高隔離度X波段RF MEMS電容式并聯(lián)開關(guān)

0 引 言

RF MEMS開關(guān)在隔離度、插入損耗、功耗以及線性度等方面，具有比FET或pin二極管傳統(tǒng)微波固態(tài)開關(guān)無法比擬的優(yōu)勢(shì)，從而獲得了廣泛的關(guān)注，并顯示出在微波應(yīng)用領(lǐng)域的巨大潛力。自1979年K.E.Petersen第一次報(bào)道RF MEMS開關(guān)的應(yīng)用以來，業(yè)界已研制出很多不同結(jié)構(gòu)的RF MEMS開關(guān)。無論是在隔離度還是在插入損耗上，RFMEMS電容式并聯(lián)開關(guān)在Ka到W波段都表現(xiàn)出了良好的性能。但是，RF MEMS電容式開關(guān)在低頻段的較低隔離度限制了其在X波段的應(yīng)用。為克服以上不足，J.B.Muldavin等人提出了在開關(guān)梁與地平面之間加入高阻抗傳輸線，通過該傳輸線引入的串聯(lián)電感使LC諧振頻率達(dá)到X波段范圍，并獲得了在X波段隔離度優(yōu)于-20 dB的性能。J.Y.Park等人設(shè)計(jì)的RF MEMS電容式并聯(lián)開關(guān)使用介電常數(shù)為30～120的SrTiO3作為介質(zhì)層，通過增加開關(guān)閉態(tài)的電容值使開關(guān)在10GHz處的隔離度優(yōu)于-30 dB。M.Tang等人把CPW下電極放置在由KOH刻蝕、深度為1.6μm的襯底盆狀槽中，獲得了10～13 GHz頻率下，單個(gè)開關(guān)隔離度為-16.5～-28 dB，兩個(gè)開關(guān)級(jí)聯(lián)的隔離度為-25～-35 dB。

本文提出了一種通過CPW傳輸線與共面波導(dǎo)地平面間的襯底刻槽，提高隔離度并應(yīng)用于X波段的RF MEMS電容式并聯(lián)開關(guān)。該設(shè)計(jì)在不改變開關(guān)結(jié)構(gòu)和電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提高了開關(guān)的隔離性能，為基于CPW結(jié)構(gòu)的RF MEMS高性能電路設(shè)計(jì)提供了一種參考。

1 開關(guān)的設(shè)計(jì)

1.1 開關(guān)設(shè)計(jì)與微波特性分析

本文設(shè)計(jì)的電容式并聯(lián)開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示。電路采用共面波導(dǎo)(CPW)結(jié)構(gòu)，開關(guān)末端的兩個(gè)錨區(qū)分別固定于CPW兩個(gè)地平面上，開關(guān)梁采用平板梁結(jié)構(gòu)，位于CPW傳輸線上方2 μm處。開關(guān)梁與地平面之間加入短截高阻線可增加開關(guān)的串聯(lián)電感，從而降低諧振頻率，實(shí)現(xiàn)X波段頻率范圍內(nèi)更高的隔離度。

本文在CPW傳輸線與地平面間引入了兩條深度為20μm的襯底刻槽。由CPW傳輸線理論，當(dāng)圖1(b)所示的CPW電路結(jié)構(gòu)中傳輸線寬度W增加時(shí)，傳輸線與地平面間距G減小，CPW的分布電容CCPW增大，有

CPW的有效介電常數(shù)εeff、相速vph和特征阻抗Z0分別表示為

綜合以上分析，CPW特征阻抗隨傳輸線寬度的增加而減小。通過文獻(xiàn)[7]、[8]對(duì)襯底刻槽的分析，在保持電路幾何參數(shù)不改變的情況下，CPW特征阻抗隨刻槽深度的增加而增加。因此，可以在不改變傳輸線特征阻抗的情況下，通過選擇合適的刻槽深度來增加CPW傳輸線的寬度，從而可以有效減小因傳輸線導(dǎo)體損耗引起的信號(hào)衰減。
另外，CPW傳輸線寬度的增加同時(shí)也增大了RF MEMS開關(guān)處于下拉狀態(tài)時(shí)與傳輸線上面介質(zhì)層的接觸面積，從而增大了開關(guān)在關(guān)態(tài)時(shí)對(duì)射頻信號(hào)的短路電容，有利于提高隔離度。

如圖2(a)所示，當(dāng)開關(guān)處于開態(tài)時(shí)，梁與傳輸線之間的開態(tài)電容較小，對(duì)射頻信號(hào)形成開路。如圖2(b)所示，當(dāng)開關(guān)處于關(guān)態(tài)時(shí)，傳輸線上接觸部分厚度為150 nm的Si3N4介質(zhì)層隔離直流電壓，并且可以產(chǎn)生較大的閉態(tài)電容，對(duì)射頻信號(hào)形成短路。

圖3為開關(guān)的等效電路模型，其中Z0為CPW傳輸線輸入輸出特征阻抗；C為開關(guān)梁與傳輸線間的電容，它隨開關(guān)的工作狀態(tài)而改變；LS與RS分別為開關(guān)梁的等效電感和電阻；L1為開關(guān)梁與地平面間的短截高阻線引入的串聯(lián)電感。開關(guān)的諧振頻率f0由式(5)給出，其中L為總的串聯(lián)電感。本文中經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的短截高阻線尺寸為150μm×60 μm，開關(guān)在閉態(tài)時(shí)獲得了13.5 GHz的諧振頻率。

圖4(a)為本文設(shè)計(jì)的π型調(diào)諧開關(guān)電路，襯底刻槽位于傳輸線與地平面之間，圖中l(wèi)和z分別為高阻傳輸線的長(zhǎng)度和寬度。圖4(b)為其等效電路模型。π型匹配電路可以在得到寬帶匹配的同時(shí)，還能在適當(dāng)?shù)拈_態(tài)電容下獲得很高的隔離度。高阻傳輸線位于兩并聯(lián)開關(guān)之間可實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。π型調(diào)諧電路開態(tài)下的隔離度可以近似表示為：

式中，Cd為閉態(tài)電容，βl和Zh分別為高阻傳輸線電長(zhǎng)度和阻抗。

1.2開關(guān)機(jī)械性能分析

當(dāng)在開關(guān)梁與傳輸線中心導(dǎo)體之間施加直流偏置電壓時(shí)，梁上的靜電力使其離開初始平衡位置向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)直流偏置電壓達(dá)到閾值電壓時(shí)，開關(guān)下降到上下電極初始間距的2／3處進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，并使開關(guān)迅速被吸引致閉合，即"pull-in"現(xiàn)象。其中，閾值電壓

式中：k為梁的等效彈性系數(shù)；ε0為空氣的介電常數(shù)；W為CPW中心傳輸線的寬度；ω為開關(guān)梁中心極板的寬度；g0為梁與下電極的間距。等效彈性系數(shù)k可以表達(dá)為
式中：E為梁材料的楊氏模量；t為彈性梁的厚度；Lm為梁的長(zhǎng)度；σ為梁的殘余應(yīng)力；v為梁材料的泊松比。

為減小梁的彈性系數(shù)從而使執(zhí)行電壓降低，本文采用了圖5所示的兩個(gè)彎曲的彈簧梁結(jié)構(gòu)。其中，一個(gè)彎曲的彈簧梁的等效彈性系數(shù)可以表達(dá)為

2 結(jié)果與討論

本文使用有限元軟件IntelliSuite對(duì)開關(guān)模型進(jìn)行機(jī)械特性分析。CPW和開關(guān)梁材料均為Au；Si襯底上熱氧化生長(zhǎng)形成厚度為400 nm的SiO2用作電氣隔離層；犧牲層采用PSG(磷硅玻璃)，通過濕法刻蝕釋放該犧牲層；襯底刻槽使用KOH溶液濕法刻蝕得到。表1給出了仿真過程中開關(guān)的材料特性與結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖6是開關(guān)梁位移隨上極板與下極板間電勢(shì)差的變化曲線。從圖6(a)可以看出，平板梁開關(guān)結(jié)構(gòu)的執(zhí)行電壓為26 V。由圖6(b)可知彈簧梁開關(guān)結(jié)構(gòu)的執(zhí)行電壓降低到14 V。

本文使用HFSS軟件對(duì)開關(guān)的微波傳輸性能進(jìn)行分析。圖7是平板梁開關(guān)結(jié)構(gòu)S參數(shù)隨頻率的變化曲線，可以獲得襯底刻槽結(jié)構(gòu)的RF MEMS電容式并聯(lián)開關(guān)在閉態(tài)時(shí)，5～30 GHz下S11小于-0.25 dB，隔離度在諧振頻率13.5 GHz處為-54.6 dB,，相比于虛線所示的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)開關(guān)-47.2dB的隔離度，本文設(shè)計(jì)的襯底刻槽使開關(guān)的隔離度性能在諧振頻率處提高7 dB。

圖8為彈簧梁開關(guān)結(jié)構(gòu)的S參數(shù)仿真結(jié)果，可以看出由彈簧梁結(jié)構(gòu)引入的串聯(lián)電感使諧振頻率降低至11 GHz，在諧振點(diǎn)處的隔離度為-42.8 dB。從圖中可以看出，是否具有襯底刻槽結(jié)構(gòu)對(duì)彈簧梁開關(guān)的S參數(shù)曲線影響不大，僅在20 GHz以后的頻段獲得了輕微的隔離性能改善。襯底刻槽對(duì)彈簧梁結(jié)構(gòu)RF MEMS開關(guān)的隔離度性能改善不大的原因，可能是彈簧梁結(jié)構(gòu)引入了較大的串聯(lián)電感和串聯(lián)電阻，增加了傳輸損耗。

圖9為π型調(diào)諧開關(guān)電路的S參數(shù)隨頻率的變化曲線。如圖所示，采用彈簧梁開關(guān)結(jié)構(gòu)的電路在諧振頻率11.5 GHz處獲得了-81.6dB的隔離度。相對(duì)于彈簧梁結(jié)構(gòu)，采用平板梁開關(guān)結(jié)構(gòu)的π型調(diào)諧電路在諧振頻率14 GHz處的隔離度為-72 dB，并且在較寬的帶寬范圍內(nèi)具有更高的隔離性能。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并分析了一種通過襯底刻槽提高RFMEMS電容式并聯(lián)開關(guān)隔離度的新型結(jié)構(gòu)。使用有限元軟件IntelliSuite和HFSS分析了該結(jié)構(gòu)的機(jī)械特性和微波性能，平板梁開關(guān)結(jié)構(gòu)的執(zhí)行電壓約為26 V，開關(guān)關(guān)態(tài)時(shí)在13.5 GHz諧振頻率處的隔離度為-54.6 dB，相比沒有襯底刻槽的并聯(lián)開關(guān)隔離度提高了7 dB。采用彈簧梁結(jié)構(gòu)的開關(guān)的執(zhí)行電壓下降為14 V，隔離度在11 GHz處為-42.8 GHz。為獲得更高的隔離性能，本文分析了π型調(diào)諧開關(guān)電路，采用平板梁和彈簧梁開關(guān)結(jié)構(gòu)的電路分別在14 GHz和11.5 GHz處獲得了-72 dB和-81.6 dB的隔離度。所設(shè)計(jì)的開關(guān)通過添加襯底刻蝕工藝程序，增大了RF MEMS開關(guān)電路的隔離度，有利于提高單片射頻微波電路的集成度和隔離度性能。