论文部分内容阅读
多模多频无线通信、智能于机、雷达、卫星通信等对频率捷变高性能射频集成芯片的需求,使基于射频MEMS技术的可重构网络技术得到广泛的重视。国际上基于射频MEMS技术的可重构滤波器、可重构匹配网络、电扫描天线技术己获实现,部分射频MEMS开关已开始产品化。本论文工作基于国内已有的MEMS基础和工艺能力,致力于以高隔离MEMS开关、可调MEMS滤波器和毫米波MEMS移相器为代表的典型射频MEMS可重构单片电路的设计与实现,取得了一系列的创新成果。MEMS开关作为射频MEMS的基本单元,其可靠性成为重要的关注点。本论文开展了MEMS开关结构可靠性设计,在优化开关吸合电压和射频性能的同时,更关注接触力、回复力、接触电阻等影响MEMS开关接触可靠性的关键参数设计。利用一维简化模型,求解了静态机械特性的吸合电压和动态特性的开关时间的理论公式,分析了微结构应力特性,提出了MEMS开关结构应力在片测试的方法。分析了开关接触电阻特征,包括材料选择、微观接触机理和接触温度的分析,通过合理结构和接触设计的MEMS开关的工作寿命可以提高2数量级。设计的悬臂梁MEMS开关的微结构谐振频率大于50KHz,弹性系数70N／m,回复力182.6μN,开关隔离度-20dB@10GHz,达到国外商业化MEMS开关的微结构性能。研制的MEMS开关芯片实现了开关时间缩短为11μs,实现工作寿命为3.4×108次,耐功率为1.8W,其综合性能为目前国内MEMS开关的最高水平。针对单个MEMS开关单元隔离度不能满足射频前端信道选择应用等问题,本论文基于串并联电路结构,创新性地将三个MEMS开关单元集成到一个芯片。一方面充分利用共面波导传输线空间,使芯片面积仅有1mm×1.2mm,同MEMS开关单元芯片相当；另一方面,通过串联MEMS开关单元通态等效电感同并联MEMS开关单元断态等效电容的匹配设计,电路的反射损耗优于单个MEMS开关单元性能。研制的样品开关隔离度-40dB@@.1~13.5GHz,插入损耗-0.3dB,反射损耗小于-30dB,开关的驱动电压为60-80V,代表着目前国内高隔离MEMS开关的最高水平。近年来,可调MEMS滤波器的研究受到格外的关注。本论文设计了一种紧凑的无通孔型低损耗CPW到微带线转接接口,并同平行耦合微带线、MEMS开关单元以及偏置电路集成,设计和研制了一款Ku波可调MEMS滤波器单片电路,芯片尺寸为15.1mm×3mm。当控制电压为0V和70V时,滤波器的中心频率从15.05GHz切换到13.05GHz,可调率为14.2%,两个状态的通带带宽系数为10.2%,插入损耗为-3.6dB和-4.6dB,Q值为63-74,而带边带外抑制为30dB/GHz,同国外报道的类似可调MEMS滤波器相比,具有更好的带外抑制性能,并兼顾到低插入损耗和高Q性能。在毫米波MEMS移相器研究上,本论文实现了悬臂梁结构MEMS开关在Ka波段MEMS移相器中的应用,利用阶梯阻抗线实现了MEMS移相器电路匹配,在国内首次实现了基于悬臂梁MEMS开关结构的两位开关线型毫米波MEMS移相器。平均插入损耗-3.4dB@35GHz,低相移位相移误差<1.6°@0°-67.5°。,高相移位相移误差<9.1°@0°-270°,移相器驱动电压为60~80V,芯片尺寸为2.7mm×2.8mm。本工作验证了我们设计的悬臂梁MEMS开关可满足Ka波段应用。