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高隔离度X波段RF MEMS电容式并联开关

作者:张 理,姚 军,王大甲,饶 青,钟洪声时间:2008-09-02来源:中电网收藏
  1.2机械性能分析 

  当在梁与传输线中心导体之间施加直流偏置电压时,梁上的静电力使其离开初始平衡位置向下运动。当直流偏置电压达到阈值电压时,下降到上下电极初始间距的2/3处进入不稳定状态,并使开关迅速被吸引致闭合,即"pull-in"现象。其中,阈值电压

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/87630.htm

  式中:k为梁的等效弹性系数;ε0为空气的介电常数;W为CPW中心传输线的宽度;ω为开关梁中心极板的宽度;g0为梁与下电极的间距。等效弹性系数k可以表达为 

  式中:E为梁材料的杨氏模量;t为弹性梁的厚度;Lm为梁的长度;σ为梁的残余应力;v为梁材料的泊松比。 

  为减小梁的弹性系数从而使执行电压降低,本文采用了图5所示的两个弯曲的弹簧梁结构。其中,一个弯曲的弹簧梁的等效弹性系数可以表达为


 
  2 结果与讨论 

  本文使用有限元软件IntelliSuite对开关模型进行机械特性分析。CPW和开关梁材料均为Au;Si衬底上热氧化生长形成厚度为400 nm的SiO2用作电气隔离层;牺牲层采用PSG(磷硅玻璃),通过湿法刻蚀释放该牺牲层;衬底刻槽使用KOH溶液湿法刻蚀得到。表1给出了仿真过程中开关的材料特性与结构参数。

 
  图6是开关梁位移随上极板与下极板间电势差的变化曲线。从图6(a)可以看出,平板梁开关结构的执行电压为26 V。由图6(b)可知弹簧梁开关结构的执行电压降低到14 V。
 

  本文使用HFSS软件对开关的微波传输性能进行分析。图7是平板梁开关结构S参数随频率的变化曲线,可以获得衬底刻槽结构的 式并联开关在闭态时,5~30 GHz下S11小于-0.25 dB,隔离度在谐振频率13.5 GHz处为-54.6 dB,,相比于虚线所示的传统结构开关-47.2dB的隔离度,本文设计的衬底刻槽使开关的隔离度性能在谐振频率处提高7 dB。
 


  图8为弹簧梁开关结构的S参数仿真结果,可以看出由弹簧梁结构引入的串联电感使谐振频率降低至11 GHz,在谐振点处的隔离度为-42.8 dB。从图中可以看出,是否具有衬底刻槽结构对弹簧梁开关的S参数曲线影响不大,仅在20 GHz以后的频段获得了轻微的隔离性能改善。衬底刻槽对弹簧梁结构 开关的隔离度性能改善不大的原因,可能是弹簧梁结构引入了较大的串联电感和串联电阻,增加了传输损耗。
 


  图9为π型调谐开关电路的S参数随频率的变化曲线。如图所示,采用弹簧梁开关结构的电路在谐振频率11.5 GHz处获得了-81.6dB的隔离度。相对于弹簧梁结构,采用平板梁开关结构的π型调谐电路在谐振频率14 GHz处的隔离度为-72 dB,并且在较宽的带宽范围内具有更高的隔离性能。
 


  3 结 论 

  本文设计并分析了一种通过衬底刻槽提高式并联开关隔离度的新型结构。使用有限元软件IntelliSuite和HFSS分析了该结构的机械特性和微波性能,平板梁开关结构的执行电压约为26 V,开关关态时在13.5 GHz谐振频率处的隔离度为-54.6 dB,相比没有衬底刻槽的并联开关隔离度提高了7 dB。采用弹簧梁结构的开关的执行电压下降为14 V,隔离度在11 GHz处为-42.8 GHz。为获得更高的隔离性能,本文分析了π型调谐开关电路,采用平板梁和弹簧梁开关结构的电路分别在14 GHz和11.5 GHz处获得了-72 dB和-81.6 dB的隔离度。所设计的开关通过添加衬底刻蚀工艺程序,增大了RF MEMS开关电路的隔离度,有利于提高单片射频微波电路的集成度和隔离度性能


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关键词: MEMS RF 电容 开关

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