“星”型射频MEMS四刀四掷开关的设计*

张世义， 王姗姗， 吴倩楠， 余建刚， 王 宇， 李孟委

(1.中北大学 南通智能光机电研究院，江苏 南通 226000；2.中北大学 仪器与电子学院，山西 太原 030051； 3.中北大学 前沿交叉科学研究院，山西 太原 030051)

0 引 言

射频(radio frequency,RF)微电子机械系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)技术是指利用MEMS技术实现RF器件的设计、加工，使之具备对射频信号进行处理、控制的功能[1]。与传统元器件相比，RF MEMS开关具有工作频带宽、插入损耗低、隔离度高、尺寸小、容易加工等优势。MEMS开关作为RF MEMS器件中的一个典型的元器件，是利用MEMS技术实现对信号的通断控制[2]，人们常将MEMS开关与具有特定功能的MEMS单元进行集成，实现具备多功能、高效率、可重构的MEMS器件，可应用在航天航空、卫星通信及国防等军事领域及微波测试、环境监测、电子设备等民用领域中[3～5]。

目前，为了满足通信及测试领域对MEMS开关多通道、低插损、小体积且高稳定性等指标的需求，就需要设计具备高性能的多通道MEMS开关，例如单刀多掷开关(single pole multiple throw switch,SPMT)，多刀多掷开关(multiple pole multiple throw switch,MPMT)等。而MPMT相较于SPMT开关来说，具有整体尺寸小、插入损耗小、集成度高的优势，可结合各种功能器件实现多重功能，应用于通信、雷达及测试系统中。而常见的MPMT普遍采用PIN管、射频同轴继电器及场效应管等作为核心器件，相较于MEMS开关，普遍存在工作频带窄、插入损耗高、尺寸较大等问题[6]。例如，2017年电子科技大学电子采用PIN开关作为主体，通过两个电源组合控制，设计了一种具有小尺寸、低插损、高隔离度的双刀三掷开关(double-pole three throw,DT3T)，该双刀三掷开关插入损耗低于0.4 dB，隔离度大于30 dB[7]，具有良好的性能，但是其工作频带为300～800 MHz，工作频带较窄。2016年，韩国忠南大学通过65 nm CMOS技术设计了一种频带为57～66 GHz的高频双刀双掷开关(double-pole double-throw,DPDT)，该开关整体插损小于3.3 dB，整体尺寸为0.108 mm2，可应用于60 GHz宽带通信系统[8]。但是该开关具有插损较大的缺点。2015年，中国电子科技集团第41研究所设计了一种工作频率为DC～26.5 GHz的DPDT开关，插损优于1 dB，隔离度优于70 dB[9]。虽然该开关在工作频带内具有良好的射频性能，但是开关的通道较少，仅可以实现4位信号转换功能。同年，广东工业大学利用不同工艺方案设计了一种双刀五掷开关(DP5T)，该开关工作频带为DC～0.3 GHz，插入损耗分别优于0.65 dB和0.52 dB，隔离度分别优于25.7 dB和24.1 dB，该器件整体尺寸分别为1.3 mm×0.7 mm和1.33 mm×0.7 mm[10]，然而，该多刀多掷开关工作频带较窄，无法应用于更高频的通信领域。

本文针对当前多刀多掷开关存在的体积较大、工作频带较窄、插入损耗较大、隔离度较高且通道数量较少等问题，设计了一种“星”型MEMS四刀四掷开关(four pole four throw switch,4P4T)，通过设计优化功分器及上电极的结构，构建了具有16位信号选通功能的4P4T模型，解决了当前多刀多掷存在的问题，为多通道信号通信及微波测试的信号选通设计提供了一种技术方法。

1 工作原理

RF MEMS开关组成部分包括衬底、CPW、悬臂梁、锚点、驱动电极、触点等，其中开关上电极通过锚点与信号线连接，并置于驱动电极正上方，属于悬臂梁结构，驱动电极位于上电极正下方，在驱动电极表面覆盖有SiNx绝缘层[11]。图1为MEMS开关工作原理图。当Pad外接一稳定直流电压时，开关悬臂梁因受到静电力向下运动，并与触点相接触，RF MEMS开关导通，信号沿着CPW的信号线通过；当直流电压移除时，悬臂梁所受静电力归零，因弹性作用力上弹，断开与触点的连接，RF MEMS开关断开，信号无法通过[12]。

图1 MEMS开关工作原理

本文利用HFSS仿真软件，建立了RF MEMS 4P4T理论模型，它是由两个MEMS单刀四掷开关(single pole four throw switch,SP4T)级联而成，每一路输入及输出端由一个独立的MEMS开关控制信号的的通断，通过8个MEMS开关的自由组合，理论上可以实现16种不同的信号输入输出方式。工作原理图如图2所示。

图2 MEMS 4P4T开关工作原理

2 结构分析

2.1 星形功分器设计

功分器是将一路输入信号按照一定的原则分配为多路输出信号或将多路输入信号转换为一路输出信号的射频器件[13]，广泛应用于MEMS多掷开关中。本文设计了三种功分器结构，分别为齿型、K型及星型功分器，其结构示意图如图3所示。三种功分器结构均为对称结构，四个输出端均匀分布在功分器两侧，采用空气桥结构实现信号线的共地处理，K型功分器相邻输出端之间夹角为60°，星型功分器相邻输出端之间夹角为72°。这三种功分器衬底材料均采用玻璃衬底，共面波导材料采用金。

图3 三种功分器结构示意

插入损耗是表征功分器微波性能的主要因素[14]，本文利用HFSS仿真软件，对三种功分器进行建模，并对其相同条件下的插入损耗进行仿真，图4为插损仿真结果对比图，在频率为DC～26.5 GHz内，星型、K型及齿型功分器的插入损耗分别优于0.146,0.334,0.609 dB。在三种结构中，星型功分器的插入损耗较小，且四个端口间插损之差小于0.019 dB，具有较好的一致性。齿型及K型功分器插入损耗较大的原因为信号在通过功分器输出端拐角处时，由于拐角处具有较大的电容，引起电荷聚集，导致阻抗匹配失衡，使得信号发生损耗[15]。

图4 功分器插入损耗对比

2.2 MEMS SP4T结构设计

本文设计的四刀四掷开关是由两个单刀四掷开关级联而成，通过切换开关的通断状态控制信号的输入与输出。相较于MEMS SPST，SP4T具备处理多路信号的能力。图5为MEMS SP4T的结构示意。

图5 SP4T的结构示意

该MEMS单刀四掷开关衬底材料为BF33玻璃，其表面CPW及上电极结构均为金。其中上电极采用直板型结构，相较于其他结构的上电极，直板型上电极具有应力小、结构简单及易于加工等优点。SP4T功分器采用星型功分器，射频信号输入端及4个输出端均匀分布在星型功分器的四周，为了进一步减小功分器对器件插损的影响，将星型功分器输入输出端交叉处改为圆角结构。此外，由于SP4T的拐角可能会对器件性能，尤其是插入损耗带来一定的影响，因此，本文对拐角结构进行仿真及优化，最终选用了圆角结构替代传统直角结构，进而降低器件的损耗。

通过对SP4T进行建模、仿真及优化，得到了SP4T的插损、隔离度及驻波比等射频性能，其结果如图6所示。在DC～26.5 GHz范围内，其插损优于1.33 dB，隔离度优于12.68 dB，驻波比小于1.7。

图6 SP4T S参数仿真结果

2.3 RF MEMS 4P4T结构设计

本文设计RF MEMS 4P4T是由2个SP4T镜像级联而成，4个输入端与输出端均匀分布于器件的两侧。结构示意图如图7所示。衬底材料为BF33玻璃，其相对介电常数为4.6，相较于高阻硅衬底，BF33玻璃衬底具有价格较低、插损低的优点，且玻璃衬底为透明材料，在后期悬臂梁牺牲层释放工艺过程中，可以在不破坏悬臂梁结构的情况下监测到牺牲层释放情况。RF MEMS开关的四刀四掷开关的几何参数如表1所示。

表1 4P4T 尺寸一览表

图7 MEMS 4P4T结构示意

MEMS开关上电极采用直板型结构，为了有效降低驱动电压，减小应力，缩短工艺过程中牺牲层释放时间，在上电极表面阵列排布着7组正方形释放孔；驱动电极分布在单刀四掷开关的周围，为方便后期测试施加电压，将驱动电

极进行引出，外接长方形Pad；为实现地线的共地功能，在地线表面分布有若干个杠铃形空气桥，空气桥采用直板结构，通过两侧固支锚点实现空气桥的悬空结构，同时，空气桥表面排布有10组正方形释放孔阵列结构。相较于SP4T触点采用一个触点的结构，4P4T采用双触点结构，可有效增大开关上电极与触点的接触面积，降低插入损耗，增强开关的可靠性。

3 4P4T的模拟结果

本文采用有限元仿真软件HFSS对RF MEMS 4P4T进行设计、仿真及优化，得到了插入损耗、隔离度及驻波比仿真结果，如图8所示。其中，图8(a)～(c)分别为插入损耗、隔离度及驻波比仿真结果。由结果可知，当工作频率为DC～26.5 GHz时，4P4T的插入损耗均优于1.19 dB，隔离度优于31.75 dB，驻波比均小于1.7。

图8 SP4T S参数仿真结果

表 2为近几年MPMT与本文设计的4P4T的对比，与近几年报道的多刀多掷开关相比，本文提出将MEMS开关引入到多刀多掷开关结构中，减小了器件的整体尺寸，降低了器件的插入损耗，提高了器件的隔离度，增加了器件的可调通道数。

表2 MPMT开关的比较

4 结 论

本文分析了当前多刀多掷开关的发展现状，设计了一种“星”型的射频MEMS 4P4T，设计的器件由两个SP4T级联而成，上电极采用直板型结构，利用开关的信号选通功能实现不同状态和不同通道信号切换的功能。由仿真结果表明：在DC～26.5 GHz内，本文开关具有工作频带宽、体积小、插入损耗低、隔离度高的特点，可应用于通信、微波测试及导航系统等。