RF MEMS衰减器中功分器的优化与设计

高跃升，李 强，吴倩楠，陈 鸿，李孟委

(1. 中北大学 仪器与电子学院，山西 太原 030051； 2. 中北大学 理学院，山西 太原 030051)

0 引 言

射频微机械(RF MEMS)衰减器是微波系统中的一种程控步进式射频器件[1-4]，主要功能是对输入信号进行衰减且不造成信号畸变，可调节系统的信号电平、 改善阻抗匹配、 减小信号耦合等，具有体积小、 功耗低、 隔离度高、 成本低的优点，在雷达、 通信和现代微波测试设备中具有广泛的应用[5-7]. RF MEMS衰减器是通过功率分配器(功分器)将某一输入功率的信号按照一定比例分配到集成电路的各分支中，并利用静电驱动射频开关在衰减电阻与直通线间切换，控制多个衰减单元的不同组合，实现对信号的程控步进衰减[8-10]. 功分器作为信号与负载的传输桥梁，其性能是影响RF MEMS衰减器插入损耗和衰减精度的重要因素. 因此，RF MEMS衰减器中的功分器的设计显得尤为重要.

目前应用在MEMS衰减器中的功分器主要为T型结双端等功率功分器，这类功分器因其结构小巧紧凑，容易实现各种复杂的馈电网络，广泛应用于微波电路中[11-16]. 但是T型结中不连续的截面会导致电磁场的分布发生突变，激发出更高阶的传播模式，从而引发电路产生与预期不同的变化，甚至产生谐振[17-20]. 针对这些问题，本文在T型结的结构基础上，对不连续结构进行了补偿，设计了3种新型功分器，并将其运用在RF MEMS衰减器中.

RF MEMS衰减器由若干个衰减单元组成. 每个衰减单元由衰减电阻网络、 4个RF MEMS开关、 2个T型结、 4个转角以及2条不同电长度的信号传输线组成，结构示意图如图 1 所示. 本文主要对衰减器中的功分器结构进行优化设计，达到改善RF MEMS衰减器微波性能的目标.

图 1 衰减单元示意图Fig.1 Attenuation unit diagram

1 功分器设计与优化

目前应用在MEMS衰减器中的功分器大多为T型结功分器，如图 2(a) 所示. 考虑到T型结宽度上的骤变会引起信号传输发生突变，导致信号传输时不能完全匹配，进而影响系统的微波性能，本文设计了3种信号可渐变式传输的功分器结构，如图 2(b)～2(d) 所示. 通过采用渐变式接口对T型结的不连续结构进行补偿，降低了在接口处的功率损耗，提高了阻抗匹配.

现阶段微波电路设计的电磁仿真软件中，常用的有ADS软件、 CST软件和HFSS软件等. 本文通过HFSS软件进行设计和仿真，利用ADS自带的linecalc计算接地共面波导的尺寸，参数为：阻抗为50 Ω，衬底厚度为590 μm，信号线宽度为120 μm，信号线与地线间距为75 μm. 为防止腔体自激，空气腔的尺寸选择为2 660 μm×1 690 μm×2 360 μm.

图 2 四种功分器结构图 Fig.2 Four power splitters structure

功分器的微波性能主要体现在插入损耗和回波损耗[20-23]. 插入损耗指在传输系统某处由于元件或器件的插入而发生负载功率的损耗，因此插入损耗的绝对值越小，功分器的微波性能越优. 在上述T型结共面波导功分器的基础上，提出了3种新的共面波导功分器的结构，分别是半圆形功分器、 漏斗形功分器和喇叭形功分器. 利用HFSS软件分别对3种结构的功分器进行仿真模拟，衬底材料为高阻硅，共面波导的材料为金.

图 2 中的4种功分器插入损耗结果如图 3 所示. 由于所设计的功分器为高度对称的结构，两个端口的插入损耗相同，因此只讨论一个端口的插入损耗即可. 由图 3 可知，在10 GHz时，T型结的插入损耗为4.05 dB，半圆形功分器、 漏斗形功分器和喇叭形功分器的插入损耗分别为3.93、 3.96和3.97 dB； 在18 GHz时，T型结的插入损耗为4.77 dB，半圆形功分器、 漏斗形功分器和喇叭形功分器的插入损耗分别为 4.46、 4.48 和 4.58 dB. 由此可见，优化后的功分器的插入损耗都优于T型结，其中半圆形功分器的性能最优，在18 GHz时，其值相较于T型结降低了0.31 dB. 表 1 为10 GHz和18 GHz时不同功分器的插入损耗对照表，其中S21为功分器单个端口的插入损耗.

图 3 插入损耗对比Fig.3 Insertion loss comparison

表 1 10 GHz和18 GHz下不同功分器的插入损耗Tab.1 10 GHz and 18 GHz different power splitter insertion loss

功分器的回波损耗又称为反射损耗，是波导由于阻抗不匹配产生的反射. 回波损耗L是反射系数的倒数，若换算成 dB单位，则L(dB)的绝对值越大表示匹配越好. 衰减器是一个功率消耗元件，需要与两端电路都良好匹配，而且功分器回波损耗的大小会直接影响衰减器的回波损耗. 因此，需要对功分器的回波损耗进行模拟仿真，结果如图 4 和表 2 所示，其中S11和S12分别为功分器输入端口和输出端口的回波损耗.

表 2 10 GHz和18 GHz下不同结构功分器的回波损耗Tab.2 10 GHz and 18 GHz different power splitter return loss

从图 4 和表 2 可看出，优化后的3种功分器的回波损耗都优于T型结功分器，其中半圆形功分器的性能最佳，在18 GHz时，其回波损耗的绝对值相对于T型结提高了0.93 dB. 从上述结果可知，无论从插入损耗还是回波损耗来看，半圆形功分器的性能最优. 因此，将半圆形功分器应用在衰减单元中能够提高衰减器的整体性能.

2 结果分析

RF MEMS衰减器为4比特位衰减器，由3个20 dB的衰减器单元和1个10 dB的衰减器单元组成，在DC-20 GHz的频率范围内以10 dB为步进，可以实现10～70 dB的衰减量. 将T型结和半圆形功分器分别应用在RF MEMS衰减器中，仿真模型如图 5 所示.

图 5 采用不同结构功分器的RF MEMS衰减器模型Fig.5 RF MEMS attenuator model with different power splitters

当4个单元的直通回路同时导通时，衰减器处于直通状态，这时衰减器的插入损耗为评判衰减器性能的重要指标. 如图 6(a) 所示，T型结功分器衰减器插入损耗明显大于半圆形衰减器. 其中17 GHz时T型结衰减器的插入损耗为-3.05 dB，而半圆形衰减器的插入损耗为-2.25 dB，相差0.8 dB，这是因为基于T型结衰减器的插入损耗曲线在16 GHz处有一个不连续结构所导致的谐振点. 改进后的半圆形功分器对不连续结构进行了补偿，消除了这个谐振点，改善了衰减器的插入损耗，提高了衰减器的性能. 图 6(b) 为两种衰减器的回波损耗，如图所示，在20 GHz的频段内，基于半圆形功分器的衰减器回波损耗全频带内优于-33 dB，在有些频段甚至可以达到-50 dB； 而T型结衰减器的回波损耗在全频带内只能优于-10 dB.

图 6 两种衰减器的性能参数Fig.6 Two kinds of attenuator performance parameters

3 结 论

本文在T型结共面波导功分器的基础上，设计了3种新的共面波导功分器，克服了T型结功分器由于宽度上的骤变引起的信号突变的问题，并比较了几种功分器的性能. 其中，半圆形功分器的微波性能最优. 之后又将半圆形功分器和T型结功分器分别应用于RF MEMS衰减器中，基于半圆形功分器衰减器的性能明显优于T型结衰减器，消除了由于不连续结构所导致的16 GHz附近的谐振点. 在DC-20 GHz的频率范围内，基于半圆形功分器衰减器的插入损耗优于-2.36 dB，回波损耗优于-33 dB.