RF MEMS开关功率处理能力的研究

摘要

当今无线通讯的迅速发展，以及传统方法在便携式和性能提高上出现的瓶颈，使得人们把目光投向RE MEMS。作为可行的解决方案，RF MEMS秉承了MEMS器件的优点，通过MEMS器件替代传统应用的器件，实现性能、质量、体积等各方面改进。RF MEMS开关是最早应用的RF MEMS器件之一，由于其具有极低的直流功耗，优越的射频性能，相对较好的线性度，可以用于移相网络和可调谐网络，从而在雷达系统、卫星和无线通信系统有广阔的应用前景。 可靠性是衡量器件和系统好坏的重要参数。RF MEMS开关的主要应用领域决定了对其可靠性的高标准要求。目前针对RF MEMS开关的可靠性有了一些研究基础：针对电容式开关的电荷注入效应；针对直接接触式开关的接触电阻变化；开关的热效应；开关的封装等。除此之外，RF MEMS开关的功率处理能力也是影响可靠性的重要参数。 目前RF MEMS开关的功率处理能力比较低，一般在几百毫瓦到几瓦之间，这严重影响了MEMS开关的应用前景，因此对开关功率处理能力的研究就显得尤其重要。本文从以下几个方面对RF MEMS开关的功率处理能力开展了研究。 首先是通过阅读文献资料，深入了解RF MEMS开关的工作原理和设计参数。开关的功率处理能力属于电学领域，所以主要针对静电执行方式的MEMS开关展开。针对静电开关的工作原理系统总结了开关的设计参数，分为低频和射频参数两类：低频参数包括开关的吸合电压和开关时间；射频参数包括开关的插入损耗、回波损耗和隔离度，主要使用S参数表征。为了方便设计，建立开关结构和射频参数之间的关系，给出了开关的射频等效电路，并给出了每个参数的表达式以及与S参数的关系。 接着在了解MEMS开关的工作原理和设计参数之后，对开关的功率处理能力进行了深入的研究，通过文献资料了解了影响开关功率处理能力的主要是自执行、自锁和热效应三种失效模式。分析发现自执行和自锁要早于热效应发生，并且热效应可以通过增加器件尺寸缓解，所以主要针对自执行和自锁进行分析。经过研究发现，开关的自执行和自锁主要是射频输入功率在开关上感应的电压形成的额外的静电力所致，从而发现开关的吸合电压和梁的弹性系数是影响功率处理能力的关键因素。所以重点研究开关的不同工作状态的吸合电压和开关梁的弹性系数，从而得出了开关的各个结构参数对开关功率处理能力的影响。对于设计高功率处理能力的开关具有指导价值。 然后分析了目前主要的提高开关功率处理能力的方法。针对三层板结构的MEMS开关的缺点提出了改进，并设计了相关结构。通过新颖的三层板结构解决了高功率带来的自执行和自锁效应，并且消除了传统三层板结构引入的应力。采用阻抗匹配的方法提高开关结构的射频性能。利用CoventorWare软件模拟了开关结构的机电特性，利用HFSS软件匹配了开关结构并且模拟了射频性能。开关结构的吸合电压模拟结果为26V。在阻止自执行状态，开关在36V时被拉下，从而将功率处理能力翻了一番。并且在整个X波段，开关“开”态时的回波损耗低于-28dB，插入损耗小于0.25dB；“关”态时的隔离度大于28dB。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1射频微电子机械系统(RF MEMS)

1.2 RF MEMS开关

1.3 RF MEMS开关的可靠性

1.4小结及本论文的主要工作

第二章RF MEMS开关的原理和设计参数分析

2.1 RF MEMS开关的结构和工作原理

2.2静电执行RF MEMS开关的设计参数

2.3静电执行RF MEMS开关的低频参数

2.4静电执行电容式RF MEMS开关的射频参数

2.5 小结

第三章RF MEMS开关的功率处理能力研究

3.1 RF MEMS开关的功率处理能力

3.2静电执行电容式开关的自执行的研究

3.3静电执行电容式开关的自锁的研究

3.4阻尼对开关功率处理能力的影响

3.5开关结构参数对功率处理能力的影响

3.6结论

第四章RF MEMS开关的功率处理能力的提高

4.1功率处理能力的瓶颈及处理办法

4.2提高功率处理能力的MEMS开关的改进结构

4.3新型开关的功率处理能力

4.4总结

第五章总结与展望

5.1本论文工作的主要内容

5.2对进一步工作的展望

致谢

参考文献

图表索引

作者简介