五位螺旋形分布式RF MEMS移相器建模分析

摘要

针对现有RF MEMS移相器存在工作频率低、相移精度低、MEMS开关数量多、平面面积大、损耗大、制造难度大及成本高等问题，本文提出一种高工作频率、小体积、高精度的五位螺旋形分布式RF MEMS移相器。该RF MEMS移相器的特点为可实现五位31个相移量，每次变化相移量为11.25°；相移量误差小于5°；中心工作频率为40GHz；平面面积小于3×3mm2。本文主要内容如下： 1、针对相控阵雷达系统对频率、体积、精度等需求，提出了一种新型的五位螺旋形分布式RF MEMS移相器结构。采用螺旋形共面波导结构，并在螺旋形共面波导上共加载了31个MEMS开关。该移相器具有高工作频率、小体积、高精度、低功耗、低成本等优点。利用Pro/E软件建立RF MEMS移相器结构模型，清晰展示了螺旋形分布式RFMEMS移相器的结构，同时对RF MEMS移相器的移相过程进行了详细地描述。 2、对分布式RF MEMS移相器的相移量、布拉格频率、下拉电压等进行了理论推导，得到如下结论：1)布拉格频率决定了RF MEMS移相器的工作频率，减小MEMS开关单元的间距可以提高布拉格频率；2)MEMS开关关态与开态的电容比决定了RF MEMS移相器的相移量，提高电容比可以获得更大的相移量；3)下拉电压影响MEMS开关膜桥材料、膜桥尺寸和共面波导尺寸。 3、利用ADS、Ansoft HFSS、ANSYS等软件仿真，分析了螺旋形分布式RF MEMS移相器的共面波导结构和MEMS开关结构各个参数之间的关系，并对各个结构参数进行了优化，结论如下：1)共面波导基板材料为高阻硅，基板厚度为500μm，共面波导信号线宽度为100μm，共面波导信号线和地线间距为148.5μm，共面波导信号线和地线的厚度为1μm；2)MEMS开关膜桥、共面波导信号线和地线材料为金，MEMS开关膜桥长度、宽度、厚度分别为400μm、110μm、2μm，MEMS开关间距为120μm，MEMS开关膜桥和共面波导开态距离为2.5μm，关态距离为0.1μm；3)下拉电压约为42.5V。 4、利用AnsoftHFSS软件对五位螺旋形分布式RF MEMS移相器进行了建模与仿真，结果如下：1)RF MEMS移相器体积为2.6×2.6×0.505mm3；2)当中心工作频率为40GHz时，5个MEMS开关单元分别闭合，RF MEMS移相器相移量仿真结果分别为：11.43°、23.04°、44.53°、91.73°、182.65°，与设计目标的误差分别为0.18°、0.54°、0.47°、1.73°、2.65°；3)插入损耗及回波损耗分别为-15.1092dB/-8.9120dB、-14.2271dB/-9.9053dB、-15.1092dB/-8.9120dB、-13.2439dB/-11.6679dB、-16.3046dB/-10.2057dB；4)给出RF MEMS移相器的31个相移量仿真结果及相移精度，与设计目标的误差在3.72°之内；5)分析了产生仿真相移量和设计相移量误差的原因。 5、根据螺旋形分布式RF MEMS移相器仿真模型，对RF MEMS移相器进行了平面微加工工艺流程设计；根据MEMS开关膜桥的形状特点，MEMS开关膜桥工艺设计分为H形两侧部分和中间部分的MEMS工艺流程设计；提出了RF MEMS移相器制作过程中可能存在MEMS开关膜桥粘附、可靠性等失效问题。

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