（微电子学与固体电子学专业论文）射频收发模块中的硅基mems移相器研究.pdf

论文摘要 论文摘要 射频微波移相器做为调控电磁波相位的器件，是雷达探测、卫星通信、移 动通信系统中的核心组件。与传统的移相器相比，r fm e m s 移相器具有频带宽、 损耗低、微型化、易于集成等特点，在射频电路，尤其是收发模块的应用中具有 广泛前景。 本文在分类介绍了加载线型r fm e m s 相移器、开关线型r fm e m s 相移器 及反射型r f m e m s 相移器的基础上，重点研究了。位”数字式开关线型m e m s 相移器及其重要组件并联接触式m e m s 开关。由于开关线型m e m s 移相器 的工作电压决定于并联接触式m e m s 开关的下拉电压，本文利用双端固定、双 端驱动的力电模型代替以往双端固定、单端驱动的力电模型对并联接触式m e m s 开关的下拉电压模型进行了较为精确的理论修正。与实验结果比对表明：经修正 的模型误差小于1 ，较之传统模型1 0 的误差有很大提高。这是本文的创薪工 作之一。在双驱动模型的基础上，提出优化并联接触式m e m s 开关的下拉电压 可通过减小电极间距、降低初始桥高、减薄桥厚、缩短桥长及加宽电极宽度等方 法。 在多次流片的基础上，通过合理选材和设计优化工艺结构制备了一“位”数 字式开关线型m e m s 移相器。该移相器在i o g h z 的中心频率下，相移量为4 5 2 7 。 ( 相误差为7 9 ) ，这是本论文的另一个创新工作。在5 0 m - - 4 0 g h z 的全频段 范围内，移相器相误差9 1 0 ，插入损耗小于一1 7 d b 。 最后，本文对加载线型m e m s 相移器进行了研究，设计制各的相移器在5 0 m - - 4 0 g h z 的全频段范围内，插入损耗小于- - 3 d b ，相移范围在0 。2 5 0 。之间。 本文设计理论合理，选材、工艺安排及测试方案切实可行。理论分析方法、 分析结论、工艺设计及实验结果、对并联接触式m e m s 开关、数字式开关线型 m e m s 移相器及加载线型m e m s 移相器器件下一步深入研究提出了建设性意 晃。 关键词：并联接触式m e m s 开关、下拉电压、开关线型m e m s 移相器、加载 线型m e m s 移相器 a b s t r a ( x a b s t r a c t 1 1 l er a d i of r e q u e n c ya n dm i c r o w a v e p h a s es h i f t e r , w h i c hc a nc h a n g et h ep h a s eo f t h e e l e c t r o m a g n e t i cw a v e s ，i st h ek e r n e lc o m p o n e n t so fr a d a rd e t e c t i o n ，s a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o n ，a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s c o m p a r e d t of e ta n d d i o d e b a s e dp h a s es h i f t e r s ，t h er a d i of r e q u e n c y m i c r o m e c h a n i c a l ( r fm e m s ) p h a s e s h i f t e rh a s m a n yo u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c e s ，s u c h a s b r o a d b a n d ，l o wl o s s ， m i n i a t u r i z a t i o n t h e r e f o r e 。t h em e m s p h a s es k i t i e rh a sa b r i l l i a n tp e r s p e c t i v ei nr f c i r c u i ta p p l i c a t i o n ，e s p e c i a l l yi nr e c e i v ea n dt r a n s m i tm o d u l e t h i st h e s i sm a i n l yp r e s e n t sao n e - b nd i g i t a ls w i t c h e d 1 i n em e m s p h a s es h i f t e r a n di t sc o m p o n e n t - - - - t h ec o n t a c ts h u n tm e m ss w i t c h a st h eb a s i so ft h er e s e a r c h w o r k ，ab r i e fi n t r o d u c t i o nh a sb e e nf i r s t l yg i v e nt ot h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo ft h e d i s t r i b u t e dm e m s p h a s es h i f t e r , t h e s w i t c h e d 1 i n em e m sp h a s es h i f t e ra n dt h e r e f l e c t i o nt y p em e m s p h a s es h i f t e r s i n c ot h eo p e r a t i n g v o l t a g eo f t h es w i t c h e d l i n em e m s p h a s es h i f t e rd e p e n d so n t h ep u l l i nv o l t a g eo fi t sc o n t a c ts h u n tm e m ss w i t c h i n s t e a do ft h ed o u b l ec l a m p e d a n d s i n g l e a c t u a t e dm o d e l t h ed o u b l e - c l a m p e da n dd o u b l e a c t u a t e dm o d e l i su s e dt o p r e c i s e l yp r e d i c tt h ep u l l i nv o l t a g eo ft h ec o n t a c ts h u n tm e m ss w i t c h ，w h i c hi so n e o ft h ei i m o v a t i v ew o r k so ft h i st h e s i s ，t h e c o m p a r i s o n t ot h em e a s u r e dd a t a d e m o n s t r a t e st h a tt h ed o u b l e - a c t u a t e dm o d e l i m p r o v e st h ev o l t a g ee r r o rl e s st h a l l1 w l l i l et h es i n g l e a c t u a t e dm o d e l p r o v i d e st h ev o l t a g e e r r o ro n l yl e s st h a n1 0 b a s e d o nt h ed o u b l e - a c t u a t e dm o d e l ，t h ep u l l i nv o l t a g eo ft h ec o n t a c ts h u n tm e m ss w i t c h c a nb eo p t i m i z e db ym a n ys t r u c t u r a l i m p r o v e m e n t s ，s u c ha st h er e d u c i n gt h eg a p b e t w e e nt w oe l e c t r o d e s ，d e c r e a s i n gt h ei n i t i a la i r g a p ，t h i n n i n gt h et h i c k n e s so f s u s p e n d e db r i d g e ，l e s s e nt h el e n g t ho ft h eb r i d g ea n dw i d e n i n gt h ew i d t ho ft w o e l e c t r o d e s ao n e b i td i g i t a ls w i t c h e d l i n em e m s p h a s es h i f t e rh a sb e e nf a b r i c a t e d ，w i t ht h e p h a s es h i f t e ro f 4 5 2 7 。a t1 0 ( i 阮w h i c hi st h ea n o t h e ri n n o v a t i v ew o r ko ft h i s t h e s i s t h ep h a s ee r r o ro ft h ep h a s es h i f t e ri sl e s st h a n1 0 a n dt h ei n s e r t i o nl o s si s b e t t e rt h a n 1 7 d bi nt h ef r e q u e n c y r a n g e o f5 0 m - - 4 0 g h z a tt h el a s t a na n a l o gd i s t r i b u t e dm e m s p h a s es k i f t e rh a sb e e nf a b r i c a t e d t h e d i s t r i b u t e dm e m s p h a s es h i f t e rp r o v i d e st h ec o n t i n u o u s l yc h a n g e dp h a s es h i f t e ri n t h er a n g eo f0 。2 5 0 。a n di n s e r t i o nl o s sb e t t e rt h a n 一1 7 d b t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s s u g g e s t ar e a s o n a b l e d e s i g n a na p p r o p r i a t em a t e r j c a l c h o i c ea n daf e a s i b l ep r o c e s sa r r a n g e m e n t t h ec o n c l u s i o ni sc o n s t r u c t i v et od e e p e r r e s e a r c hi nt h em e m sd e v i c ef i e l d s k e yw o r d s ：c o n t a c ts h u n tr fm e m s s w i t c h ，p u l l i nv o l t a g e ，s w i t c h e d 1 i n em e m s p h a s es h i f t e r , d i s t r i b u t e dm e m sp h a s es h i f t e r 硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 赖宗声教授华东师范大学主席 杨平雄教授华东师范大学 李刚副教授华东师范大学 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：盛日期：巡叁2 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 学位论文作者签名：糙导师签名：专多童殇 日期：重旦堕! 苎：五 日期： a ，、6 厶 第一章绪论 第一章绪论 1 1 微机械电子系统( m e m s ) 概述 1 1 1 微机械电子系统( m e m s ) 的概念及基本特征 微机械电子系统( 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 ，m e m s ) 泛指以微传感 器、微执行器以及驱动和控制电路为基本元器件组成的、自动性能高的、可以活 动和控制的、机电合一的微机械装置。2 0 世纪6 0 年代初期，已出现用硅平面 制造技术制得的微梁结构和压力传感器，此后的几十年中，m e m s 技术渐渐成 为国际研究热点，并获得了长足的发展。一般地说，m e m s 具有以下几个非约 束性的特征n ，： ( 1 ) 尺寸在毫米到微米范围之内，区别于一般宏观大于l c m 尺度的“机械”， 但尚未进入物理上的微观层次。 ( 2 ) 基于硅基微制造技术，但又突破了硅基微制造技术的限制，发展了一 系列独立于硅基微制造技术的新工艺，即非硅基微机械制造技术。 ( 3 ) 与微电子芯片类同，可大批量、低成本生产。相较于传统的“机械” 制造技术，性能价格比有大幅度提高。 ( 4 ) m e m s 中的“机械”不限于狭义的机械力学中的机械，它涵盖一切具 有能量转化、传输等功能的效应：包括力、热、声、光、磁乃至化学、生物等。 ( 5 ) m e m s 的目标是实现微“机械”与i c 的集成，从而真正把信息获取、 处理和执行集成为一个“机电一体化”的系统。 11 2 微机械电子系统( m e m s ) 的材料和制造技术 传统的机电系统，多选用金属材料，依赖传统的机械制造工艺制备；而微机 械电子系统以硅及硅化合物作为首选材料。 硅是容易获得的超纯无杂的低成本材料，有极好的机械特性和电学特 性，非常适合制造微结构 硅对力、热、光、磁等许多效应敏感，是传感器的首选材料之一 便于利用集成电路( i c ) 工艺和微机械制造工艺进行批量生产；也便于 硅微结构和微电子线路实现集成化。 微机械制造技术可分为硅基微制造技术和非硅基微制造技术。当前硅基微制 造技术可分为表面微机械制造技术、体微机械制造技术两个主流。 第1 页共6 3 页 第一章绪论 表面微机械制造技术是把m e m s 的“机械”( 运动或传感) 部分制作在淀积 在硅晶体的表面膜( 如多晶硅、氮化硅等) 上，然后使其局部与硅体部分分离， 呈现可运动的机构。分离主要依赖牺牲层技术，即在硅衬底上先淀积一层最后要 被腐蚀( 牺牲) 掉的膜，再在其上淀积制造运动机构的膜，然后用光刻技术制造 出机构图形和腐蚀下层膜的通道；待一切完成后就可进行牺牲层腐蚀而使微机构 自由释放出来p j 。 体微机械制造技术是主要利用腐蚀和键合等工艺，把m e m s 的运动机械系 ( 如振动膜) 制作在体硅。 l i g a 是德文l i t h o g r a p h i c ，g a l v a n o f o r m u n g a n d ，a b f o r m u n g3 个词，即光刻、 电铸及注塑的缩写。l i g a 技术是一种基于x 射线光刻技术的3 维微结构制造工 艺。它利用同步辐射的软x 光作为光源，对厚达m m 量级的光刻胶图形进行曝 光，通过腐蚀制出高深宽比的三维微结构；然后利用微电镀技术制出金属基膜， 再用微塑铸制出塑模。用此塑模即可复制出相应的金属或其它材料的微机构。 以系统集成化为最终目标的微机械制造技术，不但要求不同的微制造工艺彼 此之间具有良好的兼容性，而且要求微制造工艺与超大规模集成电路工艺兼容。 表1 列出以上三种主要的微机械制造技术的性能比较【2 】。 表1 微机械制造技术的性能比较 名称材料与i c 工艺兼容性加工维数加工深度精度 硅表面多晶硅 好准2几至1 0 p mo 1u m 微制造s i 3 n 4 硅体微单晶硅 好 34 5 0 u m1 “m 制造金属 金属 l i g a陶瓷差3l m m一0 1u m 塑料 在未来的微机械制造工艺发展过程中，m e m s 技术将同i c 工艺更紧密的结 合发展。这样既可借用1 c 大规模生产技术来降低m e m s 的开发和生产成本，又 在为实现机电系统的集成化奠定了工艺基础。 第2 页共6 3 页 第一章绪论 1 1 - 3 射频微机械电子系统0 d e m s ) 在无线通信领域中的应用 射频是指频率介于3 0 0 m h z 至3 0 0 g h z 范围内的电磁波，其相应的波长从 l m 至l m m 。这段电磁波谱包括分米波( 频率从3 0 0 m h z 至3 0 0 0 m h z ) 、厘米波 ( 频率从3 g h z 至3 0 g h z ) 、毫米波( 频率从3 0 g h z 至3 0 0 g h z ) 三个波段。由 于射频信号具有频率高、频带宽、信息量大的特点，因而被广泛应用于各种无线 通信业务中，包括射频多路通信、射频中继通信、散射通信、移动通信和卫星通 信。 传统的p i n 管、场效应晶体管( f e n 及变容二极管等元件组合集成的射频系 统存在难以克服的静态功耗高、传输损耗大的问题。相较而言，射频m e m s 器 件及其集成系统则在该方面充分展示了其优越性。以射频m e m s 移相器为例： 基于p i n 管的射频移相器的静态功耗约为3 - 1 0 r o w ，而m e m s 移相器的静态功 耗几乎为零；在8 - 1 2 0 g h z 的频率范围内，m e m s 的移相器与基于f e t 开关的 射频移相器相比，传输损耗均有3 - 4 d b 的提高1 3 j 。 目前广泛研究的射频m e m s 器件，包括微机械开关、微机械移相器、微机 械电感器、微机械滤波器、微机械天线、微机械谐振器以及微机械可调电容器等 射频m e m s 器件。 1 2 射频微机械电子系统( m e m s ) 移相器概述 1 2 1 射频移相器概念 射频移相器即指可在射频微波波段内通过控制信号( 如：电压) 改变电磁波 相位的器件。传统的射频微波移相器多由铁氧体、p i n 管或f e t 开关实现。 由微波传输原理：均匀传输线上两点之间的相位差，等于相移常数卢和两点 之间距离z 的乘积，即与l 成正比而与a 。( 传输线波长) 成反比： 肾 。署z 因此，射频微波移相器依据移相原理不同可分为：波导波长式移相器和波程式 移相器。前者依靠改变相移常数卢实现移相功能，而后者则依靠改变波程f 实现 移相功能。 依据相移量的变化方式不同，射频微波移相器又可分为模拟式移相器和数 字式移相器。改变控制信号可引起相移量连续变化的移相器，称为模拟式移相器。 而改变控制信号可引起相移量阶跃变化的移相器，则称为数字式移相器。数字式 第3 页共6 3 页 第一章绪论 移相器通过将单元数字式移相器级联，实现两个以上阶跃变化的相移量。如将n 个单元数字式移相器级联，即可得到2 n 个阶跃变化的相移量。习惯上将一个单 元移相器作为一“位”。例如：要实现在0 0 - 1 6 7 5 。范围内，步进2 2 5 。的数字式 移相器，需将相移量分别为2 2 5 。、4 5 。、9 0 。的单元数字式移相器级联为一个三 “位”数字式移相器。结构示意图见图l 一2 1 。 图1 - 2 1 三位数字式移相器级联示意图 射频微波移相器的主要技术指标有：工作频带、插入损耗、反射损耗、相 移量、相移精度等。 1 工作频带：移相器的技术指标下降到允许边值的频率范围。 2 插入损耗：移相器网络插入传输线之前和之后传送给特定负载的功率之比。 通常用d b 表示。移相器的插入损耗越小越好。 3 回波损耗；又称为回程损耗或反射波损耗，移相器网络插入传输线前后在输 入端获得的反射功率之比。通常以d b 为单位。移相器的回波损耗越大越好。 4 相移量：又称为插入相移，移相器插入传输线前后的负载电压( 或电流) 相 位之差。 5 相移精度：移相器在中心频率的相移量会与设计值存在一定偏差。在整个频 带内，频率的偏离又会造成相移量的偏离。通常在描述相移精度时会在选取 中心频率的相移量偏差值，并给出由频率偏离引起相移量偏离中，i i , 频率实际 相移量的最大值。如：某移相器的相移精度为6 。3 。 1 2 2 射频 i e m $ 移相器的应用 射频移相器是雷达探测、卫星通信、移动通信设备中的核心组件。而相控阵 雷达是射频， 敖波移相器最为典型的应用。所谓“相控阵”，即相位控制阵列，就 是由许多辐射单元排成阵列形式构成的走向天线，各单元之间的辐射能量和相位 都是可以控制的。典型的相控阵是利用电子计算机按一定规律控制移相器改变天 线孔径上的相位分布，利用电磁波的干涉现象来实现波束在整个空间扫描。这样， 雷达要探测空间某个区域，只要发射波束在这个区域内进行扫描，而无需用机械 方式驱动雷达天线转动或者俯仰，以改变扫描波束的指向。与机械雷达相比，相 控阵雷达具有系统功率效率高、探测和跟踪能力强、电磁辐射灵活可控，可靠性 高及隐身性能好等优点。 第4 页共6 3 页 第一章绪论 图l 一2 2 ( a ) 为标准相控阵天线的简单示意图。图1 2 2 ( b ) 为基于射频， 微波m e m s 移相器实现的相控阵天线简单示意图。由图可见，m e m s 移相器 低功耗的优点，使相控阵天线的射频发射接收端减少了12 级放大器，整体收 发模块数可缩减5 0 - - 7 5 ，对提高电路效率和集成度有十分明显的意义【3 1 。 暖篆严虻囊 卜萨吨袱 郴 警t 萨赇叫_ 呻k b 一匕 l 烀吨亟西 q 刮二二 扭 图1 - 2 2( a ) 标准相控阵天线( b ) 基于m e m s 移相器的相控阵天线 1 2 3 射频m e m s 移相器原理综述 迄今为止，射频做波m e m s 移相器在雷达和通信系统中的各种应用已被广 泛报道和研究。虽然设计各有不相同，但依其工作原理主要可分为加载线性 m e m s 移相器、开关线型m e m s 移相器以及反射型m e m s 移相器三种。本节将 按此分类介绍射频厂微波移相器的国内外研究现状。 1 加载线型m e m s 移相器 加载线型m e m s 移相器，又称为分布式m e m s 移相器，其原理是在c p w 传输线上周期性的加载电容式r fm e m s 开关，通过在中心信号线和桥之间加驱 动电压，改变c p w 传输线的负载电容，从而改变传输线的特征阻抗和传输系数 实现移相。 1 9 9 8 年1 1 月，美国密歇根大学的n s c o t t b a r k e rt 4 l 设计并在5 0 0 m m 厚的石 英衬底上制造了第一个模拟式加载线型m e m s 移相器。其结构和等效电路如图 l - - 2 - - 3 所示。利用表面m e m s 工艺，下拉电压为e 的m e m s 电容式开关被周 期性地加载在c p w 传输线( w = g = 1 0 0 o n ) 。当m e m s 电容式开关的控制电 压在0 k 间连续变化时，在该段c p w 传输线上传输的信号相移量也发生连续 变化。测量结果显示该移相器可在0 6 0 g h z 的宽频带内工作，6 0 g h z 频率点上 的相移为1 1 8 。，插入损耗为2 d b 。加载的m e m s 电容式开关在2 0 - - 6 0 g h z 频率 范围内隔离度均大于4 0 d b ；且下拉电压介于1 0 4 0 v 间。 第5 页共6 3 页 第一章绪论 2 0 0 0 年1 月加州大学圣巴巴拉分校的a n d r e a b o r g i o l i 等人【5 j 采用m e m s 桥和固定m i m 电容串联，降低m e m s 电容式开关的关态电容，实现了第一个1 位数字式加载线型m e m s 移相器。该移相器驱动电压为7 5 v ，在2 5 g h z 时相移 量为1 8 0 。，开态插入损耗为0 9 8 d b ，关态插入损耗为1 1 7 d b ；在3 5 g h z 时相 移2 7 0 。，开态插入损耗为一1 0 7 d b ，关态插入损耗为一1 6 9 d b ，反射损失大于一l l d b 。 图1 2 4 示出了该移相器的结构及单元等效电路。 ( 幻势礴袋m e m s 苇g 籀器的貔钵缔构 佟) 攀谶缩鞫溺( c ) 杈诧缩樾豹簿滋曦蹲溯 图1 - 2 4 数字式加载线型m e m s 移相器 加载线型移相器具有频带宽、插入损耗小、纯时延、工艺简单的优点，但芯 片尺寸较大，目前多在低介电常数衬底上制造，在高介电常数衬底上制造需继续 减小桥电容和间距以满足布拉格频率的要求 6 1 。 2 开关线型m e m s 移糨器 磐嘲缝建遵 a ，曦麟瑗潮 图1 - 2 5 四位开关线型m e m s 移相器 第6 页共6 3 页 第一章绪论 开关线型m e m s 移相器是通过r fm e m s 开关，选择不同的长度的信号路 径实现相移。具体而言，开关线型移相器的每一位均采用如图1 2 5 ( a ) 所 示的结构实现。输入信号经过每一位时均有两条传输路径可选：一条是参考相位 通道。当s 2 、s 4 开关连通时，信号流过该通道可获得参考相移量( 该相移量通 常被定义0 。) ；另一条为延迟相位通道。当s 1 、s 3 开关连通时，信号通过该通 道可获得附加相移量。 2 0 0 1 年，m k i m 等人i7 j 在7 5b i l lg a a s 衬底上制备的4 位r fm e m s 路径选择 型移相器的结构如图卜2 5 ( b ) 所示。该移相器通过控制加载在微带微波传输 线上的1 6 个接触式开关在8 条信号通道之间进行选择，可以分别实现0 。、2 2 5 。、 4 5 。、6 7 5 。、9 0 0 、1 1 2 5 。、1 3 5 。、1 5 7 5 0 、1 8 0 。、2 0 2 5 。、2 2 5 0 、2 4 7 5 。、2 7 0 。、 2 9 2 5 。、3 1 5 。、3 3 7 5 。，共1 6 个阶跃变化的相移量。其中的开关全部采用r o c k w e l l 科技中心研制的金属到金属接触式m e m s 于 ：关【8 1 。试验结果表明，该移相器中所 有接触式开关在1 0 g h z ，插入损耗均介于在2 2 2 6 d b 之间。且在直流至t 3 0 g h z 范围内，每位最差的延迟为3 p s ，最好的延迟为5 8 p s 。 2 0 0 2 年，r a y t h o n 的g u a n l e n g t a n 等人【9 】在单刀四掷m e m s 串联式开关h 的基础上，研制了低损耗2 位的实时延迟m e m s 移相器。该移相器通过利用单 刀四掷开关，控制信号分别通过4 条不同的路径实现0 。、9 0 。、1 8 0 。、2 7 0 。四个 相移量，其电原理图与结构图如图1 2 6 所示。单刀四掷m e m s 串联式开关 的使用大大节约了开关线型m e m s 移相器的占用面积。测试结果显示：该移相 器在8 - 1 2 g h z 频率范围内平均插损为一o 5 5 d b ，反射损耗大于- - 1 7 d b 。设计和 实测的相移量误差小于2 2 。，在1 0 2 5 g h z 频率点上，测得的相移量分别为0 。、 9 0 1o 、】7 7 8 0 、2 7 2 0 。 图1 - 2 6 基于s p 4 t 开关线犁m e m s 移相器 2 0 0 3 年，r a y t h o n 的g u a n l e n gt a n 等人在g a a s 衬底上实现了迄今为止 面积最小的两位x 波段m e m s 移相器。该设计通过将两级相移量均为4 5 。的开 第7 页共6 3 页 第一章绪论 关线型结构级联形成9 0 。相移，结果发现移相器面积大大减少同时损耗也处于允 许范围内。该移相器的结构图见图1 2 7 。所得的移相器占用面积仅为5 m m 2 。 该移相器在9 4 5 g h z 下，插入损耗小于一o 7 d b ，所得的两位相移量分别为0 。、 8 8 7 。、1 8 1 0 。、2 6 9 4 。，相移精度为1 3 。在6 - - 1 4 g h z 范围内，移相器的回 归损耗大于1 4 d b 。 图1 - 2 7 面积最小的2 位x 波段开关线型m e m s 移相器 开关线型m e m s 移相器的插入损耗取决于开关导通时的损耗和传输线损 耗，要满足插入损耗小、体积小，设计上必须保证匹配，因此要对线的长度和阻 抗进行优化。 3 反射塑m e m s 移相器 反射型m e m s 移相器是通过r fm e m s 开关改变微波耦合器反射臂的电抗 来实现相移。因此微波耦合器的设计优化对反射型m e m s 移相器意义重大。目 前在反射型m e m s 移相器中主要使用的耦合器为l a n g e 耦合器及空气覆盖型耦 合器。 n r h c l l n n a l 选用l a n g e 耦合器 【l l 】作为耦合器的反射型 m e m s 移相器的工作原 理图见图l 一2 8 。 l a n g e 耦合器具有四个 端口：1 端口为输入端； 2 端口为耦合端；3 端口 为隔离端；4 端口为直通 图1 2 _ 8 基于l a n g e 耦合器的反射型移相器原理图 第8 页共6 3 页 第一章绪论 端。微波信号从双向耦合器的输入端输入，在耦合和直通端输出。输出波形被与 耦合端和直通端相连的相同阻抗z ，反射。波形被反射至输入端和隔离端。对3 - - d bl a n g e 双向耦合器而言，反射至输入端的微波信号与输入信号刚好抵消， 而隔离端的信号则得到加强。也就是说，输入端输入的微波信号全部出现在隔离 端。 1 9 9 9 年1 2 月，a m a l c z e w s k i 等【1 2 】利用微带l a n g e 耦合器和m e m s 并联电 容耦合开关设计制造了4 位x 波段反射型移相器。移相器的电原理图和结构图 分别见图1 2 9 和图1 2 1 0 。 图1 - 2 - 9 基于l a n g e 耦合器的反射型移相器电原理图 图1 - 2 1 0 基于l a n g e 耦合器的反射型移相器结构图 每个l a n g e 耦合器的反射臂由终端短路的一定长度的微带传输线、三个并联 电容式m e m s 开关及三个电容量为1 0 p f 的电容组成。第一级反射臂的微带传输 线提供信号1 3 5 。的相移。三个并联电容式开关与三个m p f 电容分别串联并均匀 分布在微带传输线上。如果从耦合端输入的信号在经过第一个与并联电容式 m e m s 开关相连的节点处时，m e m s 开关经电压控制下拉。这时电容式m e m s 第9 页共6 3 页 鬣纛 陬l降；陡lh一瓣 ；城；茹；堞_jn 第一章绪论 开关就提供较大的电容，该电容相当于为传输至此的微波信号提高了一个高频短 路。因此，信号在这个节点上会被反射，结果在第一级耦合器的隔离端获得相移 量几乎为0 0 的信号。同理，若输入信号在经过第二个与并联电容式m e m s 开关 相连的节点时，m e m s 开关下拉。则信号由于经过了一段相移量为4 5 。的微带线， 因而反射至第一级隔离端的信号就获得9 0 。的相移量。若信号在经过前后三个与 并联电容式m e m s 开关相连的节点时，m e m s 开关均未被下拉，则输入的信号 会在微带传输线的短路终端被反射。这时，第一级耦合端获得的反射微波信号已 经过2 7 0 。相移。第二级反射臂微波传输线提供信号6 7 5 。相移。因此，两级反射 型移相器可提供步长为2 2 5 。，0 。一3 3 7 5 。相移量的阶跃变化。该移相器在8 g h z 图1 - 2 1 1 基于空气间隙覆盖型耦合器的反射型移相器的电原理图及结构图 啦脚 l ，嚣 螂”酶l 埘豁。i # 豫，剐4 i p w 融m 翩w 瑚h 玳o 礴- # m ( 丑) 图1 - 2 1 2 空气间隙覆盖型耦合器的剖面图及s e m 照片 时平均插入损耗为一1 4 d b ，反射损失好于1 l d b 。 采用l a n g e 耦合器的反射型移相器，其插入损耗会随着频率的升高而迅速增 加。这主要是由于耦合器的损耗在移相器的插入损耗中占主要部分，8 g h z 时 1 4 d b 的插入损耗中仅耦合器的就为。l d b ，随着频率的升高l a n g e 耦合器的损耗 会变得更大。为了提高反射型m e m s 移相器的高频性能，2 0 0 2 年汉城大学的 第1 0 页麸6 3 页 鸯 秘；k 第一章绪论 h o n g - t e u kk i m 等人i l 珂利用低损耗空气间隙覆盖型c p w 耦合器结合串联接触 式m e m s 开关，设计了v 波带2 位c p w 反射型移相器。该移相器的电原理图、 结构和s e m 照片如图1 2 一l l 所示。移相器在6 0 g h z 时平均插入损耗为- - 4 d b ， 反射损失在5 0 - 7 0 g h z 为- - 1 1 7 d b 。空气间隙覆盖型c p w 耦合器，其结构及剖 面图如图1 2 一i 2 所示，可以改善电磁波在空阁的分布比，从而降低损耗。 反射型m e m s 移相器芯片面积较小，但插入损耗较大，其中耦合器的插入 损耗随频率增加而增加，不可忽视，因此优化猖合器鑫。设计对整个移招器意义重 大。 1 3 本论文主要研究内容 本论文研究应用频段为5 0 k h z - - 4 0 g h z 的开关线型m e m s 移相器及加载线 型m e m s 移相器。开关线型m e m s 移相器是在c p w 型微波传输线上加载并联 接触式开关构成；加载线型m e m s 移相器是在c p w 型微波传输线上加载电容 式m e m s 开关构成。 研究重点是：在修正并联接触式m e m s 开关下拉电压模型的基础上，研究 优化开关线型m e m s 移相器的综合性能。研究内容可详述为： ( 1 ) m e m s 移相器的相关理论研究。包括微波传输线传输理论、两端口微波 网络理论、电容式m e m s 开关理论的研究。 ( 2 ) 并联接触式m e m s 开关的下拉电压研究。根据并联接触式m e m s 开关 的具体结构对前人提出的下拉电压模型进行修正，并与实验结果进行对比，以说 明经修正模型的精确度，并在此基础提出优化开关线型m e m s 移相器下拉电压 的方向。 ( 3 ) 基于并联接触式m e m s 开关的开关线型m e m s 移相器低损耗、低下拉 电压设计、制备及测试分析。 ( 4 ) 基于电容式m e m s 开关的加载线型m e m s 移裙器的低损耗、低下拉电 压设计、制备及测试分析。 1 4 本章小结 本章对微机械电子系统的基本概念、特征及制造技术做了简要的介绍，并对 其在射频通信领域的应用前景做了概述。在此基础上，重点论述了m e m s 移相 器的基本概念、分类及研究现状。以此为背景，本章总结了本论文主要研究内容。 第l i 页共6 3 页 第四章开关线型r f m e m s 移相器 2 1 引言 第二章m e m s 移相器的微波理论基础 作为微波传输线与m e m s 开关的组合部件。要设计、优化r fm e m s 移相 器，有必要研究微波传输线、m e m s 开关及加载模型的微波理论。由于不同结 构m e m s 移相器又具有自身的缺点及限制，本章着重分析了开关线型m e m s 移 相器及加载线型m e m s 移相器的微波基础，为后续章节的m e m s 移相器设计给 出理论分析和优化方向。 2 2 微波理论基础 2 2 1 微波传输线理论 传输线是以t e m 导模的方式传送电磁波能量或信号的导行系统，其特点是 其横向尺寸远小于其上工作波长。而以微波工作的传输线，其长度可与工作波长 相比拟或更长，根据电磁场理论可知，传输线的导体上存在有损耗电阻r 、电 感工，、导体问存在电容c ，和漏电导g ，。 在高频时，这些参数会呈现出对能量或信号传输的影响。由于它们是沿线分 布的，其影响分布在传输线的每一点，故称之为分布参数；r 、工。、c 。和g ，分 别称为传输线单位长度的分布电阻、分布电感、分布电容和分布电导。 图2 - 2 1 线元出的等效电路图 对于分布参数沿线均匀分布的均匀传输线，取线元d z 讨论。线元的长度极 第1 2 页共6 3 页 第四章开关线型r f m e m s 移相器 短，可视为一集总参数电路，其上分布有电阻r f 出、电感工。出、电容c ；d z 和电 导g d z ，得到一个r 形网络( 也可以用t 形或形网络等效) 。线元出的等效电 路如图2 2 1 所示。有耗线的等效电路如图2 2 2 所示。 图2 - 2 2 有耗线等效电路图 而对于无耗传输线( 只。= 0 ，g t = o ) ，其等效电路示于图2 - - 2 - - 3 。 图2 - 2 3 无耗线等效电路图 以下介绍几个重要的传输线上，波的传输特性参数【1 4 l ，它们都与分布参数 有关。 ( 1 ) 特性阻抗z 。 z 。= 传输线上行波的电压与电流之比。通常为一复数，与工作频率有关。 对于无耗传输线而言( r ，= 0 ，g t = 0 ) ： ，心 幺2 百 对于微波传输线( r 。( c o l ，g ， c o ( ：t ) ： z 。= 州+ 击) 旭( 矗) ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 。仨lf 2 3 1 1 c ， 、。 可见无耗传输线与微波传输线其特性阻抗与频率无关。 第1 3 页共6 3 页 第四章开关线型r f m e m s 移相器 ( 2 ) 传播常数y r = 4 ( n ，+ ，缸，) ( g ，+ ，c 。) = 口+ ，多( 2 4 ) 描述导行波沿着导行系统传播过程中的衰减和相位变化。其中实部。称为 衰减常数，表示单位长度行波振幅的变化；虚部腓为相移常数，表示单位长度 行波相位的变化。 对于无耗传输线( r ，= 0 ，g 。= 0 ) ： a 一0 卢= 珊l ，c 。( 2 5 ) 对于微波传输线( r 。 c o l 。，g ， 5 0 q ) 上。但最容易实现的是基于共平面波导 传输线的加载线型m e m s 移相器。典型的加载线型m e m s 移相器顶视图如图2 5 1 所示。设图中共平面波导线的信号线宽度为，共平面波导总宽度为 + 2 g 。加载的m e m s 电容式开关宽度为w ，开关长z = 矿+ 2 g ，金属桥厚度 为t ；电容式开关的加载间距为5 。 图2 - 5 1 加载线型m e m s 移相器顶视图 ( 1 ) b r a g g 频率0 9 口 当频率升高，导波波长可与m e m s 桥的周期间距s 相比拟时，m e m s 移相 器的容性周期加载结构存在一个b r a g g 频率【删，即有一个上限截止频率厶，当 导波频率高于k ，信号就会在移相器网络上产生很大衰减。 当ssa ，容性周期加载传输线的相速度、特性阻抗计算公式和普通传输线 的计算公式一样，只是在单位长度上的并联电容加上了周期单元引入的m e m s 桥等效电容。设m e m s 电容式开关引入的电容参数为可调电容c 。则加载线型 移相器无耗线集总电路模型如图2 - - 5 2 所示。其中工，、c 。分别表示无耗线单 第2 1 页共6 3 页 第四章开关线型r f m e m s 移相器 位长度的电导和电容。此时的加载微波传输线可以看成是一段每单元长度并联电 容为c ，+ 鱼的无耗传输线。绝大多数反射波由于不同相位而抵消，使电磁波可 s 以顺利传播。 s l t 图2 - 5 - 2 加载线型m e m s 移相器的电路集总等效模型 由于沿周期性结构传输的电磁波与固体中沿周期性晶格传播的量子力学电 子波相类似，故这些波又称为布洛赫波。在固体能带中，波矢处于布里渊区边界 上的电子波发生反射，在布里渊区边界产生能带跳变，导致禁带出现，此时恰好 满足b r a g g 反射定律。同理，对容性周期加载传输线来说，电磁波可传输的频带 被截止频率周期性地隔开，通带边缘即截止带起始类似于布里渊区的情况。因此 可认为【2 0 】：m e m s 移相器b r a g g 频率的产生机理正是由固体物理理论中的著名 的b r a g g 反射定律而来。b r a g g 反射定律的条件是2 d s i n t x = n 2 ( d 为晶格常数， a 为入射角) ，可推出n z 2 dss i n as 1 ，对于第一级衍射，l = 1 ，可得a 2 d 。 在m e m s 移相器中，s 相当于d ，当截止带出现时，相当于沿一个方向行进的 波受到b r a g g 反射，然后向相反方向传播，附加到入射波上。考虑第一级z 2 ss ， 当s ：似，即周期相差石，反射波是同相位的，因此，所有反射波相叠加而不是 二 相互抵消，其结果是整个容性周期加载结构变成狡在某个点上的无限大电纳，显 然，