（通信与信息系统专业论文）新型rf+mems开关电路设计、建模及应用.pdf

硕十论文 新型r fm e m s 开关电路设计、建模及应用 摘要 近年来，由于加工工艺的进步，射频微电子机械系统( r fm e m s ) 技术飞速发展， 进一步促进了微波射频电路朝着小型化、集成化等方向发展。开关作为微波集成电路 的一种重要元件，其高隔离度、低插入损耗和小型化成为开关的发展趋势。随着r f m e m s 开关的可靠性的提高，其市场会越来越广阔。 本论文设计了一种串联欧姆m e m s 开关，采用的是固支梁结构，仿真结果表明， 这种开关在0 5 0 g h z 带宽内的插入损耗小于l d b ，隔离度大于2 0 d b 。通过a n s y s 的力电耦合模拟分析，其驱动电压为2 7 3 v 。为了降低驱动电压，可以增加开关支撑 梁的长度，同时采用双驱动电压板的设计，驱动电压降低到1 1 8 v 。论文设计了一种 超宽带并联欧姆m e m s 开关，其插入损耗在0 1 0 0 g h z 内小于0 7 d b ，隔离度大于 1 5 d b 。论文给出了以上两种开关的等效电路，给出了等效电路中各分立元件的计算方 法，等效电路计算结果与结构仿真结果吻合良好。 r fm e m s 开关可以单独使用，也可以组合成开关阵列使用。论文研究了开关组 成阵列时的传输性能，并设计了单刀双掷开关、双刀双掷和单刀四掷开关阵列。论文 还设计了工作频率达2 0 g h z 的4 单元移相器，4 个单元分别实现2 2 5 0 、4 5 0 、9 0 0 和 1 8 0 0 移相。 关键词：射频微电子机械系统( r fm e m s ) 、等效电路、驱动电压、开关阵列、移相 器 a b s t r a c t w i t ht h eh e l po ft h ea d v a n c e df a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h er a p i dd e v e l o p m e n to fr f m e m st e c h n o l o g yh a se x c i t e dt h ed e v e l o p i n gt e n d e n c yo fm i n i a t u r i z a t i o na n di n t e g r a t i o n f o rt 1 1 er f m i c r o w a v ec i r c u i t s s w i t c hi so ft h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t si nr fc i r c u i t s i t s h i g hi s o l a t i o n ，l o wi n s e r t i o nl o s sa n dm i n i a t u r i z a t i o na r et h ek e yp o i n t sf o ri t sf u r t h e r d e v e l o p m e n ti nt h en e a rf u t u r e t h em a r k e tw i l ld e f i n i t e l yg r o ww i t ht h ei m p r o v e m e n to f s w i t c hl i f e t i m e o n ek i n do fs e r i e so h m i cm e m ss w i t c hh a sb e e nd e s i g n e da n di n v e s t i g a t e di nt h i s w o r k t h es i m u l a t i o nr e s u l t sh a v ei n d i c a t e dt h a tt h ei n s e r t i o nl o s si sl e s st h a nld b ；t h e i s o l a t i o ni sm o r et h a n2 0 d bf r o m0t o5 0 g h z t h ea c t u a t e d v o l t a g ei s2 7 3 vt h r o u g h e l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n ga n a l y s i si na n s y s i no r d e rt og e tl o w e ra c t u a t e dv o l t a g e ，t h e l e n g t ho ft h eb e a mi si n c r e a s e da n dt w oe l e c t r o d e sa r ep u tu n d e rt h eb e a m t h ea c t u a t e d v o l t a g ei st h u sd e c r e a s e dt o11 8 v i na d d i t i o n a nu l t r a - w i d e b a n ds h u n to h m i cs w i t c hi s d e s i g n e da n di n v e s t i g a t e d ；i t si n s e r t i o nl o s si sl e s st h a n0 7 d bw h i l ei s o l a t i o ni sm o r et h a n 15 d b f u r t h e r m o r e ，t h ee q u i v a l e n tc i r c u i t so ft h et w ok i n d so fs w i t c h e sa r e d e v e l o p e d a n d t h ef o r m u l a so fd i s c r e t ec o m p o n e n t sa r eg i v e n g o o da g r e e m e n tc a nb eo b s e r v e db e t w e e n t h er e s u l t so fe q u i v a l e n tc i r c u i ta n ds t r u c t u r es i m u l a t i o nr e s u l t s r fm e m ss w i t c hc a nb eu s e da sa ni n d e p e n d e n tc o m p o n e n t ，a n dc a na l s ob eu s e dt o f o r mas w i t c ha r r a y t h es p d t , d p d ta n ds p 4 ts w i t c ha r r a y sh a v e b e e nd e s i g n e d ，a sw e l l a sa4 - b i tp h a s es h i f t e ri n2 0 g h z ，w h i c hc a np r o v i d e2 2 5 ，4 5 ，9 0a n d18 0d e g r e e s r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：r fm e m s ，e q u i v a l e n tc i r c u i t ，a c t u a t e dv o l t a g e ，s w i t c ha r m y , p h a s es h i f t e r 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：如i 年6 月2 l ，日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：盈些塑洲口年6 月2 易日 硕+ 论文新型r fm e m s 开关电路设计、建模及应用 1 。绪论 1 1 本课题的研究背景及应用前景 微电子机械系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，即m e m s ) 是指在微米量级设 计和制造，集微型机械、微传感器、微执行器、信息单元和通讯接口单元组成的系统 加工，并且可以低成本批量生产。从m e m s 的定义可以看出，它具有以下几个特点： 体积小、重量轻、高集成度、成本低、可批量生产。微机械系统的最小尺寸已经可以 达到微米和纳米的量级，相对于传统的毫米量级元件，大大减小了器件的体积，而且 传输过程中的损耗更小，性能更加优异。目前国际上通常将m e m s 冠以i n e r t i a l ， o p t i c a l ，c h e m i c a l ，b i o ，r f ，p o w e r - 等前缀以表示其不同的应用领域。 射频微机电系统( r a d i of r e q u e n c ym i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，即r fm e m s ) 是m e m s 技术的重要应用领域之一，从二十世纪九十年代以来逐渐成为m e m s 和微 波领域的研究热点。在军事和通信领域，需要一些低功耗、小型化且能与射频电路集 成的器件，而射频电路中的分立元件，如电感、电容、滤波器、移相器、开关都可以 用m e m s 器件替换传统器件以实现小型化，这样就消除了制约器件尺寸的瓶颈。大部 分的m e m s 器件，如开关、变容器和电感等都是用表面加工技术制造，因此它们也可 以制备到玻璃、石英和抛光的陶瓷基板上，与有源电路集成，。能显著地改善射频系统 的性能，使制作集信息的采集、处理、传输、处理和执行于一体的系统集成芯片( s o c ) 成为可能。按微电子技术的理念，不仅可以进行圆片级生产、产品批量化，而且具有 价格便宜、体积小、重量轻、可靠性高等优点。 r fm e m s 开关是r fm e m s 技术非常重要的一个应用领域。它是构成m e m s 可 变电容、滤波器、谐振器、移相器的基础。相对于传统的半导体开关，由于没有半导 体结，从而减少了欧姆接触电阻和扩散电阻，以此降低器件插入损耗，同时又不存在 指数的电流电压关系，因此它是一种极好的线性器件，这样就可以大大减少谐波分量 和互调分量，提高了射频处理能力。 r fm e m s 开关由两个不同的部分组成：机械部分和电( 磁) 学部分。与开关的设计 有关，它可以横向或纵向运动。到目前为止，静电型开关和静磁型开关可用圆片级制 造技术加工，在0 1 1 0 0 g h z 范围有较高的可靠性( 达1 x 1 0 8 - - 6 1 0 1 0 次) j 。r fm e m s 开关的显著优点在于降低插入损耗，提高隔离度和改善线性性能。表1 1 1 为r fm e m s 开关与f e t 、p i n 二极管开关的比较。 1 绪论 硕士论文 表1 1 1 r fm e m s 开关与f e t 、p i n 二极管的比较f 1 1 参数r f m e m sp 烈f e t 电压【v 】 2 0 8 0士3 53 5 电流 m a 】 o 3 2 0 0 功耗 m w 】 o 0 5 旬15 1 0 0o 0 5 o 1 开关时间 1 3 0 0 陋 1 1 0 0 n s1 - 1 0 0 n s c 。p ( 串联) f f 】 1 64 0 8 07 0 14 0 n s r “串联) 0 5 22 4 4 一石 电容比4 0 5 0 01 0n a 截止频率 t h z 2 0 8 0l 40 5 2 隔离度( i - 1 0 g h z ) 非常高高 由 隔离度( 1 0 - 4 0 g h z ) 非常高中低 隔离度( 6 0 - 10 0 g h z ) 高中 无 损耗( i 1 0 0 g h z ) 0 0 5 0 20 3 1 20 4 2 5 功率处理能力【m 1 1 0 仅。( 2 3 6 ) 在理想刚体条件下，两平面接触，实际的接触点最多只有三个；两圆柱面轴向平 行接触，实际接触点最多只有两个；两圆柱面交叉接触，实际接触点只有一个。根据 显微照片的显示，r fm e m s 欧姆开关接触面上实际发生接触的触点数目很少( 少于1 0 个) ，触点的曲率半径为5 0 n m - 2 0 0 n m 。当两种材料接触只有一个接触点时，而且接触 面半径小于这种材料的电子平均自由程乞时，接触电阻为： 灭：磐 ( 2 3 7 ) 3 兀，2 、 如果接触面半径大于这种材料的电子平均自由程，则接触电阻为： 胄= 导 ( 2 3 8 ) 上， 随着接触力的逐渐增大，接触点会多于一个，就需要用m a x w e l l 的扩展电阻模型来求 出有效接触电阻，多个接触点彼此孤立，相当于多个平行电阻的并联( 触点半径远小于 触点之间的距离时可以认为是彼此孤立) ，此时的接触电阻为其下限值： 如： ( 2 3 9 ) 2 当触点较大、而且彼此之间的间隙较小时，则可近似于融合成一个大触点，此时 接触电阻值为其上限值： 咒6 ：去 ( 2 3 1 0 ) l l 唾 从式( 2 3 8 ) 可以看出，分散触点，增大接触半径能够有效地减小接触电阻，分散 触点可以人为地制作一些凸点，而增大接触半径则可以通过增大接触力来实现。 2 4 本章小结 本章主要介绍了微带线、共面波导的特性，分析了共面波导的导体损耗和介质损耗， 2r f m e m s 的理论基础 硕t 论文 并与软件仿真结果进行比较，两者吻合很好。然后给出了l um e m s 开关的一些主要性 能参数。分析了接触电阻产生的原因，并提出了减小接触电阻的方法。 硕士论文新型r fm e m s 开关电路设计、建模及应用 3r fm e m s 开关的设计及建模 3 1 共面波导的设计 r fm e m s 开关对微波电路系统中的信号起导通或截断作用，所以r fm e m s 必 然处于传输线上信号转换的节点上。目前m m i c 电路中常用的传输线有微带线和共面 波导，本章设计的开关加载在共面波导上。 3 1 1 共面波导的材料 传输线和r fm e m s 开关的电极是制作在衬底上的，实际中的衬底材料都不是理 想的零电导率。介质基片上导电率越大，其损耗越大。我们通常把介质的介电阻尼1 和导电损耗。看作是总的有效电导率，用损耗角正切t a n 5 ：型半来表征介质基片 的损耗特性2 0 1 ，通常认为o = 0 ，则t a n 5 = 0 ，损耗角正切取决于材料的纯度。共面 波导传输准t e m 模的慢波，信号的相速与衬底的介电常数密切相关。介电常数越大， 信号的相速越小。 表3 1 1r fm e m s 开关常用材料的参数 性能 弹性模量击穿场强 材料 ( g p a ) ( v c m 一1 ) 相对介电常数 s i o ，7 21 0 73 9 4 s i 3 n 4 1 3 01 0 77 陶瓷类 t a 2 0 5 5 3 01 0 5 2 5 a 1 2 0 3 5 3 01 0 71 0 弹性模量 屈服强度电阻率 ( g p a ) ( g p a )( t a m ) a u8 0o 3 22 4 4 金属 a 17 00 1 72 8 2 c r 1 8 0 o 3 61 2 9 p t9 50 4 21 0 6 半导体s i 1 9 0 7 01 3 5 3r f m e m s 开关的设计丑建模 硬论文 国外的很多m e m s 开关都是制作在以砷化镓为衬底的共面波导上，主要是为了和 单片微波集成电路( m m i c ) i 艺的兼容。砷化镓有非常高的介电常数，能够尽量地减小 电路的尺寸，但成本也高。我们选用技术较为成熟的硅作为m e m s 开关的村底材料， 硅的介电常数为1 19 ，损耗角正切为00 0 4 ，能够满足m e m s 开关的要求。 本论文设计的开关膜梁材料采用金材料，金有较低的弹性模量和屈服强度，又有 较成熟的加工工艺来保证成品率。从电路性能来看，金又有很高的导电率。 所以选择金作为膜粱材料。制作共面波导导体板时需要注意导体厚度的选择频率较 高时，电流集中在导体的外表面，这样就减小了电流传导的有效横截面积，导体的电 阻增加，