射频微机电并联电容式开关的参数性能分析

甄可龙 ,吕善伟 ,张 岩 ,黄广君

(1.北京航空航天大学电子信息工程学院,北京 100191;2.河南科技大学 电子信息工程学院,河南洛阳 471003)

0 前言

基于微细加工技术的RFMEMS开关和传统的半导体开关器件相比,具有低功耗、高隔离度、低插入损耗、高线性度、工作频带宽、制备成本低等优点[1],并且在制作工艺上较容易实现集成化和小型化[2],在微波及毫米波领域具有广阔的应用前景。

从国内外RFMEMS开关研究现状来看,对串联接触式RFMEMS开关研究较多[3],而对应用频率较高(大于20 GHz)的并联电容式RFMEMS开关研究较少,且研究焦点集中于开关应力、驱动电压、开关速度、可靠性以及封装技术等方面,较少有从理论上分析等效电路参数及结构参数的变化对 MEMS开关传输性能影响的研究。在文献[4]中,对串联MEMS开关的等效电路模型参数做了初步研究;在文献[5-6]中,用HFSS分析了串联接触式悬臂梁开关的结构参数对电磁性能影响,但此种开关结构在毫米波段插入损耗较大。

在RFMEMS开关器件设计过程中,等效电路参数和结构参数的变化对其微波特性有着显著影响,尤其在电尺寸进一步缩短的毫米波应用领域。本文利用ADS和HFSS等工具软件,对RFMEMS并联电容式开关进行微波特性仿真[7-8],分析了MEMS开关等效电路参数和结构参数的变化对 MEMS开关电磁性能的影响,该研究能够对毫米波段的并联电容式RFMEMS开关结构设计,以及参数的优化提供方法和参考。

1 RFMEMS电容式开关的结构模型及等效电路

并联电容式MEMS开关由共面波导CPW中央传输线、可移动金属膜桥和绝缘介质薄膜构成,如图1所示。在金属膜桥和CPW传输线之间加上驱动电压,金属膜桥在静电引力作用下,可以上下移动。介质膜很薄,位于共面波导传输线上面,可以避免CPW中央传输线和金属膜桥直接接触,同时能减小上下结构在接触中的粘着力。

图1 并联电容式RFMEMS开关结构示意图

并联电容式MEMS开关的等效电路如图2所示,在传输线和地线之间并联了电容C、电感L和电阻R,其中,并联电容可以当作由金属膜桥和CPW传输线构成的平板电容器。当MEMS开关没有被施加驱动电压时,金属膜桥不受外力作用保持平直状态,在忽略边缘效应情况下[9-10],此时等效并联电容值如式(1),即:

图2 RFMEMS开关等效电路原理图

其中,g0是可动金属膜桥和基底之间的初始距离;S为可移动金属膜桥面积;td为介质膜厚度;ε0为空气的介电常数;εr是介质膜的相对介电常数。此时开关电容很小,微波信号可以由共面波导传输线几乎没有衰减地通过,MEMS开关呈现“导通”状态。

随着偏置电压的逐渐增大,在静电引力作用下,可动金属膜桥逐渐下移,直到和底部的介质膜紧密接触,MEMS开关的等效并联电容值为式(2),即:

此时,跨接于信号线与地线之间开关电容变得很大,几乎将CPW传输线上的微波信号全部耦合至地线,CPW传输线输出端几乎没有信号输出,MEMS开关处于“关闭”状态。

2 RFMEMS开关等效电路模型的微波特性仿真分析

针对于图2所示MEMS开关的等效电路模型,采用 ADS软件对开关等效电路的导通、闭合状态分别进行仿真,分析等效电路中各等效参数对MEMS开关性能的影响和制约关系。

为方便分析,MEMS开关的等效电路参数初始值取毫米波频段的典型参考值:电容值Con=35 fF (导通状态),Coff=2.8 pF(关闭状态);电感参数值L=8 pH;电阻参数值R=0.25Ω。

经计算可得:MEMS开关在导通状态下谐振频率fon=322 GHz,在关闭状态下谐振频率foff=36 GHz。

2.1 导通状态下等效电路的微波特性仿真

图3a为不同电容值下的RF MEMS开关扫描特性曲线,保持L=8 pH,R=0.25Ω不变,C分别取20 fF、40 fF、60 fF、80 fF;图3b为不同电感值下的RF MEMS开关扫描特性曲线,保持Con=35 fF,R= 0.25Ω不变,L分别取4 pH、8 pH、12 pH、16 pH。

图3 导通状态下参量扫描特性曲线

由图3可以看出:在导通状态下,所考察的频率范围远远低于谐振频率(约322GHz),MEMS开关处于容性状态,此时参数电容值的变化对开关插入损耗影响较大,电感参数对开关的影响相对较小;当参数电容值保持一定,插入损耗随着频率升高而增加;当工作频率一定,插入损耗随着参数电容值的增大而增大。

2.2 关闭状态下等效电路的微波特性仿真

图4a为不同电容值下的RF MEMS开关扫描特性曲线,保持L=8 pH,R=0.25Ω不变,C分别取2 pF、4 pF、6 pF、8 pF;图4b为不同电感值下的RFMEMS开关扫描特性曲线,保持Coff=2.5 pF,R=0.25 Ω不变,L分别取4 pH、8 pH、12 pH、16 pH。

图4 关闭状态下参量扫描特性曲线

由图4可以看出:关闭状态时,考察的频率范围和MEMS开关的谐振频率(约36GHz)相接近,此时等效电容和电感参数对开关的插入损耗影响极大,此外还影响着谐振频率点。

3 RFMEMS开关的电磁特性仿真

用三维电磁仿真软件HFSS对给定CPW加载式MEMS开关进行仿真分析,定性地研究RF MEMS开关结构参数的变化对开关微波性能的影响。

设定共面波导的结构参数G/W/G分别为60μm/110μm/60μm,其中,G为地线与CPW中央导带之间距离;W为中央导带宽度。整个模型结构建立在 100μm厚的GaAs基板上,共面波导及开关金属板均选用金为材料,开关下的介质薄膜选用SiN材料。

下面通过改变 MEMS开关的长、宽、高等结构参数,分别仿真分析开关在导通状态和关闭状态的微波传输特性。

3.1 不同开关宽度的电磁特性仿真

当MEMS开关长度固定为470μm时,不同的开关宽度对开关特性的影响曲线见图5。

图5 开关宽度对开关特性的影响曲线

由图5可以看出:在导通状态下,随着开关宽度的增大,等效电路的并联电容也随之增大,更多的信号能量反射回输入端,插入损耗增大;在关闭状态时,随着宽度增大,等效电容增加,插入损耗变化更大,在高频段,宽度变化对开关的反射损耗影响较小。

3.2 不同开关长度的电磁特性仿真

当MEMS开关宽度固定为80μm时,不同的开关长度对开关特性的影响曲线见图6。

图6 开关长度对开关特性的影响曲线

由图6可以看出:开关长度主要影响MEMS开关中的等效电感。开关处于开通状态时,对信号传输影响很小;关闭状态时,随着开关长度的增大,等效电感值逐渐增加,谐振频率点逐渐降低,插入损耗变动较大。

3.3 不同开关高度的电磁特性仿真

当开关宽度固定为 40μm,长度 230μm时,开关高度对开关特性的影响见图7。

图7 开关高度对开关特性的影响

由图7可以看出:在开关导通状态,高度和等效电容参数成反比,高度增加,电容值降低,插入损耗减小。当高度增加到一定值后,对开关插入损耗变化渐趋缓慢,高度的影响渐渐不再明显,此时,RF MEMS开关近似为理想CPW传输线。

4 结论

在分析RF MEMS开关工作原理基础上,对RFMEMS并联电容式开关的等效电路参数和结构模型参数进行了微波特性研究,经仿真结果表明:和导通状态下相比,在关闭状态下的等效电容和电感参数对于MEMS开关插入损耗特性的影响要更加强烈,两者可相差 10倍左右;导通状态下,等效电容参数对开关性能的影响起决定性作用,等效电感参数的影响可忽略不计。同样,结构参数对关闭状态的MEMS开关的插入损耗特性影响较大,对导通状态影响较小;在导通状态下,开关宽度参数对于开关的插入损耗特性影响较大,长度和高度参数影响较小;当高度参数达到一定值后,对开关特性的影响可忽略不计。

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