基于RF MEMS开关的多频可重构PIFA天线

摘要

目前，无线通信系统的重要发展方向为小型化，超宽带和功能多样化。因此，天线作为无线传输系统必不可少的基本部件，一方面被要求扩展带宽，另一方面需要便于携带和安装，传统的天线设计一般是通过增加天线数量来实现多个频段的要求，天线的密度不断提高，由此也带来了严重的电磁耦合干扰，因此，传统天线的形式和功能已经跟不上系统小型化、电磁兼容等特性的需求。为了克服这一问题，可重构天线这个概念被提出、应用和发展。可重构天线是通过加载一个或者多个可控制器件对天线的某些性能在一定范围内可重构。因此，在可重构天线的实现过程中，需要增加更多的器件对电流进行控制，如MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机械系统)开关、二极管开关等。　　RF MEMS开关作为最近飞速发展起来的一种开关器件，它和传统的FET(Field Effect Transistor，场效应晶体管)开关及PIN二极管开关相比其主要优点有:插入损耗低、隔离度好、线性化好、低功耗、微波特性好、尺寸小以及易集成。在民用领域，它是可重构天线的重要控制元件，在手机以及其他移动通信等领域具有广泛的应用。　　平面倒F天线(PIFA)是一种手机内置天线，因为它体积小、结构紧凑、加工成本低、制作简单、吸收率低等优点，在目前的手机设计中得到广泛的应用。PIFA天线实现多频段的方法有很多，一种是通过采用多分支结构使其能够工作在不同的频段以达到多频化的目的，但是其结构较复杂，另外一种比较有效的办法是通过在主辐射面或者地板上开槽，改变电流分布和场分布以实现多频化的效果;现有的文献一种方法是通过在顶层贴片上开槽，实现PIFA天线的三频谐振特性，但它的工作带宽会较窄，不能满足实际通信频段的需要;也有能满足实际通信频段的需要，但是在低频段，天线的回波损耗较高。另一种方法是在PIFA天线的多个位置加载可以开关控制的短路针，通过接通其中一个或多个射频开关产生多种可能的组合，但是这个天线在能耗上较高。　　本文提出一种新型的基于RF MEMS开关的三频段可重构天线，这个天线采用的是在地层开槽的方法，相较于其他天线采用顶层贴片开槽的方法，地层开槽比较新颖并且能够增加天线的带宽。且天线同轴线馈电，它的可重构性的实现是通过欧姆接触RFMEMS开关连接或不连接天线的部分结构，改变天线地层的谐振回路的物理长度，以达到改变其共振频率的目的。这个天线有三个工作模式，分别对应203、498和910MHz这频段，其相对带宽分别是18％、10％和8％，能满足实际通信频段和增益的需求。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 论文背景和研究意义

1．1．1 射频MEMS开关的研究意义

1．1．2 可重构天线的研究意义

1．2 国内外研究历史和现状

1．2．1 MEMS开关的研究历史与现状

1．2．2 频率可重构天线的研究历史与现状

1．3 论文各章节的主要内容

第二章 RF MEMS开关的理论方法分析与模拟仿真

2．1 MEMS开关的基本工作原理

2．2 射频MEMS开关的分类及两类典型MEMS开关的工作原理

2．2．1 电容式射频MEMS开关的工作原理

2．2．2 接触式射频MEMS开关的工作原理

2．3 提出方案

2．4 射频MEMS开关的仿真分析

2．4．1 仿真软件的介绍

2．4．2 开关的仿真模型

2．5 本章小结

第三章 射频MEMS开关的加工工艺设计

3．1 一般的MEMS加工工艺

3．1．1 表面微加工技术

3．1．2 扩散和离子注入

3．1．3 键合技术

3．1．4 金属化

3．1．5 化学气相淀积和等离子淀积

3．1．6 装配和封装

3．2 悬臂梁MEMS开关的工艺选取

3．2．1 绝缘介质膜工艺选取

3．2．2 金属膜工艺选取

3．2．3 牺牲层材料的选取

3．3 MEMS开关工艺流程

3．4 MEMS开关的实测结果

3．5 本章小结

第四章 PIFA天线的理论方法分析与模拟仿真

4．1 PIFA天线的演变进程

4．2 PIFA天线的基础结构

4．3 PIFA天线的特性分析

4．3．1 PIFA天线的传输线特性近似分析

4．3．2 PIFA天线的空腔模型近似分析

4．3．3 PIFA天线的辐射特性近似分析

4．4 PIFA天线的模拟仿真分析

4．4．1 PIFA天线的仿真模型图

4．4．2 PIFA天线的带宽影响因素

4．4．3 各参数对PIFA天线特性的影响

4．5 PIFA天线的多频实现方法

4．6 本章小结

第五章 基于MEMS开关的PIFA天线设计理论方法分析与模拟仿真

5．1 多频PIFA天线的基本理论与本文设计的天线的提出

5．1．1 多频PIFA天线的基本理论

5．1．2 PIFA天线地层开槽方法

5．1．3 PIFA顶层贴片斜边的方法

5．1．4 本文设计的天线的提出

5．2 频率可重构PIFA天线的设计

5．3 频率可重构PIFA天线的仿真结果分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文