RF MEMS可变电容及压控振荡器的研究

论文摘要

近年来，随着无线通信系统的飞速发展，对低相位噪声压控振荡器(VCO)的需求也同益增加。VCO的调谐能力通常由可变电容来实现，要获得低相位噪声，需要高Q值的片上可变电容。然而，利用标准的集成电路工艺实现高Q值的片上可变电容是非常困难的。因此，现在的VCO器件通常采用片外分立的PN结变容二极管，这样不仅增加了系统的面积，而且存在封装复杂、功耗高以及成本高等缺点。因此，迫切需要能与VCO电路单片集成的高Q值的可变电容。 本论文采用全波电磁场仿真软件对凹型结构RF MEMS可变电容的结构参数进行了优化，优化目标为可变电容在2GHz时Q值最高。并对寄生电容量进行了讨论，在此基础上，得出了可变电容的单端口等效电路模型。根据优化后的结构，采用有限元分析软件得到了吸合电压及一阶谐振频率。 对平行板结构RF MEMS可变电容的运动过程进行了非线性分析。采用迭代方法对其动力学方程进行了求解，建立了动力学模型。并对空气压膜阻尼以及外加电压对运动的影响进行了详细讨论。首次发现了在RF MEMS可变电容存在的双稳态现象，并对此现象出现的原因进行了说明。把双稳态的特性应用于研究可变电容的调节范围，在理论上预言了调节范围大于50％的状态是存在的。 在RF MEMS开关加工工艺基础上，提出了适合凹型结构RF MEMS可变电容的表面微机械工艺流程，并进行了流片验证，其Q值为目前国内报道的最高数值，并且制造工艺与标准的集成电路工艺兼容，易于实现片上集成。 对振荡器中的两种相位噪声模型：线性时不变模型和线性时变模型进行了系统分析和概括。并对RF MEMS可变电容引起的机械热噪声进行了讨论，提出了以可变电容响应时间最短作为标准，优化阻尼孔数目，降低相位噪声的方法。对MEMS VCO电路的相位噪声进行了讨论，得出了与文献一致的结论，即当频偏位于可变电容的机械谐振频率近端时，电路中起主要作用的相位噪声是RF MEMS可变电容的机械热噪声，而频偏较大时，起主要作用的是电热噪声。 将凹型结构的RF MEMS可变电容与微波薄膜混合集成电路工艺制造的电路键合在一起，制备了国内第一个微波MEMS VCO器件。其单边带相位噪声性能优于90年代末国外同频率器件。谐波抑制以及杂波抑制性能优于采用变容管的VCO器件。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1-1 引言
• 1-2 传统的片上可变电容
• 1-2-1 PN结变容二极管
• 1-2-2 MOS变容管
• 1-3 RF MEMS可变电容的发展
• 1-3-1 表面微机械 RF MEMS可变电容
• 1-3-2 体微机械 RF MEMS可变电容
• 1-3-3 LIGA工艺 RF MEMS可变电容
• 1-3-4 国内RF MEMS可变电容的发展
• 1-3-5 RF MEMS可变电容的发展趋势
• 1-4 压控振荡器的研究历史
• 1-5 RF MEMS压控振荡器的发展
• 1-5-1 集成了RF MEMS可变电容的压控振荡器
• 1-5-2 集成了RF MEMS电感的压控振荡器
• 1-5-3 国内RF MEMS压控振荡器的发展
• 1-5-4 RF MEMS压控振荡器的发展趋势
• 1-6 本论文的主要内容
• 第二章 RF MEMS可变电容的设计
• 2-1 RF MEMS可变电容的性能参数
• 2-2 RF MEMS可变电容的电学特性设计
• 2-2-1 HFSS软件理论介绍
• 2-2-2 共面波导（CPW）传输线的分析和设计
• 2-2-2-1 CPW传输线特性分析
• 2-2-2-2 CPW传输线尺寸设计
• 2-2-3 凹型结构 RF MEMS可变电容的电学特性设计
• 2-2-3-1 Q值的优化
• 2-2-3-2 寄生电容讨论
• 2-3 RF MEMS可变电容的力学特性设计
• 2-3-1 有限元法简介
• 2-3-2 RF MEMS可变电容的耦合场分析
• 2-3-3 模态分析
• 2-3-3-1 凹型结构的 RF MEMS可变电容的模态分析
• 2-3-3-2 平行板结构的 RF MEMS可变电容的模态分析
• 2-4 小结
• 第三章 RF MEMS可变电容的动力学及双稳态分析
• 3-1 引言
• 3-2 动力学模型的建立
• 3-3 基于动力学模型的运动过程分析
• 3-3-1 空气压膜阻尼对运动的影响
• 3-3-2 外加电压对运动的影响
• 3-3-3 运动极板可能存在的三种运动情况
• 3-4 双稳态现象分析
• 3-4-1 双稳态现象讨论
• 3-4-2 双稳态现象出现的原因
• 3-5 RF MEMS可变电容的调节范围讨论
• 3-6 小结
• 第四章 RF MEMS可变电容的制备与测试
• 4-1 RF MEMS可变电容的制备
• 4-1-1 RF MEMS开关的工艺流程
• 4-1-2 RF MEMS可变电容的工艺流程
• 4-1-3 工艺改进
• 4-2 RF MEMS可变电容的版图设计与实现
• 4-3 RF MEMS可变电容的测试与分析
• 4-3-1 微波特性测试
• 4-3-2 C-V特性测试
• 4-3-3 测试结果分析
• 4-4 小结
• 第五章 压控振荡器及其相位噪声研究
• 5-1 压控振荡器的数学模型
• 5-2 振荡器的工作原理
• 5-2-1 反馈振荡器的工作原理
• 5-2-1-1平衡条件
• 5-2-1-2 起振条件
• 5-2-1-3 稳定条件
• 5-2-2 负阻振荡器的工作原理
• 5-3 振荡器的相位噪声特性
• 5-4 振荡器的相位噪声分析模型
• 5-4-1 线性时不变（LTI）相位噪声模型
• 5-4-1-1 Lesson相位噪声模型
• 5-4-1-2 Craninckx和 Razavi相位噪声模型
• 5-4-2 线性时变（LTV）相位噪声模型
• 5-4-2-1 Demir和 Mehrotra的非线性扰动模型
• 5-4-2-2 Hajimiri和 Lee的相位噪声模型
• 5-5 MEMS VCO的相位噪声模型
• 5-5-1 位移功率谱密度分析
• 5-5-2 机械热噪声计算
• 5-5-3 机械热噪声优化
• 5-5-4 MEMSVCO的相位噪声讨论
• 5-6 小结
• 第六章 RF MEMS 压控振荡器的研制
• 6-1 微波薄膜混合集成电路工艺简介
• 6-2 RF MEMS压控振荡器的低相位噪声设计
• 6-3 RF MEMS压控振荡器的电路设计
• 6-3-1 设计原理
• 6-3-2 电路设计
• 6-4 RF MEMS压控振荡器的制作与测试
• 6-4-1 RF MEMS压控振荡器的制作
• 6-4-2 RF MEMS压控振荡器的测试
• 6-5 小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果