X波段MEMS分布式移相器開關機電性能研究

摘 要:介紹一種應用于X波段MEMS分布式移相器的新型單元開關。MEMS分布式移相器具有高品質因數、低插損、低功耗和高隔離度的優點，但由于傳統MEMS開關采用固支梁結構，彈性系數過大，下拉電壓過高，無法與傳統電子系統相兼容，大大限制了其應用和發展。基于此設計一種新型單元開關，采用彈性彎曲結構取代傳統固支梁結構，并在MEMS金屬梁上刻蝕釋放孔，極大降低了單元開關的彈性系數，從而實現了超低下拉電壓6 V。通過理論分析，給出MEMS開關彈性系數、下拉電壓的解析公式，并使用ANSYS進行了仿真分析。

關鍵詞:X波段; 射頻微機電; 分布式移相器; 機電耦合性能

中圖分類號:TN911 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0001-03

Research on Electro-mechanical Performance of Switch for

MEMS Distributed Phaser Working in X Band

ZHANG Xiao-sheng1， BAO Jing-fu1， DU Yi-jia1， LI Ren-feng2

(1. Electronics Engineering College， University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 611731， China;

2. China Academy of Engineering Physics， Mianyang 621900， China)

Abstract: A novel switch used in X-band MEMS distributed phase shifter is presented. The conventional MEMS switches with clamped beam are limited by high driven voltage due to its large elastic coefficient though they have some excellent merits， such as high quality factor， low loss， low power consumption and high isolation，. A novel basic switch which employs the elastic bending structure instead of conventional clamped beam is designed to decline the driven voltage. Some small release holes are sculptured in the MEMS beam to reduce the elastic coefficient rapidly and achieve the low driven voltage(6 V). The elastic coefficient and analytical equations of the driven voltage for MEMS switch are given after theoretical analysis. The simulation analysis are performed with the software ANSYS.

Keywords: X-band; MEMS; distributed phase shifter; electromechanical coupling performance

0 引 言

移相器是無線通信系統中的基本部件，是構成相控陣雷達、微波毫米波接收發機的關鍵單元，其品質因數、插損和移相精度都對整個系統具有重大影響。傳統的移相器，通常采用鐵氧體材料、PIN管和FET構成[1-2]，開關速度快，移相精度高，但是功耗較大，品質因數和插損性能隨頻率增大而降低，無法滿足快速發展的無線通信系統需求。

RF-MEMS(Ratio Frequency Micro-electro-mechanical System)是將新興的MEMS技術應用于射頻電路中所形成的交叉學科。MEMS本身具有直流零功耗(理論上)、低插損、高品質因數Q和高隔離度的優點[3-4]，因此RF-MEMS一經提出，就獲得了國內外諸多學者的關注，成為了學術研究熱點，發展迅速。RF-MEMS移相器品質因數很高，損耗較低，在8～100 GHz范圍內性能更加優越。同時，由于MEMS開關處于up態時電容值很小，所以相比于傳統移相器具有更寬的帶寬。……