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高隔離度X波段RF MEMS電容式并聯(lián)開關(guān)

2009-06-04 來源:中電網(wǎng) 字號(hào):

0 引 言

RF MEMS開關(guān)在隔離度、插入損耗、功耗以及線性度等方面,具有比FET或pin二極管傳統(tǒng)微波固態(tài)開關(guān)無法比擬的優(yōu)勢(shì),從而獲得了廣泛的關(guān)注,并顯示出在微波應(yīng)用領(lǐng)域的巨大潛力。自1979年K.E.Petersen第一次報(bào)道RF MEMS開關(guān)的應(yīng)用以來,業(yè)界已研制出很多不同結(jié)構(gòu)的RF MEMS開關(guān)。無論是在隔離度還是在插入損耗上,RFMEMS電容式并聯(lián)開關(guān)在Ka到W波段都表現(xiàn)出了良好的性能。但是,RF MEMS電容式開關(guān)在低頻段的較低隔離度限制了其在X波段的應(yīng)用。為克服以上不足,J.B.Muldavin等人提出了在開關(guān)梁與地平面之間加入高阻抗傳輸線,通過該傳輸線引入的串聯(lián)電感使LC諧振頻率達(dá)到X波段范圍,并獲得了在X波段隔離度優(yōu)于-20 dB的性能。J.Y.Park等人設(shè)計(jì)的RF MEMS電容式并聯(lián)開關(guān)使用介電常數(shù)為30~120的SrTiO3作為介質(zhì)層,通過增加開關(guān)閉態(tài)的電容值使開關(guān)在10GHz處的隔離度優(yōu)于-30 dB。M.Tang等人把CPW下電極放置在由KOH刻蝕、深度為1.6μm的襯底盆狀槽中,獲得了10~13 GHz頻率下,單個(gè)開關(guān)隔離度為-16.5~-28 dB,兩個(gè)開關(guān)級(jí)聯(lián)的隔離度為-25~-35 dB。

本文提出了一種通過CPW傳輸線與共面波導(dǎo)地平面間的襯底刻槽,提高隔離度并應(yīng)用于X波段的RF MEMS電容式并聯(lián)開關(guān)。該設(shè)計(jì)在不改變開關(guān)結(jié)構(gòu)和電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提高了開關(guān)的隔離性能,為基于CPW結(jié)構(gòu)的RF MEMS高性能電路設(shè)計(jì)提供了一種參考。

1 開關(guān)的設(shè)計(jì)

1.1 開關(guān)設(shè)計(jì)與微波特性分析

本文設(shè)計(jì)的電容式并聯(lián)開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示。電路采用共面波導(dǎo)(CPW)結(jié)構(gòu),開關(guān)末端的兩個(gè)錨區(qū)分別固定于CPW兩個(gè)地平面上,開關(guān)梁采用平板梁結(jié)構(gòu),位于CPW傳輸線上方2 μm處。開關(guān)梁與地平面之間加入短截高阻線可增加開關(guān)的串聯(lián)電感,從而降低諧振頻率,實(shí)現(xiàn)X波段頻率范圍內(nèi)更高的隔離度。

本文在CPW傳輸線與地平面間引入了兩條深度為20μm的襯底刻槽。由CPW傳輸線理論,當(dāng)圖1(b)所示的CPW電路結(jié)構(gòu)中傳輸線寬度W增加時(shí),傳輸線與地平面間距G減小,CPW的分布電容CCPW增大,有



綜合以上分析,CPW特征阻抗隨傳輸線寬度的增加而減小。通過文獻(xiàn)[7]、[8]對(duì)襯底刻槽的分析,在保持電路幾何參數(shù)不改變的情況下,CPW特征阻抗隨刻槽深度的增加而增加。因此,可以在不改變傳輸線特征阻抗的情況下,通過選擇合適的刻槽深度來增加CPW傳輸線的寬度,從而可以有效減小因傳輸線導(dǎo)體損耗引起的信號(hào)衰減。

圖3為開關(guān)的等效電路模型,其中Z0為CPW傳輸線輸入輸出特征阻抗;C為開關(guān)梁與傳輸線間的電容,它隨開關(guān)的工作狀態(tài)而改變;LS與RS分別為開關(guān)梁的等效電感和電阻;L1為開關(guān)梁與地平面間的短截高阻線引入的串聯(lián)電感。開關(guān)的諧振頻率f0由式(5)給出,其中L為總的串聯(lián)電感。本文中經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的短截高阻線尺寸為150μm×60 μm,開關(guān)在閉態(tài)時(shí)獲得了13.5 GHz的諧振頻率。

另外,CPW傳輸線寬度的增加同時(shí)也增大了RF MEMS開關(guān)處于下拉狀態(tài)時(shí)與傳輸線上面介質(zhì)層的接觸面積,從而增大了開關(guān)在關(guān)態(tài)時(shí)對(duì)射頻信號(hào)的短路電容,有利于提高隔離度。

如圖2(a)所示,當(dāng)開關(guān)處于開態(tài)時(shí),梁與傳輸線之間的開態(tài)電容較小,對(duì)射頻信號(hào)形成開路。如圖2(b)所示,當(dāng)開關(guān)處于關(guān)態(tài)時(shí),傳輸線上接觸部分厚度為150 nm的Si3N4介質(zhì)層隔離直流電壓,并且可以產(chǎn)生較大的閉態(tài)電容,對(duì)射頻信號(hào)形成短路。



圖4(a)為本文設(shè)計(jì)的π型調(diào)諧開關(guān)電路,襯底刻槽位于傳輸線與地平面之間,圖中l(wèi)和z分別為高阻傳輸線的長(zhǎng)度和寬度。圖4(b)為其等效電路模型。π型匹配電路可以在得到寬帶匹配的同時(shí),還能在適當(dāng)?shù)拈_態(tài)電容下獲得很高的隔離度。高阻傳輸線位于兩并聯(lián)開關(guān)之間可實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。π型調(diào)諧電路開態(tài)下的隔離度可以近似表示為:



式中,Cd為閉態(tài)電容,βl和Zh分別為高阻傳輸線電長(zhǎng)度和阻抗。

當(dāng)在開關(guān)梁與傳輸線中心導(dǎo)體之間施加直流偏置電壓時(shí),梁上的靜電力使其離開初始平衡位置向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)直流偏置電壓達(dá)到閾值電壓時(shí),開關(guān)下降到上下電極初始間距的2/3處進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài),并使開關(guān)迅速被吸引致閉合,即"pull-in"現(xiàn)象。其中,閾值電壓



式中:k為梁的等效彈性系數(shù);ε0為空氣的介電常數(shù);W為CPW中心傳輸線的寬度;ω為開關(guān)梁中心極板的寬度;g0為梁與下電極的間距。等效彈性系數(shù)k可以表達(dá)為

式中:E為梁材料的楊氏模量;t為彈性梁的厚度;Lm為梁的長(zhǎng)度;σ為梁的殘余應(yīng)力;v為梁材料的泊松比。

為減小梁的彈性系數(shù)從而使執(zhí)行電壓降低,本文采用了圖5所示的兩個(gè)彎曲的彈簧梁結(jié)構(gòu)。其中,一個(gè)彎曲的彈簧梁的等效彈性系數(shù)可以表達(dá)為

 

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