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RF MEMS可变电容及压控振荡器的研究

李丽  
【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。


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