1.摘要
射频微机电系统(RF MEMS)是MEMS技术的一大重要应用领域,也是20世纪90年代至今研究MEMS技术各领域中飞速发展的热点。射频微机械开关体积小,功耗低,且插入损耗、隔离度等微波性能均远优于传统的PIN和MOSFET开关, 因此在雷达、卫星通信、个人无线通信、测试仪器等系统中有很好的应用前景。本论文对应用于X频段的并联电容式RF MEMS开关进行了深入的研究。
本论文从机械性能、微波性能两方面入手,对开关的设计与制作等进行了较详尽的分析和研究,建立了开关的静力学模型,分析得到了开关的结构尺寸以及材料特性等参数对开启电压的影响;基于开关的动力学模型,使用Matlab/Simulink工具分析了开关上电极的瞬态时间响应特性。介绍了高频电磁场仿真设计方法,建立了并联电容式RF MEMS开关的等效电路模型,使用ADS软件得到RLC对插入损耗和隔离度的影响。
本文设计了一种三螺旋结构的RF MEMS开关,即上电极中心及两端各为螺旋结构,从而增加了上电极的等效电感,减小了谐振频率,从而在较低的频段下实现了较好的隔离度。主要研究了开态时的插入损耗以及关态时的隔离度。使用Ansoft HFSS软件对绝缘介质层厚度、上下电极之间的空气层厚度和上电极尺寸进行了仿真与优化。在X频段,开关开态时的插入损耗小于0.47dB;关态时的隔离度优于-26.42dB。中心频率处开关开态的插入损耗为-0.35dB,开关关态时的隔离度为-31.98dB。
2. 设计内容
2.1开关动力学理论模型
在进行模型分析之前,首先做如下假设:
- 主要是研究上电极中部与下电极正对部分的动作情况,忽略其它部分的运动。
- 上下电极间的气体在响应过程中看成绝热气体,并且假设下拉过程和回复过程的时间间隔较大,从而使上电极两端的气体能够达到平衡。同时假设阻尼系数 b 在下拉和回复过程中均保持不变。
2.2 开关的动力学模型的 Matlab/Simulink 仿真Simulink 仿真状态方程的系统结构图
2.3开关响应时间仿真结果和讨论
仿真中应用的开关结构和材料参数相关代码如下:
E=70e+9;
L=[200e-6 250e-6 300e-6 350e-6];
w=87e-6;
h=1.2e-6;
e0=8.854187e-12;
er=7;
Derlta=10e+6;
l2=150e-6;
g0=[1.5e-6 2.0e-6 2.5e-6 3.0e-6];
gj=0.3e-6;
lambt=0.33;
R=0.5;
u=1.845e-5;
A=l2*w;
K=[0 0 0 0];
for i=1:4K(i)=(32*E*h^3*w)/L(i)^3+(8*Derlta*(1-lambt)*h*w)/L(i);
end;
B=[0 0 0 0];
for i=1:4B(i)=(3*u*A^2)/(2*pi*g0(i)^3);
End;
kMatrix=K; %k值矩阵
bMatrix=B; %b值矩阵
t=zeros(4,4,250); %声明33255矩阵,保存不同k、b值时的时间采样点y=zeros(4,4,250); %声明3*3*255矩阵,保存不同k、值时的位移采样点for i=1:4 %循环3次,计算不同k值的输出结果k=kMatrix(i); %设定k值for j=1:4 %循环3次,计算不同b值的输出结果
b=bMatrix(j); %设定b值
G0=g0(j);
sim('myswitch.mdl'); %开始仿真运行“myswitch.mdl”原理图文件length(i,j)=size(tout,1); %计算采样点的长度,因为每次运行后采样点数目不一样
t(i,j,1:length(i,j))=tout; %保存第(i,j)次的时间采样点
y(i,j,1:length(i,j))=yout(:,2); %保存第(i,j)次的位移采样点
,yout(:,2)中的2为位移输出端口号
end; %结束第二层循环
end; %结束第一层循环
figure(1) %画相同k值,不同b值下位移图
for i=1:4 %3个k值,画3个比较图
subplot(2,2,i); %画k=kMatrix(i)时的比较图
hold on; %开画图保持title(['g:displacement(k=',num2str(kMatrix(i)),'N/m)']);
%图标题plot(squeeze(t(i,1,1:length(i,1))),squeeze(y(i,1,1:length(i,1))),'b-.',squeeze(t(i,2,1:length(i,2))),squeeze(y(i,2,1:length(i,2))),'g- ',squeeze(t(i,3,1:length(i,3))),squeeze(y(i,3,1:length(i,3))),'r',squeeze(t(i,4,1:length(i,4))),squeeze(y(i,4,1:length(i,4))),'y- ');
%不同b值的3条曲线,squeeze是将矩阵降维,不用此函数程序无法运行legend(['b=',num2str(bMatrix(1))],['b=',num2str(bMatrix(2))],['b=',num2str(bMatrix(3))],['b=',num2str(bMatrix(4))]); %曲线标注holdoff;
%关保持
end; %结束循环
figure(2) %画相同b值,不同k值下位移图
for j=1:4 %3个b值,画3个比较图
subplot(2,2,j); %画b=bMatrix(j)时的比较图hold on; %开画图保持title(['g:displacement(b=',num2str(bMatrix(j)),')']);
%图标题plot(squeeze(t(1,j,1:length(1,j))),squeeze(y(1,j,1:length(1,j))),squeeze(t(2,j,1:length(2,j))),squeeze(y(2,j,1:length(2,j))),squeeze(t(3,j,1:length(3,j))),squeeze(y(3,j,1:length(3,j))),squeeze(t(4,j,1:length(4,j))),squeeze(y(4,j,1:length(4,j))));
%不同k值的3条曲线,squeeze是将矩阵降维,不用此函数程序无法运行legend(['k=',num2str(kMatrix(1)),'N/m'],['k=',num2str(kMatrix(2)),'N/m'],['k=',num2str(kMatrix(3)),'N/m'],['k=',num2str(kMatrix(4)),'N/m']);
%曲线标注holdoff;%关保持end;
开关的直流偏置电压波形
等效弹性系数 k 对开关响应时间的影响
等效阻尼系数 b 对开关响应时间的影响
综上所述,通过设计较高等效弹性系数的上电极结构、减小阻尼系数,可以获得高速响应的 MEMS 开关。但是,一般情况下高速响应和低开启电压是一对矛盾,设计时应该折衷考虑。在 60V 电压驱动,在常温常压大气环境下,开关具有约 4.5μs 的下拉时间和约 13.5μs 的回复时间。
3. 开关结构的微波性能分析与设计
开态时,输入信号的损耗包括两部分,一部分是共面波导的损耗,另一部分是信号从电容泄漏到地而产生的损耗。因此,降低共面波导的损耗有利于减小开关的插入损耗。图 3.3 所示是使用 Agilent ADS 软件对处于开态时的 RF MEMS 开关的等效电路仿真后得到的插入损耗变化图。图中,根据经典值来选取参考值,图 3.3 中,选取Ls=6pH,Rs=0.2Ω,Cu=0.05pF,0.1pF,0.15pF,可以看出开态的电容大小对开关的插入损耗影响很大,插入损耗随着电容的增大而增大。而且随着频率的增加,插入损耗逐渐增大。
并联电容式开关在开态时的插入损耗
并联电容式开关在关态时的隔离度
当开关处于开态时,电容越大,插入损耗也就越大。开关处于关态时,电感、电容对开关谐振频率影响很大,当电感增大或者电容增大时,开关谐振频率会随之降低,而且使得开关在相对较低的频率下具有好的隔离性能;而电阻主要影响开关谐振频率附近的关态隔离度,电阻越小,输入信号的对地阻抗越小,因此隔离度越好。
4. RF MEMS 开关设计
X 频段并联电容式开关结构示意图
开关采用硅作为衬底材料,相对介电常数为 11.9;下电极采用 Si3N4 作为绝缘介质,相对介电常数为 7;采用 Au 作为传输线材料,电导率为 4.1×107S/m;采用 Al作为金属悬臂梁,电导率为 3.8×107S/m。最后确定的尺寸为绝缘介质层厚度 td=0.3μm,上电极与下电极之间空气层厚度 g=3μm,上电极宽度 w=40μm 和上电极螺旋结构间距 m=15μm,其插入损耗和隔离度如图 4-5(a)(b)所示。在 X 频段范围内,插入损耗为-0.24dB~-0.47dB,隔离度优于-26.42dB。在中心频率的插入损耗为-0.35dB,隔离度为-31.98dB。
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