毫米波机电带状线开关

摘要

本发明涉及毫米波机电带状线开关。一种机电微型开关包括相对于彼此以间隔开的取向安装的第一和第二电磁体，其中，每个电磁体具有位于安装表面上方第一距离处的场中心。永磁体位于电磁体之间，并且包括位于安装表面上方的比电磁体的磁场中心更高的磁场中心，从而使得永磁体朝向安装表面磁性地偏置。带状线开关元件可安装在永磁体和安装表面之间，并且抵靠安装表面上的电路结构而偏置，由此带状线开关元件在电磁体的影响下在第一和第二激活位置之间移动。

权利要求

1.一种机电微型开关，包括：

第一和第二电磁体，所述第一和第二电磁体相对于彼此以间隔开的取向被安装在安装表面上并在其间限定滑动空间，所述第一和第二电磁体各自具有位于所述安装表面上方第一距离处的电磁场中心；

带状线开关元件，所述带状线开关元件能够安装到大致位于所述第一和第二电磁体之间的表面上，所述带状线开关元件包括具有限定在所述第一和第二电磁体之间的滑动边界的孔口的固定部分以及容纳在所述孔口内以便在第一和第二激活位置之间线性移动的滑动部分，所述滑动部分包括指向所述安装表面的面向表面和背离所述孔口的相对表面；以及耦合到所述滑动部分的相对表面并被安装在所述第一和第二电磁体之间的所述滑动空间中的永磁体，所述永磁体具有位于所述安装表面上方第二距离处的磁场中心，所述第二距离大于所述第一距离，从而使得所述永磁体朝向所述安装表面偏置。

2.如权利要求1所述的机电微型开关，其中，所述孔口穿过耦合到带状线开关元件的固定部分的窗口而形成，以露出所述安装表面，所述滑动部分包括电触头，所述电触头形成在所述滑动部分的下侧上并适于与形成在所述安装表面上的互补触头直接接触。

3.如权利要求1所述的机电微型开关，进一步包括：

形成在所述安装表面上的安装表面电触头；以及

形成在所述带状线开关元件的滑动部分的面向表面上的面向表面电触头，其中，所述面向表面电触头被配置为根据带状线开关元件处于第一激活位置还是第二激活位置而与所述安装表面电触头的不同部分实现电接触。

4.如权利要求3所述的机电微型开关，其中，所述安装表面电触头包括在固定的带状线开关元件之间的第一和第二掷路径，所述面向表面电触头包括：当所述滑动部分处于第一激活位置时沿第一掷路径实现电气连续的第一滑片开关元件；以及当所述滑动部分处于第二激活位置时沿第二掷路径实现电气连续的第二滑片开关元件。

5.如权利要求4所述的机电微型开关，进一步包括各自形成在邻近各自的第一和第二电磁体的面向表面的外围区域上的滑动接地触片，其中，第一和第二滑片开关元件位于接地触片之间。

6.如权利要求3所述的机电微型开关，所述面向表面电触头进一步包括滑动接地触片，其被配置为贯穿带状线开关元件的滑动部分在第一和第二激活位置之间的移动与安装表面接地触头持续地接触。

7.如权利要求6所述的机电微型开关，其中，所述滑动接地触片各自形成在与各自的第一和第二电磁体相邻的面向表面的外围区域上。

8.如权利要求1所述的机电微型开关，其中，所述带状线开关元件的固定部分和滑动部分各自包括互相接触的蓝宝石耐磨表面。

9.如权利要求2所述的机电微型开关，其中，所述电触头由难熔金属制成。

10.一种利用机电微型开关在第一和第二电路路径之间切换的方法，所述方法包括：利用永磁体将滑动波导电路磁性地夹持到固定波导电路，以使得当滑动波导电路相对于固定波导电路处于第一激活位置时带状线波导具有第一电路路径，并且当滑动波导电路处于第二激活位置时，带状线波导具有第二电路路径，其中所述带状线波导还具有带状线开关元件，所述带状线开关元件包括具有限定滑动边界的孔口以及容纳在所述孔口内的滑动部分，所述滑动部分包括指向安装表面的面向表面和背离所述孔口的相对表面，所述永磁体耦合到所述滑动部分的相对表面并且具有位于安装表面上方第二距离的磁场中心；

将两个磁路施加到滑动波导电路上，所述磁路源自于两个磁场，所述磁场各自具有位于所述安装表面上方第一距离处的电磁场中心，所述第一距离小于第二距离；以及改变所述两个磁路的磁阻，以使得所述滑动波导电路在第一和第二激活位置之间移动。

11.如权利要求10所述的方法，进一步包括：将滑动波导电路安装在限定在第一和第二激活位置之间的移动边界的窗口内。

12.如权利要求11所述的方法，其中，限定在第一和第二激活位置之间的移动边界的步骤包括：将滑片窗口框架附接到限定有固定波导电路的基板上，以由此通过滑片窗口框架露出固定波导电路；以及将滑动波导电路容纳在滑片窗口框架内，从而在磁性夹持步骤的影响下使得固定波导电路与滑动波导电路持续物理接触。

13.如权利要求10所述的方法，其中，将滑动波导电路磁性夹持到固定波导电路的步骤包括：将电磁体与滑动波导电路的每侧分隔开，从而使得电磁体的电磁场中心位于安装表面上方第一距离处；

将永磁体耦合到滑动波导电路并且使其位于第一和第二电磁体之间。

14.如权利要求13所述的方法，进一步包括将机电开关封闭在密封罩内的步骤。

15.如权利要求13所述的方法，其中，改变两个磁路的磁阻的步骤包括：切换电磁体的电压极性，以由此减小第一激活位置附近的等效磁阻并增大第二激活位置附近的等效磁阻，从而使得净磁力将永磁体和耦合的滑动波导电路移动到第一激活位置。

16.如权利要求15所述的方法，进一步包括：第二次切换电压极性，以由此减小第二激活位置附近的等效磁阻并增大第一激活位置附近的等效磁阻，从而产生将永磁体和耦合的滑动波导电路移动到第二激活位置的第二净磁力。

17.如权利要求13所述的方法，进一步包括在改变两个磁路的磁阻之后将电磁体去激活的步骤。

18.如权利要求17所述的方法，进一步包括脉冲激励电磁体以第二次改变磁路的磁阻的步骤，从而使得滑动波导电路移动到所述激活位置中的另一激活位置。

19.如权利要求13所述的方法，进一步包括在改变磁路的磁阻的步骤之后保持对电磁体通电的步骤。

20.如权利要求11所述的方法，进一步包括：通过窗口露出固定波导电路。

说明书

毫米波机电带状线开关

技术领域

[0001] 本发明涉及微型开关，更具体地涉及可安装到电路板上的机电带状线（stripline）开关。

背景技术

[0002] 开关已长久被用于电路设计，用以隔离电路的一部分。在其最简单的形式中，开关操作以在“闭合”位置容许信号从输入终端传送到输出终端并在“断开”位置防止信号从输
入终端传送到输出终端。其他这类开关，诸如单刀双掷（SPDT）开关，在触头之间切换，以用
于不同功能。

[0003] 微机电系统（MEMS）是在小型密封包装中的大体在微米至毫米尺寸范围内的机电装置。在微波和毫米波频率范围内，开关用于仪器、通信系统、雷达、光纤和需要高频切换的
许多其他系统。例如，开关可用于脉冲调制、端口隔离、转接切换、高速切换、机械零件的更
换和其他开关应用。

[0004] 微型开关形式的MEMS装置具有可动执行器，有时被称作可动电极，其通过位于可动执行器下方的基板上的栅驱动器（也被称作栅电极或基板电极）的影响而朝向静止的电
触头移动。可动执行器可以是柔性杆，其在所施加的力的作用下弯曲，所施加的力诸如为静
电引力、磁引力和斥力或热致不均匀膨胀，其闭合杆的自由端和静止触头之间的间隙。如果
杆的自由端和静止电触头之间存在足够大的差分电压，则所得静电力可致使杆在没有栅驱
动器提供的任何选通信号的情况下自我驱动。在某些现有开关应用中，这种自我驱动可导
致开关或下游系统发生严重的故障。

[0005] 现在，市场上有很多可商购的高频开关。遗憾的是，这些开关中的大多数或全部在性能上存在折中，因为它们不能同时在所有期望特征内操作，所述特征包括获得大于15dBm
的高开关隔离度、处理24dBm以上的高功率以及从DC至毫米波频率的小于1dB的低插入损
耗。例如，采用场效应晶体管（FET）的高频开关通常不能处理毫米波范围内的高频率和/或
24dBm以上的高功率。在替代性方案中，基于FET的方案可能具有高插入损耗。此外，基于波
导的开关难以集成并且缺少针对DC的所需带宽范围。此外，耦合式双工器通常具有较差的
隔离度并且在穿越频率下具有高插入损耗。

[0006] 在尤其是分析器和范围衰减器领域，需要毫米波微型开关，其可热切换+30dBm、耐用性好（例如额定1千万个循环）并且能够被安装到电路板上。但是，市场上缺少可热切换、
小型、可安装到电路板上的开关。现有的毫米波开关是不易于组装到电路板上的大的连接
式组件。这类现有的毫米波开关将难以与例如动态范围为70dB的可能需要16个SPDT的频谱
分析器衰减器一起使用。

[0007] 因此，仍需要能够克服现有技术的缺点并提供对于当今现代设施有用的功能的毫米波开关。

发明内容

[0008] 根据本发明的教导构造的微型开关包括相对于彼此以间隔开的取向被安装在安装表面上以在其间限定滑动空间的第一和第二电磁体。第一和第二电磁体各自具有位于安
装表面上方第一距离处的电磁场中心。带状线开关元件被安装到大致位于第一和第二电磁
体之间的表面上。带状线开关包括具有限定第一和第二电磁体之间的滑动边界的孔口的固
定部分以及容纳在所述孔口内以便在第一和第二激活位置之间线性移动的滑动部分。所述
滑动部分包括指向安装表面的面向部分和背离孔口的相对表面。永磁体耦合到滑动部分的
相对表面并被安装在位于第一和第二电磁体之间的滑动空间中。所述永磁体具有位于安装
表面上方第二距离处的磁场中心，第二距离大于第一距离，从而使得永磁体朝向安装表面
偏置。

[0009] 在使用时，机电微型开关包括形成在安装表面上的安装表面电触头和形成在带状线开关元件的滑动部分的面向表面上的面向表面电触头。面向表面电触头被配置为根据带
状线开关元件处于第一激活位置还是第二激活位置而与安装表面电触头的不同部分实现
电接触。

[0010] 本发明还包括一种利用微机械开关在第一和第二电路路径之间切换的方法。所述方法包括：将滑动波导电路磁性地夹持到固定波导电路，以使得当滑动波导电路相对于固
定波导电路处于第一激活位置时带状线波导具有第一电路路径，并且当滑动波导电路处于
第二激活位置时，带状线波导具有第二电路路径。两个磁路被施加到滑动波导电路上，由此
改变所述两个磁路的磁阻，以在第一和第二激活位置之间移动滑动波导电路。

[0011] 根据参照附图阐述的本发明的优选实施例的下述详细描述，本发明的以上和其他目的、特征和优点将变得更加显而易见。

附图说明

[0012] 图1是根据本发明的优选实施例构造的微型开关的分解立体图。

[0013] 图2是示出图1的微型开关的带状线开关部分的分解立体图。

[0014] 图3是示为处于第一激活位置的微型开关的带状线开关部分的俯视平面图。

[0015] 图4是图1的微型开关的组装立体图。

[0016] 图5是图4的微型开关的俯视平面图。

[0017] 图6是移除了密封罩的图4的微型开关的侧视图。

具体实施方式

[0018] 图1是根据本发明的实施例构造的微型开关10的分解图。微型开关10包括第一和第二电磁体12、14，第一和第二电磁体12、14相对于彼此以间隔开的取向安装在安装表面
（这里是薄膜基板16）上以限定其间的滑动空间18（例如，见图6）。第一和第二电磁体12、14
各自具有位于安装表面/基板16上方第一距离D1处（见图6）的电磁场中心20a、20b。带状线
开关元件22被安装到大体位于第一和第二电磁体12、14之间的表面上。

[0019] 带状线开关包括在第一和第二电磁体12、14之间的固定部分25以及被放置为与固定部分25接触的滑动部分28。窗口24被附接到开关22的固定部分25，并且包括形成在其中
的滑动边界孔口26。孔口开口26的长度定尺寸成大于带状线开关元件22的滑动部分28的长
度，从而使得滑动部分沿滑动轴线在位于第一和第二电磁体之间的激活位置之间移动。孔
口开口26的宽度定尺寸为大体等于滑动部分的宽度，从而将滑动部分28的移动限制在仅沿
滑动轴线的激活位置之间。当被容纳在窗口24的滑动边界孔口26内时，带状线开关元件的
滑动部分28在第一和第二电磁体12、14之间在激活位置之间左右移动，如下所述。因此，滑
动部分28相对于带状线开关元件22的固定部分25沿滑动轴线在形成在滑动边界孔口26中
的滑动边界内移动。这产生在第一和第二激活位置之间的线性移动30（见图3）。

[0020] 滑动部分28包括指向安装表面16的面向部分32（见图2）和背离孔口26的相对表面34。永磁体36耦合到滑动部分28的相对表面34，并被安装在位于第一和第二电磁体12、14之
间的滑动空间18中。永磁体36具有位于安装表面上方第二距离D2处的磁场中心38，第二距
离D2大于第一距离D（1 见图6），从而使得永磁体36朝向安装表面16偏置40。

[0021] 图2图示图1的放大部分，关注图1的微型开关10的带状线开关元件22。如以上解释的，带状线开关元件22的滑动部分28保持处于孔口26内，并且形成在窗口24内的孔口耦合
到固定开关部分25。沿电磁体12、14之间的滑动轴线，孔口定尺寸成大于滑动部分，从而使
得滑动部分28在孔口26内在保持端42a、42b之间移动。滑动部分28包括形成在滑动部分28
的下侧32上的电触头，其适于与形成在安装表面16上的互补触头直接接触。当这类触头被
构造为接地共面波导（GCPW）时，安装表面16上的示例性触头包括信号迹线（signal 
trace），信号迹线包括输入导体44和交替的输出导体46a、46b，它们各自与一对接地平面分
离，例如，输入导体44与接地平面48和50分离，输出导体46a与接地平面48和52分离，输出导
体46b与接地平面50和52分离。安装表面16上的这些互补触头（包括导体44、46a、46b和接地
平面48、50、52）的至少一部分露出以便通过孔口26接触。

[0022] 图3图示了处于两个激活位置中的第二个的微型开关10的带状线开关元件22的俯视平面图。如以上解释的，带状线开关元件22的滑动部分28保持在穿过窗口24形成的孔口
26内，窗口24自身耦合到开关22的固定部分25，其中，沿电磁体12、14之间的滑动轴线，孔口
的尺寸大于滑动部分的尺寸，从而使得滑动部分28在保持端42a、42b之间东西移动，同时沿
竖直轴线保持相对固定，而不会南北滑动。

[0023] 面向表面32即为在孔口26内面向下并抵靠固定开关部分25的表面，包括面向表面电触头54a、54b，其被配置为取决于带状线开关元件22的滑动部分28处于第一激活位置还
是第二激活位置而与安装表面电触头的不同部分（例如，信号迹线46a或46b，）形成电接触。
信号迹线54a、54b分隔开一距离，该距离不同于固定开关迹线46a、46b之间的间隔，因此无
论滑动部分28怎样被放置在孔口26中，一次都仅启用一个信号路径。

[0024] 开关元件22的滑动部分28的下侧32包括形成至少两个开关路径的电触头，所述至少两个开关路径包括在一定程度上垂直于滑动部分28的移动方向30延伸的第一开关路径
54a和第二开关路径54b。安装表面16的电触头包括在固定的带状线开关元件44和46a或46b
之间的第一和第二掷路径。面向表面32的电触头包括当滑动部分处于第一激活位置时沿第
一掷路径（例如在元件44和46a之间）实现电气连续的第一滑片开关元件54a。面向表面32还
包括当滑动部分处于第二激活位置时沿第二掷路径（例如在元件44和46b之间）实现电气连
续的第二滑片开关元件54b。

[0025] 在图3中，示出了滑动部分28在孔口26中完全移动到左侧并靠着边界42a，从而使得开关处于两个激活位置中的第二激活位置。在第二激活位置，形成在滑动部分的下侧32
上的第二开关路径54b耦合在输入导体44和第二输出导体46b之间。替代性地，当滑动部分
28移动到右侧靠着边界42b时，开关处于第一激活位置，即，形成在滑动部分28的下侧32上
的第一开关路径54a耦合在输入导体44和第一输出导体46a之间所在的位置。在这两个激活
位置中的任一位置处，此时仅激活单个开关路径并且带状线开关元件的滑动部分28在第一
和第二激活位置之间贯穿移动，形成在滑动开关部分28的面向表面32上的接地触片56a、
56b与形成在基板16上的互补接地触片48、50持续接触。这些接地触片56a、56b各自形成在
面向表面32的邻近第一和第二电磁体12、14的外围区域上，其中，第一和第二滑片迹线54a、
54b位于接地触片56a、56b之间。由于所得电路具有轻微地耦合的共面结构，因此接地触片
56a和56b优选非常靠近信号迹线54a、54b而放置。

[0026] 已经发现，始终保持接地触片接触会极大地提高开关路径之间的RF隔离度。持续的接地接触的主要功能是为导电介质提供不变的接地基准。这产生受控的阻抗环境，由此
降低由阻抗失配导致的信号反射。持续的接地接触的次要功能是通过保持滑动结构的平面
性降低信号迹线在滑动期间被卡在其相配合的迹线上的可能性。

[0027] 带状线开关22包括背面接地结构，其包括形成在滑动部分28的相对表面34和基板16的相对表面上的接地平面。形成在滑动部分28的面向表面32和相对表面34之间的过孔
60、62将正面（例如触头侧）接地结构连接到背面接地结构，例如过孔60将正面接地结构56a
连接到形成在相对表面34上的接地结构，并且过孔62将正面接地结构56b连接到在相对表
面34上的背面接地结构。

[0028] 过孔还形成在基板16上的正面（例如触头侧）接地结构和其背面上的接地结构（未示出）之间。过孔64是沿接地平面48分隔开的这类过孔的图案的一部分。过孔66是沿接地平
面50分隔开的这类过孔的类似图案的一部分。最后，结构包括将接地平面52与形成在基板
16的相反侧上的背面接地结构的过孔68。

[0029] 将开关形成为共面波导的优点是可在电路或微带之上安装有源装置。更重要地，可提供极高的频率响应（100GHz或更高），因为与CPW的连接不导致接地平面中的任何寄生
中断（parasitic discontinuity）。

[0030] 优选利用专用材料来形成微型开关10，以使装置耐用。带状线开关元件22的固定部分窗口24和滑动部分28各自优选包括彼此滑动接触的蓝宝石耐磨表面。此外，所有触头
优选由格外耐热和耐磨损的难熔金属制成。这类金属的例子包括铌（Nb）、钼（Mo）、钽（Ta）、钨（W）、铼（Re）、钛（Ti）、钒（V）、铬（Cr）、锆（Zr）、钌（Ru）、铑（Rh）、铪（Hf）、锇（Os）和铱（Ir）以及它们各自的合金。最优选地，所有触头可由难熔金属及其合金的以下子组制成，包括铌
（Nb）、钼（Mo）、钽（Ta）、钨（W）、铼（Re）。最优选地，触头可由铑（Rh）或铂（Pt）制成。这些金属具有类似的耐用性，包括2000℃以上的熔点和在室温下的高硬度。它们在化学性质上不活
泼并且具有相对高的密度，并且它们的高熔点致使粉末冶金被选作利用这些金属制造部件
的方法。

[0031] 图4图示被封装在密封罩70内的组装的微型开关10。密封罩70优选由玻璃或类似材料形成，并且围绕固定开关元件25的外周密封到基板16上。已经发现将开关22密封在密
封罩70内会增加任何移动接触开关的寿命并减少开关在触头区域中的污染。在非密封开关
中具有大的接触区域可帮助增加它们的寿命，但也被发现会显著限制它们可通过多高的频
率。对于诸如在本开关22中的小的接触区域，小颗粒更起作用并且外部污染会更成问题，因
此更优选的是将开关密封在密封罩中。

[0032] 电磁体12经由金属丝72、74耦合到形成在基板16上的驱动电路迹线76a、78a，以激励和驱动电磁体12的极性。电磁体14类似地被配置为经由金属丝（未示出）耦合到驱动电路
迹线76b、78b。在操作时，滑动波导电路28被磁性地夹持到形成在基板16上的固定波导电路
25，以使得当滑动波导电路28相对于固定波导电路处于第一激活位置时带状线波导具有第
一电路路径（例如沿固定迹线44、滑动触头54a和固定迹线46a），并且当滑动波导电路28处
于第二激活位置（见例如图3）时，带状线波导具有第二电路路径（例如沿固定迹线44、滑动
触头54b和固定迹线46b）。分别来自每个电磁体12、14的两个磁路被施加到滑动波导电路28
上，并且两个磁路的磁阻改变以在第一和第二激活位置之间移动滑动波导电路28。

[0033] 如图4-6所示，电磁体12、14与滑动波导电路28的每侧分隔开，从而使得电磁体12、14的电磁场中心20a、20b位于安装表面16上方第一距离D1处。永磁体36耦合到滑动波导电
路28并且位于第一和第二电磁体12、14之间，从而使得永磁体的磁场中心38位于安装表面
16上方第二距离D2处，第二距离D2大于第一距离D1，从而使得永磁体朝向固定波导电路25偏
置。

[0034] 改变两个磁路的磁阻的步骤包括切换电磁体12、14的电压极性，由此减小第一激活位置附近的等效磁阻并增大第二激活位置附近的等效磁阻，从而使得净磁力将永磁体36
和耦合的滑动波导电路28移动到第一激活位置。为了将电路切换至第二激活位置，可切换
驱动电磁体的极性，如经由驱动触头76a、78a和76b、78b，由此减小第二激活位置附近的等
效磁阻并增大第一激活位置附近的等效磁阻，从而使得净磁力将永磁体36和耦合的滑动波
导电路28移动到第二激活位置。尽管电磁体的场不会覆盖永磁体36的永久磁场，但确实会
减小永磁体期望向其移动的那侧上的磁路的磁阻。还会增加相反侧磁路的磁阻，从而使得
较少的磁通量流过该磁路。结果是净磁力将磁体36推拉到其具有最小磁阻的磁路的位置
处。

[0035] 已经发现不必持续激励电磁体12、14。替代地，一旦磁体36已经移动到损失磁阻侧，它就将由于剩余磁场和该侧上的较低存留的磁阻而停留在那。电磁体可以是脉冲激励
的，其利用切换的极性而打开和关闭，以使开关移动到相反（例如第二）激活位置。可利用不
同地切换的极性可以第二次脉冲激励电磁体，以将开关再次移动到第一激活位置。如果由
于严重的振动环境而需要额外的保持强度，则可保持接通至电磁体的电力，这将增加使滑
动电路28保持就位的磁力。

[0036] 所述开关的一个优点是它可以热切换，这意味着可在运行时改变衰减，而不需要系统断电并由此容许持续读取测试数据。具有带状线结构的设备的其他优点是，提供更好
的高频性能以及开关位置之间的RF隔离，同时利用可变磁阻电路以使得带状线开关的元件
在所述位置之间移动。

[0037] 尽管已经描述了特定实施例，但是应该明白，本发明的原理不受限于这些实施例。在不脱离所附权利要求中描述的本发明的原理的情况下，可作出改变和修改。