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基于叉指式共面波导的RFMEMS开关线型移相器研究

孙晓峰  
【摘要】: 随着MEMS技术在射频领域的应用,产生了一个全新的研究领域——RF MEMS,它使得射频器件的微型化成为可能。RF MEMS器件不仅在体积上大大小于传统的射频器件,方便集成,并且在性能上也有很大的提高。与传统射频器件相比,RF MEMS器件具有体积小、功耗低、重量轻、成本低等优点,并与传统的IC技术相兼容,使得单片集成成为可能。可以说,MEMS技术为无线通信系统的微型化、低功耗和高频化提供了良好的解决方案。 传输线是微波器件中传输信号的基本元件,自从引入MEMS技术,人们设计了多种新型结构的微机械传输线,对于目前在微波集成电路中应用较多的共面波导,出现了提升式共面波导、重叠式共面波导、微屏蔽式共面波导等结构,这些新型设计从不同的设计角度出发提高了传输线的微波性能比如降低损耗、拓宽可用阻抗范围等,但是大多具有工艺复杂、难于在实际中大规模应用以及没有兼顾射频器件微型化的要求等。针对这些不足之处,本文对传统共面波导结构进行改进,设计了改良型的叉指式共面波导结构。 移相器是现代通信、雷达系统中的重要部件,目前主要是基于铁氧体材料、PIN管和FET开关来实现,这些移相器或者损耗大,或者成本高昂,或者直流功耗大,在实际应用上都存在着一定的限制。RF MEMS移相器的出现有望克服这些不足,与传统移相器相比,它具有损耗小、成本低、重量轻等优点,目前出现的RF MEMS移相器主要有开关线型移相器、反射式移相器以及分布式移相器等,其中开关线型移相器存在着平面尺寸较大的缺点,主要是由传输线长度较大造成的。本文在研究叉指式共面波导的基础上,以改良型的叉指式共面波导作为传输路径,与并联电容式开关相结合,设计了整体尺寸较小的X波段三位开关线型移相器。 本文首先设计了改良型的叉指式共面波导,这种波导采用周期性弯曲结构,并采用MEMS技术对接地线进行加厚。弯曲结构能有效缩小传输线的纵向尺寸,加厚的接地线能够更好地隔断弯曲信号线平行段之间的相互耦合干扰。另外,地线加厚还能改善信号线上表面电流的分布,减小导体损耗,降低特性阻抗;还能限制电场在空间的分布,减小辐射损耗。采用高频电磁场仿真软件对这种结构进行模拟,通过对比仿真结果与测试结果,分析了各结构参数对叉指式共面波导微波性能的影响,测试的插入损耗可以达到-0.33dB/cm,回波损耗在5~20GHz范围内存在两个波谷,并且波谷出现的位置随叉指式共面波导结构参数的变化有规律的移动。在对回波损耗波谷位置变化研究的基础上,为了能从信号线上下两个方向隔断弯曲信号线平行段之间的相互耦合干扰,设计了地线埋入式叉指式共面波导,仿真结果与测试结果一致,地线埋入后回波损耗波谷位置有显著变化,并且波谷的位置也随结构参数的变化有规律的移动。 本文设计的开关线型移相器是以叉指式共面波导结构为传输路径,静电开关采用的是并联电容式开关,开关上极板为卍型,由四个L型梁支撑,采用有限元仿真的方法分析了各结构参数对有效弹性系数的影响,简要分析了开关的静电激励以及电磁模型。三位移相器是由0/450、0/900、0/1800三个一位移相器连接而成,共采用了9个静电开关,整体尺寸为5.5mm×7mm。对开关进行测试,驱动电压为36.5V,在6~15GHz范围内隔离度好于25dB;对移相位的测试,10GHz时测出的移相结果分别是38.10、94.70和188.30,相应的插入损耗分别为-6.6dB、-8.6dB和-9dB,这三种移相状态下的回波损耗都好于-31.5dB。 本文研究了叉指式共面波导以及开关线型移相器所涉及的工艺技术,确定合适的工艺方案和工艺参数,选用合适的材料,涉及的基本工艺包括溅射、电镀、光刻、刻蚀、研磨、牺牲层技术等,并根据器件设计和实验要求,改进了一些常规工艺以保证器件的成功制作。


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