MEMS悬臂梁式微波功率耦合器的研究

摘要

射频微系统（RF MEMS）是指MEMS技术在RF及微波通信领域的应用。伴随着微波技术的发展，RF MEMS被广泛应用于发射机天线，前端接收装置，谐振器、滤波器．可调电容、三维电感以及压控振荡器（VCO）等。另一方面，为实现微波功率的分配和组合，类型繁多的波导耦合器和功率分配器被开发出来。其中包括各种E和H面的T型结、分支线耦合器、多孔定向耦合器、Schwinger耦合器等。本文利用MEMS技术，结合耦合器的基本设计理念，提出了一种基于MEMS技术的悬臂梁式的微波功率耦合器的设计。该MEMS器件在微波频段内表现出良好的微波特性以及与波导结合的兼容性，并可以通过施加/撤销下拉电极上电压，控制工作状态的转换。 本文提出的MEMS悬臂梁微波功率耦合器制备于GaAs衬底上，并可以嵌入共面波导（CPW）中。在下拉电极上施加直流电压可将MEMS薄膜下拉，利用MEMS悬臂梁与CPW中心线形成的电容，将一部分微波信号耦合至功率输出端。与传统结构的微波功率耦合器相比，MEMS悬臂梁结构微波功率耦合器可以执行耦合到隔离的工作状态转换。通过模拟表明，该结构在X波段内的插入损耗小于0．5 dB，反射系数低于-15 dB，隔离度低于-15 dB，耦合度分别为10％、1％和0．1％，具有良好的微波特性。通过改变CPW共面波导的尺寸，可以对该结构由于下拉电极所引入的电容以及破坏CPW传输线所造成的失配重新进行阻抗匹配。另外，利用Coventor软件对该结构的模拟表明下拉电压小于为15 V。 MEMS悬臂梁结构微波功率耦合器相较与其他功率耦合器具有以下一些优点： （1）工艺流程相对简单，易于制备，可以与CPW传输线相结合，嵌入微波单片集成电路（MMIC）中。 （2）耦合度控制通过在设计时调整MEMS悬臂梁的长度，改变悬臂梁处于Down态时的电容，易于满足不同频段不同耦合度的要求。 （3）通过施加/撤销电极上的下拉电压，可以方便的控制耦合/隔离状态（Down/Up态）。与传统的耦合器不同，MEMS悬臂梁微波功率耦合器的输出/隔离端口可以整合在一个端口上，为实现实时状态转换提供了便利。如果在输出端口处制备微波功率传感器，可以实现在线式的微波功率检测。 （4）与传统耦合器对主线影响保持恒定不同，MEMS悬臂梁微波功率耦合器处于Up态时，由于悬臂梁远离CPW传输线，使得电容变小，因此，由于反射和信号耦合所带来的对CPW主信号线的影响降低。 （5）基于金工艺的加工技术使得该结构的插入损耗低，反射损耗小，在X波段内的线性度好，互调（IM）失真和三阶互调失真交截点（IIP3）小于FET和PIN器件。 最后，本文还分析了在线式MEMS固支梁微波功率传感器，对流片进行了测试。测试结果表明，MEMS固支梁在线式微波功率传感器的反射损耗低于-13 dB，插入损耗要小于3．4 dB，一阶机械谐振频率为70 kH，互调失真小于-37 dB，IIP3高于+25 dBm。另外，该结构微波功率传感器的灵敏度为225μV/mW，电压驻波比（VSWR）平均为1．453，最大响应时间为0．19 s。 本文提出了基于MEMS技术的悬臂梁微波功率耦合器，建立分析了其电路模型并开发了该耦合器的工艺制备流程。本文的工作不仅促进了MEMS悬臂梁微波功率耦合器的发展，而且对研究GaAsMEMS微加工工艺提供了有益的经验。该耦合器将在许多个人通信或雷达系统中会得到应用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 微电子机械系统(MEMS)典型特点

1.2 射频微机械系统

1.2.1 MEMS开关

1.2.2 MEMS变容器

1.3 微波功率耦合器的分类

1.3.1 分支线耦合器

1.3.2 耦合线定向耦合器

1.3.3 Lange耦合器

1.3.4 多孔定向耦合器

1.3.5 耦合器小结

1.4 微波功率传感器

1.4.1 插入式微波功率传感器

1.4.2 电容式微波功率传感器

1.5 本章小结

第二章 MEMS悬臂梁微波功率耦合器的设计要求和方案

2.1 MEMS悬臂梁结构微波功率耦合器的原理

2.2 二端口网络电路模型以及优化

2.3 MEMS悬臂梁结构微波功率耦合器的等效电路以及ADS模拟

2.4 MEMS悬臂梁结构微波功率耦合器的机械动态模拟

2.5 自组装结构MEMS悬臂梁技术

2.6 拟定工艺流程

2.7 55所工艺流程

2.8 L～K频段的MEMS悬臂梁微波功率耦合器的设计

2.9 本章小结

第三章 MEMS固支梁结构在线式微波功率传感器的研究

3.1 MEMS固支梁结构在线式微波功率传感器的主要研究工作

3.1.1 目前存在的问题

3.1.2 主要研究工作

3.2 MEMS固支梁结构在线式微波功率传感器的微波模型

3.3 MEMS固支梁在线式微波功率传感器的热学模型

3.4 本章小结

第四章 MEMS固支梁结构在线式微波功率传感器的测试

4.1 MEMS固支梁结构在线式微波功率传感器的制备

4.1.1 MEMS固支梁结构在线式微波功率传感器的工艺

4.1.2 MEMS固支梁结构在线式微波功率传感器的制备流程

4.1.3 MEMS固支梁在线式微波功率传感器的制备流程

4.1.4 MEMS固支梁在线式微波功率传感器的SEM图

4.2 MEMS固支梁在线式微波功率传感器的测试

4.2.1 MEMS固支梁在线式微波功率传感器的机械特性

4.2.2 MEMS固支梁在线式微波功率传感器的微波特性

4.2.3 MEMS固支梁在线式微波功率传感器功率处理

4.2.4 MEMS固支梁在线式微波功率传感器的响应时间

4.2.5 MEMS固支梁在线式微波功率传感器的温度漂移

4.2.6 MEMS固支梁在线式微波功率传感器的互调失真

4.3 本章小结

第五章 工作总结与展望

参考文献

致谢

作者简介

在学期间发表的论文和取得的学术成果