更多的开关元件。在图7中示出了开关元件160b的另一个实施例。在该实施例中，通过使用晶体管来实现开关元件160b，该晶体管的源极端子S连接到第一导体116，其漏极端子D连接到另一个导体118，并且其栅极端子G布置在狭槽132内源极端子S和栅极端子G之间的某处。 通过向栅极端子G提供开关控制信号，可使得晶体管开关160b导通，以使得导体116、118 按需电连接并且处于相同的电势来阻挡槽线130上的信号传输。在图8中示出了平面集成开关装置300的另一个实施例。该实施例也包括经由单个槽线130连接的两个CPW槽线转变单元110、140，如上所述在单个槽线130上布置有单个 (或多个)开关元件160。然而，在该实施例中，在CPW 112、142的一侧上提供了另外的短路CPW梢头113、143。与CPW梢头111、141相类似地形成这些CPW梢头113、143，但是这些 CPW梢头113、143成直角地连接到相应的CPW 112、142。因此，CPW梢头113、143的中间导体连接到相应的CPW 112,142的中间导体，并且CPW梢头113、143的两个狭槽连接到相应的CPW 112、142的外部狭槽。如图8中所示，设置另外的空中桥接器，在空中桥接器处CPW 梢头113、143连接到CPW 112、142。通过使用另外的CPW 113、143，可容易地将滤波功能集成在开关装置中。在平面集成开关装置的实施例中，设置了两个通道，并且所述两个通道之间的传输可被接通和关断。然而，本发明的思想也可用于多极应用(multi-pole application)，其中一个或多个输入通道连接到一个或多个输出通道，即上述的基本开关配置可被容易地扩展为单极η投开关结构。图9中示出了具有单极双投(SPDT)开关结构的平面集成开关装置400的实施例。在该实施例中，设置了通过槽线130、190相连的三个CPW槽线转变单元 110、140、180，其中在槽线130,190中的每一个中，设置单个(或多个)开关元件160、161。 在图9中所示的状态下，开关元件160断开，而开关元件161闭合，使得在通道128和154 之间的信号传输是可能的，但是不是去往和来自通道182。图10中示出了各种开关状态下的包括单极4投(SP4T)开关配置的平面集成开关装置500的另一个实施例。该实施例500 (并且还有图9中所示的实施例400)可应用于频带切换多路复用器。实施例500包括五个CPW槽线转变单元110、140、180、210、220，其中 CPW槽线转变单元110、140、180、210都通过单独的槽线130(都包括单个(或者更多)开关元件160)单独地连接到CPW转变单元220。优选地，如图10中所示的各个图形中所示，为了提供两个通道之间的传输，每次仅断开单个开关元件160，而闭合所有其它的开关元件。 在该布置中，槽线130和CPW220的两个交叉点之间的最优距离是λ g。/2。此外，如图10中所示，槽线130不需要是沿着其完整长度的直线，而是还可以是弯曲的。在图11中示意性地示出了传输装置600的第一实施例。在可用于电信设备(例如移动电话或基站)的该实施例中，提供了包括发送器天线611和发送器端子612的发送器路径610以及包括接收器天线621和接收器端子622的接收器路径620。可经由具有连接端子632的连接路径630向和从这些发送器路径610和接收器路径620传输信号，所述连接端子632可经由开关单元640连接到发送器路径610或接收器路径620，所述开关单元640由如上所述并且根据本发明提出的平面集成开关装置来实现。开关单元640处于开关控制650的控制之下，该开关控制650提供开关控制信号以便使得开关640处于正确的位置。在图12中示意性地示出了传输装置660的另一个实施例。所述实施例非常类似于图11中所示的实施例，但是包括耦合到连接端子632的单个共享天线631。所述共享天线631因此在发送器路径610和接收器路径620之间被共享，以用于发送或接收信号。该实施例例如也可用于电信设备。在图13中示意性地示出了传输装置700的另一个实施例。该实施例可用于相控阵列或多天线应用，其中具有连接端子712的单个连接路径710将与多个(这里为四个)天线720 (都具有天线端子722)中所希望的一个连接。这也是通过开关位置受开关单元740 控制并且由如上所述并且根据本发明提出的平面集成开关装置实现的开关730来实现的。另外的应用在这些和其它技术领域(其中选择性地在至少两个端子之间传输信号)中是可能的，例如在电信、雷达技术或天线应用中。因此，如上所述，相比于开关元件作为单独的元件串行连接到传输元件或滤波器的常规结构，通过将一个或多个开关元件布置在传输路径或者滤波器内，可增加切换功能， 而不会消耗另外的空间。因此，在传输路径或滤波器和开关元件之间不需要另外的匹配网络，这在已知的配置中将会导致设计复杂性并且需要空间。基本的开关配置可容易地被扩展为SPnT (单极η投)开关配置，并且同样50欧姆的到槽线的CPW转变线的布置足以构成 SPnT开关，而不必使用任何复杂的匹配网络。已经在附图和前面的描述中详细示出和描述了本发明，但是这些示出和描述应当被认为是说明性或示例性的，而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。通过学习附图、公开和所附权利要求，在实践所述的本发明时，本领域技术人员可理解和实现对所公开实施例的其它变化。 在权利要求中，词“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其它单元可实现权利要求中所述的多项的功能。某些措施被相互不同的从属权利要求中被列举的事实不表示不能使用这些措施的组合来获益。
权利要求中的任何标号不应当被解释为对范围的限制。
权利要求
1.一种平面集成开关装置(100)，包括-至少两个CPW槽线转变单元(110、140)，其每一个都包括用于输入和/或输出传输信号的通道(128、154)，-槽线(130)，其连接所述至少两个CPW槽线转变单元(110、140)，和 -开关元件(160)，其布置在所述至少两个CPW槽线转变单元(110、140)之间的所述槽线(130)上，用于在开关控制信号的控制下接通和关断所述槽线(130)上的传输信号。
2.根据权利要求1所述的平面集成开关装置，其中所述开关元件(160)适合于在所述开关控制信号的控制下将所述槽线(130)的导体板(116、118)短路。
3.根据前述任一权利要求所述的平面集成开关装置，其中所述开关元件(160)由MEMS开关(160a)、二极管或晶体管(160b)形成。
4.根据前述任一权利要求所述的平面集成开关装置，其中所述开关元件(160)布置在所述槽线(130)的对所述传输信号的抑制最大的位置处。
5.根据前述任一权利要求所述的平面集成开关装置，其中所述开关元件(160)布置在距所述至少两个CPW槽线转变单元(110、140)基本相同的距离处。
6.根据前述任一权利要求所述的平面集成开关装置，其中所述槽线(130)的长度是所述槽线的导波长的四分之一的奇数倍。
7.根据前述任一权利要求所述的平面集成开关装置，其中所述开关元件(160)布置在所述槽线(130)上从所述槽线(130)和CPW(112、142) 的交叉点开始的四分之一波长距离处。
8.根据前述任一权利要求所述的平面集成开关装置，包括布置在所述至少两个CPW槽线转变单元(110、140)之间的所述槽线(130)上的至少两个开关元件(160、161)。
9.根据前述任一权利要求所述的平面集成开关装置，包括至少三个CPW槽线转变单元(110、140、180)，其中每一个CPW槽线转变单元通过槽线(130、190)连接到至少一个其它的CPW槽线转变单元。
10.根据权利要求9所述的平面集成开关装置，其中至少一个开关元件(160、161)布置在每一个槽线(130、190)上。
11.根据前述任一权利要求所述的平面集成开关装置，其中每一个CPW槽线转变单元(110、140)包括CPW(112、142)，其中所述槽线(130)成直角地与CPW(112、142)交叉并且延伸超过所述CPW。
12.根据权利要求11所述的平面集成开关装置，其中所述槽线以超过所述CPW(112、142)的槽线梢头(132、150)终止，所述槽线梢头用作为短路并且长度是所述槽线的四分之一导波长的奇数倍。
13.根据权利要求11所述的平面集成开关装置，其中所述槽线以超过所述CPW(112、142)的槽线梢头(132、150)终止，所述槽线梢头用作为开路。
14.根据权利要求11所述的平面集成开关装置，其中所述槽线以超过所述CPW(112、142)的槽线梢头(132、150)终止，所述槽线梢头用作为辐射状梢头。
15.根据权利要求11到14中任何一个所述的平面集成开关装置，其中所述CPW延伸(112、142)超过所述槽线(130)并且以超过所述槽线的CPW梢头 (111、141)终止，所述CPW梢头用作为短路并且长度是所述CPW的一半导波长的自然数倍。
16.根据权利要求11到14中任何一个所述的平面集成开关装置，其中所述CPW延伸(112、142)超过所述槽线(130)并且以超过所述槽线的CPW梢头 (111、141)终止，所述CPW梢头用作为开路并且长度是所述CPW的四分之一导波长的奇数倍。
17.根据权利要求11到14中任何一个所述的平面集成开关装置，其中所述CPW延伸(112、142)超过所述槽线(130)并且以超过所述槽线的CPW梢头 (111、141)终止，所述CPW梢头用作为辐射状梢头。
18.一种用于传输微波信号的装置(600、700)，包括 -一个或多个信号输入端子(632 ；712)，-一个或多个信号输出端子(612、622 ；722)，_如前述权利要求的任何一个中所述的平面集成开关装置(640 ；730)，其用于提供在所述一个或多个信号输入端子和所述一个或多个信号输出端子之间的可切换连接，和-开关控制单元(650 ；740)，其用于生成开关控制信号以便控制所述平面集成开关装置。
19.根据权利要求18所述的装置，其中所述装置包括至少一个天线(611，621 ；631 ；720)，每一个天线连接到所述端子 (612，622 ；722)中的单个端子。
全文摘要
公开了平面集成开关装置。本发明提供了一种需要更少的空间并且可简单地实现的平面集成开关装置，该装置包括至少两个CPW槽线转变单元(110，140)，其每一个都包括用于输入和/或输出传输信号的通道(128，154)；槽线(130)，其连接所述至少两个CPW槽线转变单元(110，140)；和开关元件(160)，其布置在所述至少两个CPW槽线转变单元(110，140)之间的所述槽线(130)上，用于在开关控制信号的控制下接通和关断所述槽线(130)上的传输信号。
文档编号H03K17/76GK102355247SQ20111012784
公开日2012年2月15日 申请日期2011年5月12日 优先权日2010年5月12日
发明者崔俊允, 斯特凡·科赫 申请人:索尼公司