RF-MEMS諧振器的性能優(yōu)化研究

代雪梅　張曉青

摘要：針對(duì)MEMS諧振器進(jìn)行了電路的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了高增益諧振器接口電路，仿真表明，優(yōu)化后諧振器的插入損耗由62dB減至0.51dB，提升了諧振器在通信中的應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞：RF-MEMS諧振器;阻抗匹配網(wǎng)絡(luò);低插損

中圖分類(lèi)號(hào)：TN1705 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）06-0123-02

0 引言

隨著5G發(fā)展，射頻器件呈現(xiàn)出功耗低、體積小、頻率高、集成度高、微型化、多通帶、多模式的發(fā)展趨勢(shì)，傳統(tǒng)器件如石英晶振、陶瓷晶振等體積大、功耗高;而MEMS濾波器或者M(jìn)EMS振蕩器，可滿足未來(lái)無(wú)線通信的要求，具有廣闊的發(fā)展前景。

但MEMS諧振器存在機(jī)電轉(zhuǎn)換效率較低，插入損耗較高，能量傳輸受到衰減等問(wèn)題。因而，本文設(shè)計(jì)了接口電路對(duì)MEMS諧振器進(jìn)行性能優(yōu)化。

1 RF-MEMS圓盤(pán)諧振器的工作原理

本文的MEMS圓盤(pán)諧振器為利用高度對(duì)稱的面內(nèi)徑向伸縮模態(tài)產(chǎn)生諧振的徑向振動(dòng)具有非常大的彈性系數(shù)，具有很高的諧振頻率和品質(zhì)因子Q[1]。

為分析諧振器特性，通常采用機(jī)電模擬方法[2]。諧振器的等效模型如圖1所示。

其中，，，。為電極與圓盤(pán)間靜態(tài)電容，為輸入端機(jī)電耦合系數(shù)，為輸出端機(jī)電耦合系數(shù)，為有效剛度，為有效質(zhì)量，為阻尼系數(shù)。當(dāng)諧振器的諧振頻率為ω0，施加的直流偏置電壓為Vi時(shí)，動(dòng)態(tài)電阻Rx可表示為[3]：

，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中，Q為諧振器的品質(zhì)因子，ε0為空氣介電常數(shù)，A為電容極板面積，d為電容間隙。

受限導(dǎo)致電容間隙難以繼續(xù)減小，因而MEMS諧振器的動(dòng)態(tài)阻抗較大，插入損耗較高。

2 接口電路設(shè)計(jì)

2.1 輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

針對(duì)MEMS諧振器的高阻特性，引入L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

其中Rx為信號(hào)源阻抗，RL為負(fù)載阻抗，jB和jX分別為電感、電容。若：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

則有：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

（4）

（5）

（6）

通過(guò)式（6）即可計(jì)算出電路阻抗匹配所設(shè)計(jì)的電容的數(shù)值。

2.2 兩級(jí)放大電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)阻抗匹配的MEMS諧振器仍有近40dB的插入損耗，且MEMS諧振器的輸出為微弱的電流高頻信號(hào)，需采用互阻抗放大器（TIA）提取微弱的電流信號(hào)，并在放大的同時(shí)抑制噪聲，采用兩級(jí)放大的方案。兩級(jí)放大電路的第一級(jí)采用微分跨阻放大;第二級(jí)采用反相電壓放大，電路如圖3所示。

3 仿真結(jié)果與分析

經(jīng)阻抗匹配后，插入損耗從62dB降低至了37.33dB，降低了放大電路的增益需求。兩級(jí)放大電路的頻譜圖如圖4所示。增益在40-200MHz以內(nèi)較為平坦，在頻率為150.7MHz時(shí)，電路的增益達(dá)到36.73dB，能夠有效補(bǔ)償MEMS諧振器的插入損耗。

將放大電路與阻抗匹配后諧振器輸出頻譜級(jí)聯(lián)仿真，如圖5所示。峰值處，插入損耗由37.33dB降至0.51dB，表明所設(shè)計(jì)的放大電路有效降低了諧振器的插入損耗。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)增加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、兩級(jí)放大電路對(duì)高阻抗、高中心頻率、高品質(zhì)因子的MEMS諧振器的性能進(jìn)行了優(yōu)化，降低了MEMS諧振器的插入損耗、提高了傳輸性能，插入損耗及傳輸性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)MEMS諧振器的實(shí)用推廣具有參考價(jià)值，提升了MEMS諧振器的應(yīng)用潛力。

參考文獻(xiàn)

[1] J. R. Clark， W. T. Hsu， C. T. C. Nguyen. High-Q VHF micromechanical contour-mode disk resonators[C]. Proceedings of the IEEE International Technical Digest Electron Devices Meeting（IEDM），2000，F(xiàn) 10-13Dec.2000.

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[4] [美]W·O·亨利.電子系統(tǒng)噪聲抑制技術(shù)[M].北京：人民鐵道出版社，1978：209-239.

Study on Performance Optimization of RF-MEMS Resonators

DAI Xue-mei，ZHANG Xiao-qing

（School of Instrument Science and Opto Electronics Engineering， Beijng Information Science &Technology University，Beijing 100192）

Abstract：A circuit-based performance optimization design for MEMS resonators was done. Foran RF-MEMS resonator， a high gain resonator interface circuit was designed.The simulation results showthe insertion loss of the resonator after performance optimization is reduced from 62dBto 0.51 dB.

Key words：RF-MEMS resonator; impedance matching network; low insertion loss