射頻微機電并聯電容式開關的參數性能分析

甄可龍 ,呂善偉 ,張 巖 ,黃廣君

(1.北京航空航天大學電子信息工程學院,北京 100191;2.河南科技大學 電子信息工程學院,河南洛陽 471003)

0 前言

基于微細加工技術的RFMEMS開關和傳統的半導體開關器件相比,具有低功耗、高隔離度、低插入損耗、高線性度、工作頻帶寬、制備成本低等優點[1],并且在制作工藝上較容易實現集成化和小型化[2],在微波及毫米波領域具有廣闊的應用前景。

從國內外RFMEMS開關研究現狀來看,對串聯接觸式RFMEMS開關研究較多[3],而對應用頻率較高(大于20 GHz)的并聯電容式RFMEMS開關研究較少,且研究焦點集中于開關應力、驅動電壓、開關速度、可靠性以及封裝技術等方面,較少有從理論上分析等效電路參數及結構參數的變化對 MEMS開關傳輸性能影響的研究。在文獻[4]中,對串聯MEMS開關的等效電路模型參數做了初步研究;在文獻[5-6]中,用HFSS分析了串聯接觸式懸臂梁開關的結構參數對電磁性能影響,但此種開關結構在毫米波段插入損耗較大。

在RFMEMS開關器件設計過程中,等效電路參數和結構參數的變化對其微波特性有著顯著影響,尤其在電尺寸進一步縮短的毫米波應用領域。本文利用ADS和HFSS等工具軟件,對RFMEMS并聯電容式開關進行微波特性仿真[7-8],分析了MEMS開關等效電路參數和結構參數的變化對 MEMS開關電磁性能的影響,該研究能夠對毫米波段的并聯電容式RFMEMS開關結構設計,以及參數的優化提供方法和參考。

1 RFMEMS電容式開關的結構模型及等效電路

并聯電容式MEMS開關由共面波導CPW中央傳輸線、可移動金屬膜橋和絕緣介質薄膜構成,如圖1所示。在金屬膜橋和CPW傳輸線之間加上驅動電壓,金屬膜橋在靜電引力作用下,可以上下移動。介質膜很薄,位于共面波導傳輸線上面,可以避免CPW中央傳輸線和金屬膜橋直接接觸,同時能減小上下結構在接觸中的粘著力。

圖1 并聯電容式RFMEMS開關結構示意圖

并聯電容式MEMS開關的等效電路如圖2所示,在傳輸線和地線之間并聯了電容C、電感L和電阻R,其中,并聯電容可以當作由金屬膜橋和CPW傳輸線構成的平板電容器。當MEMS開關沒有被施加驅動電壓時,金屬膜橋不受外力作用保持平直狀態,在忽略邊緣效應情況下[9-10],此時等效并聯電容值如式(1),即:

圖2 RFMEMS開關等效電路原理圖

其中,g0是可動金屬膜橋和基底之間的初始距離;S為可移動金屬膜橋面積;td為介質膜厚度;ε0為空氣的介電常數;εr是介質膜的相對介電常數。此時開關電容很小,微波信號可以由共面波導傳輸線幾乎沒有衰減地通過,MEMS開關呈現“導通”狀態。

隨著偏置電壓的逐漸增大,在靜電引力作用下,可動金屬膜橋逐漸下移,直到和底部的介質膜緊密接觸,MEMS開關的等效并聯電容值為式(2),即:

此時,跨接于信號線與地線之間開關電容變得很大,幾乎將CPW傳輸線上的微波信號全部耦合至地線,CPW傳輸線輸出端幾乎沒有信號輸出,MEMS開關處于“關閉”狀態。

2 RFMEMS開關等效電路模型的微波特性仿真分析

針對于圖2所示MEMS開關的等效電路模型,采用 ADS軟件對開關等效電路的導通、閉合狀態分別進行仿真,分析等效電路中各等效參數對MEMS開關性能的影響和制約關系。

為方便分析,MEMS開關的等效電路參數初始值取毫米波頻段的典型參考值:電容值Con=35 fF (導通狀態),Coff=2.8 pF(關閉狀態);電感參數值L=8 pH;電阻參數值R=0.25Ω。

經計算可得:MEMS開關在導通狀態下諧振頻率fon=322 GHz,在關閉狀態下諧振頻率foff=36 GHz。

2.1 導通狀態下等效電路的微波特性仿真

圖3a為不同電容值下的RF MEMS開關掃描特性曲線,保持L=8 pH,R=0.25Ω不變,C分別取20 fF、40 fF、60 fF、80 fF;圖3b為不同電感值下的RF MEMS開關掃描特性曲線,保持Con=35 fF,R= 0.25Ω不變,L分別取4 pH、8 pH、12 pH、16 pH。

圖3 導通狀態下參量掃描特性曲線

由圖3可以看出:在導通狀態下,所考察的頻率范圍遠遠低于諧振頻率(約322GHz),MEMS開關處于容性狀態,此時參數電容值的變化對開關插入損耗影響較大,電感參數對開關的影響相對較小;當參數電容值保持一定,插入損耗隨著頻率升高而增加;當工作頻率一定,插入損耗隨著參數電容值的增大而增大。

2.2 關閉狀態下等效電路的微波特性仿真

圖4a為不同電容值下的RF MEMS開關掃描特性曲線,保持L=8 pH,R=0.25Ω不變,C分別取2 pF、4 pF、6 pF、8 pF;圖4b為不同電感值下的RFMEMS開關掃描特性曲線,保持Coff=2.5 pF,R=0.25 Ω不變,L分別取4 pH、8 pH、12 pH、16 pH。

圖4 關閉狀態下參量掃描特性曲線

由圖4可以看出:關閉狀態時,考察的頻率范圍和MEMS開關的諧振頻率(約36GHz)相接近,此時等效電容和電感參數對開關的插入損耗影響極大,此外還影響著諧振頻率點。

3 RFMEMS開關的電磁特性仿真

用三維電磁仿真軟件HFSS對給定CPW加載式MEMS開關進行仿真分析,定性地研究RF MEMS開關結構參數的變化對開關微波性能的影響。

設定共面波導的結構參數G/W/G分別為60μm/110μm/60μm,其中,G為地線與CPW中央導帶之間距離;W為中央導帶寬度。整個模型結構建立在 100μm厚的GaAs基板上,共面波導及開關金屬板均選用金為材料,開關下的介質薄膜選用SiN材料。

下面通過改變 MEMS開關的長、寬、高等結構參數,分別仿真分析開關在導通狀態和關閉狀態的微波傳輸特性。

3.1 不同開關寬度的電磁特性仿真

當MEMS開關長度固定為470μm時,不同的開關寬度對開關特性的影響曲線見圖5。

圖5 開關寬度對開關特性的影響曲線

由圖5可以看出:在導通狀態下,隨著開關寬度的增大,等效電路的并聯電容也隨之增大,更多的信號能量反射回輸入端,插入損耗增大;在關閉狀態時,隨著寬度增大,等效電容增加,插入損耗變化更大,在高頻段,寬度變化對開關的反射損耗影響較小。

3.2 不同開關長度的電磁特性仿真

當MEMS開關寬度固定為80μm時,不同的開關長度對開關特性的影響曲線見圖6。

圖6 開關長度對開關特性的影響曲線

由圖6可以看出:開關長度主要影響MEMS開關中的等效電感。開關處于開通狀態時,對信號傳輸影響很小;關閉狀態時,隨著開關長度的增大,等效電感值逐漸增加,諧振頻率點逐漸降低,插入損耗變動較大。

3.3 不同開關高度的電磁特性仿真

當開關寬度固定為 40μm,長度 230μm時,開關高度對開關特性的影響見圖7。

圖7 開關高度對開關特性的影響

由圖7可以看出:在開關導通狀態,高度和等效電容參數成反比,高度增加,電容值降低,插入損耗減小。當高度增加到一定值后,對開關插入損耗變化漸趨緩慢,高度的影響漸漸不再明顯,此時,RF MEMS開關近似為理想CPW傳輸線。

4 結論

在分析RF MEMS開關工作原理基礎上,對RFMEMS并聯電容式開關的等效電路參數和結構模型參數進行了微波特性研究,經仿真結果表明:和導通狀態下相比,在關閉狀態下的等效電容和電感參數對于MEMS開關插入損耗特性的影響要更加強烈,兩者可相差 10倍左右;導通狀態下,等效電容參數對開關性能的影響起決定性作用,等效電感參數的影響可忽略不計。同樣,結構參數對關閉狀態的MEMS開關的插入損耗特性影響較大,對導通狀態影響較小;在導通狀態下,開關寬度參數對于開關的插入損耗特性影響較大,長度和高度參數影響較小;當高度參數達到一定值后,對開關特性的影響可忽略不計。

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