低驱动电压RF MEMS电容开关的设计

论文摘要

RF MEMS开关是微波信号变换的关键器件之一,与传统的FET场效应管和PIN二极管开关相比,具有低插入损耗和能量损耗、高隔离度以及能够与现有的微波毫米波电路进行单片集成等优点,越来越受到人们的关注。目前RF MEMS开关存在驱动电压高等方面不足,国内外正致力于研究降低开关驱动电压的方法。本文应用有限元分析软件Intellisuite和CST设计三种RF MEMS电容开关结构,并对其静态力学性能和微波特性进行了研究。本文设计了铰链支撑结构及多驱动电极结构电容开关,驱动电压分别为8V和7V,与普通电容开关驱动电压14V相比明显降低。仿真结果表明,多驱动电极和铰链支撑结构可有效降低开关驱动电压,多驱动电极结构具有强度高、可靠性好及抗震动性好等方面优势。仿真结果表明,膜桥材料和尺寸对铰链支撑结构RF MEMS电容开关驱动电压有显著影响,相同尺寸Au膜开关的驱动电压比Al膜的驱动电压高;在Al膜桥结构中,宽度相同时,长度增加,开关驱动电压减小。本文选择杨氏模量较小的Al膜作为上电极材料,结构优化参数为长280μm,宽160μm。本文设计的串联结构RF MEMS电容开关,可降低插入损耗,提高隔离度。在9GHz~16GHz频率范围内,隔离度大于20dB,在谐振频率15GHz处隔离度最大,达到35dB;在0GHz~15GHz频率范围内,插入损耗小于1dB,具有良好微波特性。本文所设计的三种RF MEMS电容开关结构合理,可显著降低驱动电压和插入损耗,提高隔离度,研究成果为新型RF MEMS电容开关设计提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 RF MEMS 简介
• 1.2 RF MEMS 开关的研究意义
• 1.3 RF MEMS 开关的研究现状
• 1.3.1 欧姆接触式开关研究现状
• 1.3.2 电容耦合式开关研究现状
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 第2章 RF MEMS 开关设计理论基础
• 2.1 RF MEMS 开关简介
• 2.1.1 RF MEMS 开关参数
• 2.1.2 RF MEMS 开关分类
• 2.2 电容式开关工作原理及基本结构
• 2.3 接触式开关工作原理及基本结构
• 2.4 本章小结
• 第3章 RF MEMS 开关的静态力学特性和电磁特性
• 3.1 RF MEMS 开关的静态力学特性
• 3.1.1 载荷位置对弹性系数的影响
• 3.1.2 残余应力对弹性系数的影响
• 3.1.3 梁上开孔对弹性系数的影响
• 3.1.4 RF MEMS 开关的驱动电压
• 3.2 RF MEMS 开关的电磁特性
• 3.2.1 Up-state 电容值
• 3.2.2 Down-state 电容值
• down/C_up'>3.2.3 电容比C_down/C_up
• 3.3 本章小结
• 第4章 低驱动电压RF MEMS 电容开关的设计
• 4.1 RF MEMS 电容开关设计的关键问题
• 4.1.1 建立微机械结构
• 4.1.2 提高微波性能的方法
• 4.1.3 选择微机械结构材料
• 4.2 RF MEMS 电容开关的工艺模拟
• 4.2.1 MEMS 技术基本加工工艺
• 4.2.2 普通电容开关及其改进结构
• 4.2.3 多电极RF MEMS 电容开关
• 4.2.4 串联电容式RF MEMS 开关
• 4.3 本章小结
• 第5章 RF MEMS 开关仿真分析
• 5.1 MEMS 设计软件INTELLISUITE
• 5.2 RF MEMS 电容开关静态力学性能仿真
• 5.2.1 普通电容开关及其改进结构驱动电压
• 5.2.2 多电极RF MEMS 电容开关驱动电压
• 5.3 RF MEMS 电容开关微波性能仿真
• 5.3.1 插入损耗
• 5.3.2 隔离度
• 5.4 仿真结果讨论
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢