基于RFMEMS技术的微波接收前端关键部件实现研究

1、基于RF MEMS技术的微波接收前端关键部件实现研究【摘要】：射频前端系统是通讯系统和外部环境的中间桥梁，而这些 前端数据的处理、存储和传输技术的地位越来越重要，高集成密度的 多功能、小型化、低成本的无线电终端将是通信技术的主要发展方向。 目前的通信系统中仍有大量不可或缺的片外分立元件，例如电感、可变电容、滤波器、耦合器、移相器、开关阵列等，成为限制系统尺寸 进一步缩小的瓶颈，并且通讯线路的拥挤和多路信道和互相干扰和下 一代的通讯都在向毫米波和亚毫米波方向发展也对射频前端提出了 新的挑战。针对目前这种情况，本文把微波 RFMEMS的技术运用到 微波毫米波射频前端系统上，着重研究了射频前端的两种

2、关键部件 RFMEMS可重构天线和可重构滤波器。本论文的主要研究内容和取 得创新成果如下：A .在分析国内外射频前端的关键部件 RFMEMS 天线、滤波器的研究现状的基础上，使用微波慢波理论和运用电磁仿 真软件HFSS对微尺度下微机械RFMEMS天线、滤波器的电磁辐射 与耦合理论的数学建模与数值仿真、参数优化等方面进行了深入系统 的理论分析和实验研究，成功地制作了利用RF-MEMS开关和表面微 加工工艺实现的天线频率可重构，而辐射方向图不变的微机械天线及 其MEMS可重构分形低通滤波器。B .本文首次提出将RFMEMS开 关用在硅基缝隙天线上实现一种工作在 K_u波段共平面波导馈电的 天线，其

3、尺寸为10mM 10mm,使用开关来改变天线的辐射缝隙的长 度进而使天线的谐振频率发生改变， 而天线的辐射方向图不变。此种C易发表用yiT 论女第表&家可重构天线采用了微表面加工工艺制作，改变了传统的以PCB作为天线基底制作天线的方法。天线重构前后谐振频率分别为12.7GHz和11.6GHz。C.本文运用分形理论研究实现了频率可重构而辐射方 向图不变的 Sierpinski、Minkowski、Single-ArmSpiral、Double-Ring 四种小型的单馈硅基 MEMS可重构分形天线，其尺寸均为5X5mm2, 其中Minkowski、Double-Ring可重构天线是本文首次

4、提出。经测试， 其中Single-Arm、Double-Ring的重构前后频率相距较远，Single-Arm 天线重构前谐振频点在9.9GHz和30.3GHz,重构后谐振频率在5.2GHz和22.5GHz; Double-Ring天线重构前谐振频率在 16.9GHz和 25.8GHz,重构后谐振频率在7.3GHz和20.2GHz。测试得到Sierpinski、 Minkowski增益较好，其最好增益分别为2.58dBi、2.5dBi。而Double-Ring 最好增益为 0.15dBi，对于 Single-ArmSpiral 则为-3.9dBi。 通过对多个同种实验样品天线的测试，本文研究的这

5、几种天线具有好 的重复性。D.本文提出了低通滤波单元的集总参数模型，对影响滤 波器各个性能的参量进行了定量的分析，运用模型中的各个元件对仿 真的S参数在HFSS里进行拟合，通过调节其中影响较大的参数来优 化低通滤波器的S参数，得到较好的带外衰减和带内纹波特性。这种滤波器采用慢波理论和分形理论进行设计，使得滤波器体积和损耗都 变得较小。通过微表面加工工艺制作了微波MEMS可调低通小型滤波器，得到可切换的两个截止频率分别为19GHz和11GHz,经过优化后的带内平均插损从19-11GHZ为1.3-1.9dB,设计的滤波器的40GHz处的带外衰减为20dB。E.本文提出了一套制作 RFMEMS微波射

6、频前端的关键部件可重构天线、分形滤波器等的技术方法和工艺 路线。本文还设计了几种不同结构的尺寸较大的应用在可调滤波器上 的MEMS开关。其中，较大的电容开关尺寸为 520卩m 150卩,多触 点开关尺寸为380卩mK 150卩。制备过程中，采用厚胶（正胶）和聚酰亚 胺作为牺牲层材料，对牺牲层的前烘、坚膜和刻蚀技术做了重点研究。 本文研究了用于微波射频前端的关键部件 RFMEMS可重构天线、可 重构滤波器等。对于微波射频前端的构建具有积极作用，但如何最终实现基于MEMS技术的微波射频接收前端装置，仍然需要努力。【关 键词】：RFMEMS射频前端硅基MEMS可重构天线分形 MEMS可重 构滤波器【

7、学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2007【分类号】：TN859【目录】：摘要6-8ABSTRACT8-18第一章绪论18-381.1本论文研究 背景18-211.2研究现状和存在问题21-311.2.1国内外对基于RFMEMS 器件射频前端研究现状21-301.2.2现有的射频前端存在问题30-311.3 论文的主要内容和贡献31-331.4论文的章节组织结构33-35参考文献 35-38第二章微波射频前端RFMEMS关键器件设计基础38-632.1微带传输线38-392.2慢波共面波导传输线39-432.3两端口微波网络43-462.4微波滤波网络46-472

8、.5微尺度下微机械天线的电磁辐射和耦 合理论47-522.6分形结构原理52-532.7分形天线的形 式结构 53-562.7.1线天线类53-542.7.2拓扑维度为2的天线542.7.3分形环天 线54-562.8分形自相似滤波原理 56-572.9本章小结57-59参考文献 59-63第三章微波接收前端硅基 MEMS可重构缝隙天线设计63-733.1 硅基可重构天线的MEMS开关设计 63-673.1.1MEMS开关种类64-653.1.2可重构天线的MEMS开关下拉电压设计65-663.1.3可重构 缝隙天线的MEMS开关尺寸和基本参数仿真66-673.2硅基可重构天 线的天线设计67

9、-703.2.1天线的结构设计683.2.2天线各部分的尺寸 设计68-703.2.3介质材料的影响703.2.4馈电方式的确定及阻抗匹配 703.3掩模版的制作版图各层的设计规则 70-723.4本章小结72参考文 献72-73第四章微波接收前端硅基MEMS可重构分形天线设计73- 814.1欧姆接触式开关的设计 73-744.2Sierp in ski分形天线的设计74- 774.3Minkowski,Single-ArmSpiral,Double-Ring 分形天线的设计 77-794.4本章小结79-80参考文献80-81第五章微波接收前端硅基MEMS分形滤波器设计81-985.1滤波

10、器性能指标81-825.2低通原型 滤波的设计原理82-855.3分布参数法设计微波滤波器 85-875.4MEMS 低通滤波器原型设计87-915.4.1分布式MEMS传输线等效电感的建 模及仿真87-895.4.2引入MEMS分布电容实现低通滤波单元89-915.5 引入MEMS分布电容实现低通滤波单元91-925.6引入多触点开关调 节电感值92-935.7集总模型的提取及可行性分析 93-945.8RFMEMS低通滤波单元的优化设计94-965.9滤波器的重构技术96-975.10本章 小结97参考文献97-98第六章微波射频前端的关键部件工艺制备 98-1066.1微波射频前端的关键

11、部件的通用工艺流程98-1026.2MEMS天线的制作1026.3滤波器的制备工艺102-103631滤波器的淀积氮化 硅制备工艺 1026.3.2多触点开关的制作102-1036.4去除牺牲层103-1046.5本章小结104-105参考文献:105-106第七章微波射频前端 的关键部件测试106-1207.1MEMS可重构天线的开关性能的测试结 果106-1077.1.1模拟得到的开关的S_(11)参数1067.1.2测试得到的开 关的S_(11)参数106-1077.2MEMS天线的测试结果107-1097.2.1测试 天线的S_(11)107-1087.2.2测试的天线辐射方向图108-1097.3分形天 线用悬臂梁MEMS开关的测试结果109-1107.4Sierpinski天线的测试 结果 110-1117.5Minkowski 天线测试结果 111-1147.6Single-ArmSpiral 天线测试结果1147.7Double-Ring天线测试结果114-117