蒋菱[1]2005年在《射频收发模块中的 硅基MEMS移相器研究》文中研究说明射频/微波移相器做为调控电磁波相位的器件,是雷达探测、卫星通信、移动通信系统中的核心组件。与传统的移相器相比,RF MEMS移相器具有频带宽、损耗低、微型化、易于集成等特点,在射频电路,尤其是收发模块的应用中具有广泛前景。本文在分类介绍了加载线型RF MEMS相移器、开关线型RF MEMS相移器及反射型RF MEMS相移器的基础上,重点研究了一“位”数字式开关线型MEMS相移器及其重要组件--并联接触式MEMS开关。由于开关线型MEMS移相器的工作电压决定于并联接触式MEMS开关的下拉电压,本文利用双端固定、双端驱动的力电模型代替以往双端固定、单端驱动的力电模型对并联接触式MEMS开关的下拉电压模型进行了较为精确的理论修正。与实验结果比对表明:经修正的模型误差小于1%,较之传统模型10%的误差有很大提高。这是本文的创新工作之一。在双驱动模型的基础上,提出优化并联接触式MEMS开关的下拉电压可通过减小电极间距、降低初始桥高、减薄桥厚、缩短桥长及加宽电极宽度等方法。在多次流片的基础上,通过合理选材和设计优化工艺结构制备了一“位”数字式开关线型MEMS移相器。该移相器在10GHz的中心频率下,相移量为45. 27°(相误差为7. 9%),这是本论文的另一个创新工作。在50M-40GHz的全频段范围内,移相器相误差≤10%,插入损耗小于-1. 7dB。最后,本文对加载线型MEMS相移器进行了研究,设计制备的相移器在50M-40GHz的全频段范围内,插入损耗小于-3dB,相移范围在0°-250°之间。本文设计理论合理,选材、工艺安排及测试方案切实可行。理论分析方法、分析结论、工艺设计及实验结果、对并联接触式MEMS开关、数字式开关线型MEMS移相器及加载线型MEMS移相器器件下一步深入研究提出了建设性意见。
郁元卫[2]2012年在《射频MEMS可重构单片电路研究》文中研究说明多模多频无线通信、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,创新性地将叁个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。
陈光红[3]2005年在《射频MEMS开关的制作工艺研究及其直流特性测试》文中指出射频MEMS开关与目前射频系统中所使用的PIN二极管开关和MESFET开关相比,具有更低的插入损耗、更高的隔离度、更好的线性、更低的功耗和可应用频带更宽。利用射频MEMS开关可制作移相器、开关式滤波器、开关阵列等,应用于雷达、卫星通信、无线通信等系统中。本课题主要研究接触式射频MEMS开关的制作工艺及其直流特性。对接触式射频MEMS开关的电极、波导、触点、牺牲层、悬梁的制作工艺进行了研究,制作出射频MEMS开关样品,对开关的直流特性进行了测试和研究。研究金属的淀积和剥离工艺,解决了厚金的剥离问题,制作出金的厚度为2μm,信号线与地线之间的间距为8μm的波导;研究PECVD法生长氮化硅工艺,在牺牲层聚酰亚胺上生长出厚度为1μm的氮化硅,解决了在聚酰亚胺上生长氮化硅薄膜破裂的问题;研究ICP刻蚀氮化硅和等离子体刻蚀聚酰亚胺的工艺,成功地制作出悬梁,解决了释放牺牲层出现粘连的问题。本文用共聚焦显微镜测试氮化硅薄膜悬梁悬起的高度,确定出最适合接触式射频MEMS开关中使用的氮化硅生长工艺条件。用手动探针台测试接触式射频MEMS开关的通断特性,用显微镜测试开关的驱动特性,确定出开关的阈值电压为22-27V。用共聚焦显微镜测试开关加直流电压后的下拉高度,研究开关的悬梁在驱动电压下的弯曲程度及下降达到的最低位置。本文制作出的开关由于悬梁中存在残余应力,开关在加直流电压后触点不能下降到所需的高度与下电极接触,尚未实现开关的“导通”。
陈光红, 吴清鑫, 于映, 罗仲梓[4]2008年在《射频MEMS开关的研究》文中认为概述射频MEMS开关的研究背景及意义,介绍国内外射频MEMS开关的研究现状,列举出两种主要的射频MEMS开关:电容耦合并联式开关和金属-金属接触串联式开关的结构、工作原理、性能比较。
陆逸敏[5]2006年在《电容式RF MEMS并联开关的电磁干扰研究》文中提出由于射频MEMS器件能够满足通讯领域中系统小型化、高可靠及低成本的需求,并且具有加强系统稳定性和减少功耗方面的优势,因此射频MEMS器件在收发端网络的应用中极有竞争力,有望为无线电接收机的前端提供高性能开关和滤波器,为发射机功放输出端制备出高质量的片上匹配网络。目前在射频领域中运用的MEMS器件主要有微机械开关、微机械电感、可变电容、微机械谐振器、振荡器及滤波器等。射频MEMS开关是重要的射频MEMS器件,一些RF MEMS开关已经应用于部分微波系统的前端电路、数字电容器组和移相网络。但是RF MEMS开关要得到广泛的应用,还有很多的问题需要解决,还需要深入研究其各方面的性能。研究射频MEMS开关在开关过程中对信号的电磁干扰可提高射频MEMS开关的可靠性和稳定性,改进射频MEMS开关的设计,有利于构建可靠性和集成度更高的电路系统。本文从以下几个方面对射频MEMS开关的电磁干扰开展了研究。首先是在大量文献调研的基础上,总结了射频MEMS开关的研究现状与进展,列举了目前主要射频MEMS开关的结构,比较了各种结构的优缺点,选择了典型的射频MEMS开关:电容式并联RF MEMS并联开关作为研究的主要对象,并讨论了电容式并联RF MEMS开关的结构及各项性能参数。相对于其它MEMS开关,电容式MEMS并联开关适用于较高的频率(5—100GHz)。其次对电容式射频MEMS并联开关的电磁场进行了详尽的讨论和推导,对射频开关电磁干扰的特性和产生过程进行了说明。阐述了对射频MEMS开关产生的电磁干扰进行分析的必要性以及射频MEMS开关对波导中正常传播的高频信号进行干扰的原因和方式。接着深入研究了开关在开启过程中的动态特性及开关的开启时间,讨论了开关的各种尺寸对开关动态特性的影响并进行了模拟分析。因为开关的动态特性跟开关在开启过程中变化的电磁场紧密相关,开关对信号的干扰是由开关在开启过程中变化的电磁场产生的。然后对射频MEMS开关在不同工作状态下的电磁模型进行了分析,通过对开关电容在充电过程、膜桥运动过程、开关电容放电过程叁部分的研究认为射频MEMS开关产生的电磁干扰主要集中在开关电容的放电过程。影响干扰强度的主要因素是开关电容放电时间的长短、开关等效电阻及等效电感的大小。接着对各主要影响因素进行了分析,在此基础上研究了开关的各结构尺寸对开关开启产生的电磁干扰强度的影响,对高性能射频MEMS开关设计提供了理论依据。
董浩[6]2016年在《基于射频重构的弹载探测关键技术研究》文中认为针对目前战场复杂电磁环境以及敌方主动干扰对无线电引信造成的严重威胁,本文对基于射频重构技术的多频段无线电引信的关键技术开展研究。采用可重构射频前端,通过感知工作环境电磁信息自适应地选择工作频段,从而极大程度地提高其抗干扰能力。主要工作概括如下:(1)通过对目前几种可重构射频前端实现方法的分析,本文采用多通道集成的方式完成基于射频重构技术的弹载探测器方案设计,并阐述了各个部分的具体功能。确定将RF单刀双掷开关、电调谐滤波器、基于FPGA的数字下变频技术作为本文的研究重点。(2)采用多通道形式实现射频重构的关键部件之一是射频开关。本文结合弹载空间小、工作频段(X、Ka频段)的要求,采用RFMEMS实现单刀双掷开关。在详细分析两种典型串联、并联RFMEMS开关的工作原理及微波特性的基础上,完成了一种串并联相结合的RFMEMS单刀双掷开关的设计。并着重分析了开关插入损耗和隔离度性能参数。经仿真,在系统工作频率范围内截止开关的隔离度均低于-25dB,导通开关的插入损耗均优于-O.1dB,回波损耗均优于-20dB,从而验证了设计的正确性。(3)为节约弹载空间资源,本文在将射频信号混频以后采用同一中频处理电路。电调谐滤波器是选择两种频段第一中频信号的关键部件。本文采用微带线加载变容二极管的方式实现电调谐滤波器,并根据第一中频频率的设置完成仿真设计工作,通过Altium designer软件完成版图绘制,实测结果显示可调谐范围基本满足要求,并且插入损耗均优于-3dB。(4)为减轻信号处理芯片压力,本文对两种频段的数字采样信号均进行数字下变频处理,以降低数据流速率。文中对基于FPGA的数字下变频的实现进行研究,并在FPGA仿真软件中完成了基于cordic算法的NCO(数控振荡器)、多级级联CIC滤波器、多级HB滤波器以及分布式结构的FIR滤波器仿真设计。经对比matlab仿真结果,验证了各模块设计的正确性。
吴剑书[7]2009年在《MEMS轻型通信设备的射频开关研究与应用》文中研究说明RF MEMS开关作为射频/微波通信系统中实现信号路由转换的重要器件,在现代通信领域中越来越受到重视,已成为国际上的研究热点。RF MEMS开关具有尺寸小、插入损耗小、隔离度大、线性度好、较宽的工作频段、直流功率小等优点。因此,在空中轻型通信设备中,RF MEMS开关得到了更加广泛的应用。本文首先分析了RF MEMS开关在本课题中的应用情况,提出了课题对开关功能的具体要求:开关制作要以硅基为衬底,采用表面微加工技术,能与常规集成电路加工兼容,能与其他微电子电路集成;开关能控制L/C/X叁种不同频段信号的通断,并能与阵列微带天线集成制造,实现能在L/C/X叁种不同频段之间切换工作的多功能阵列微带天线,这正是本论文的创新点。通过查阅大量文献,分析比较了内联式悬臂梁MEMS串联开关、舷侧式悬臂梁MEMS串联开关和电容性MEMS并联开关这叁种典型的RF MEMS开关及各种驱动方式的优缺点,结合工艺可行性调研和课题具体要求,确定了开关的初步方案为:静电执行的舷侧式悬臂梁电阻接触RF MEMS串联开关。接着建立了初步方案中开关的力学模型和电磁模型,并对模型中的弹性系数、驱动电压、开关时间等力学性能参数和up态电容、down态电感、down态电阻、隔离度、插入损耗等电学性能参数进行了理论推导,总结出了开关结构参数与开关性能参数的内在联系。依据机电耦合设计方法,运用ANSYS和Ansoft HFSS软件对不同结构类型的开关进行耦合分析和模拟仿真,印证了理论分析的同时,比较总结出了满足课题要求的开关结构关键尺寸设计和材料选择。最后,在MEMS制造技术和加工工艺的学习研究基础上,确定了RF MEMS开关的制造工艺流程和加工版图,并送至成都中科院光电所进行开关的加工制造。本文所设计的静电执行的舷侧式悬臂梁电阻接触RF MEMS串联开关,经分析计算可知,其悬臂梁的弹性系数能达到约12 N/m,悬臂梁的机械回复力能达到约36μN,驱动电压约为35 V。当传输信号的频率为1GHz时,开关隔离度能达到-46dB;当传输信号频率为12GHz时,开关隔离度高于-20dB。开关插入损耗仅为-0.2～-0.4dB,且几乎和频率无关。
魏华征[8]2004年在《并联接触式射频MEMS开关的研究》文中进行了进一步梳理射频微电子系统(RF MEMS)器件以其优良的微波性能及多功能、低功耗、线性度好和低成本等优点正成为近年来无线移动通信领域的研究热点。RF MEMS开关由于具有其独特的优点，如低插入损耗、高隔离度、高线性度和低功耗等，更是在通信领域得到越来越多的研究与重视。目前，国际上各科研机构和公司也对开关作了深入的研究。 本论文着重研究应用频段低于10GHz的并联接触式RF MEMS开关，对开关的理论模型、开关的设计和制作等进行了分析与实验研究。在模拟分析的基础上，设计了变宽度的桥结构，在保证隔离度的情况下获得了较好的插入损耗，这是本论文的一大创新之处。利用高频分析软件分析MEMS开关的等效电路、电磁模型，提出了关于MEMS开关的等效电路参数的提取方法，较全面地分析了开关的结构及工作原理，这些都对开关的设计有一定的指导意义。MEMS开关的等效电路参数的提取也是本论文研究工作的一大特色。 在单片微波集成电路制作工艺的基础上，结合本实验室的工艺条件，在多次流片的基础上，对制备工艺中的一些关键步骤进行了创新和改进，制作了在频率低于10GHz时具有良好微波性能的RF MEMS开关。 最后，对开关进行了高频测试与分析。测试结果表明：开关的驱动电压为30V，在1-10GHz范围内的插入损耗均小于0.2dB，而在6GHz以下插入损耗低于0.1dB。同时对开关的S_(11)参数作拟合，得到的电容C_u约为38fF，这个值可以较好地与测试曲线吻合；在1-10GHz范围内的隔离度高于22dB，在5GHz以下隔离度高于28dB，对开关的S_(21)参数作拟合，得到电感和电阻分别为28pH和0.8Ω，这些值也能较好地与测试曲线吻合。
樊森[9]2014年在《硅基共面波导RF MEMS开关设计关键技术研究》文中提出射频微机电系统(RF MEMS)技术作为未来通信的核心技术,通过灵巧的设计,可以实现更复杂的功能,还具有更轻便、低能耗、低成本等特点。RF MEMS开关由于其高隔离、低损耗、小体积、易集成、优良线性度等特性,近年来成为国内外研究热点。完善开关设计,将其应用于可调射频器件如可调滤波器、可重构天线、移相器等已经成为研究的趋势。基于MEMS技术的射频开关和基于开关的可调射频器件在卫星、通信系统、各类雷达系统、新概念探测设备等领域具有巨大的应用前景。本文面向硅基共面波导(CPW) RF MEMS开关,从需求出发,针对其电磁,电路和力学特性进行建模分析。通过对上、下态电容,电感和电阻的计算分析,实现了开关电磁参数的精确提取；建立了开关的电路模型,进行了电路模型中电参数射频性能分析；分析计算了开关弹性系数,建立了静电驱动下的静态和动态变形分析,并对低驱动电压设计方法进行了研究。在对模型分析的基础上,分析了影响开关射频性能的因素,引入了共面波导缺陷地(DGS)结构,有效地降低了开关的谐振频率。完成了低驱动电压开关、高隔离度开关、高可靠性开关、稳定电感直插式开关的设计、仿真及测试,并将其应用于模拟可调和数字可调滤波器设计中,验证了开关设计的有效性。设计完成了两套开关平坦化MEMS加工方案,对开关和可调滤波器进行了加工测试,分析了测试结果,验证了理论模型,给出了工艺改进方案。主要创新点如下：1.提出了一种开关电容精确计算方法提出了一种求解MEMS开关上态电容的方法,将带有MEMS桥的共面波导等效成两组微带线,通过精确计算微带线电容,实现RF MEMS开关上态电容的精确提取。其准确性在参数提取后的有限元结构仿真和电路模型仿真对比中得到了验证。2.构建了一种基于缺陷地结构的电感可调开关模型在开关电磁模型分析的基础上,提出将共面波导传输线的缺陷地结构引入硅基共面波导MEMS开关设计中。根据电磁参数的提取,验证了缺陷地额外电感的引入。在不改变开关尺寸的前提下,该结构增加了开关的设计维度,为电容式开关谐振频率的低频化设计提供了一种有效的解决方案。通过开关的设计、仿真及测试验证了其有效性。3.提出了一种电容式MEMS开关射频性能优化设计方法研究了开关梁几何尺寸和梁上释放孔对射频性能隔离度和插入损耗的影响,分析了影响电容式开关谐振频率的因素,包括极板相对面积、介质层间距和介电常数、梁结构本身电感和缺陷地引入电感对谐振频率的影响,提出了一种开关射频性能优化设计的方法。4.研制了多款高性能MEMS开关根据对开关性能需求的不同,设计了两款低驱动电压开关,包括圆弧弯曲梁开关和双弯曲梁开关,开关在保证隔离度的同时驱动电压测试低于30V；两款高隔离度电压开关,包括糖果形开关和混合式开关,在工作频率范围内隔离度优于-40dB；两款高可靠性开关,包括仿生物神经细胞结构的仿生式和四通式开关；多款稳定电感的直插式开关,避免了开关梁电感对谐振频率的影响,便于电感的准确设计。开关谐振频率设计包括Ku至Ka波段。通过理论模型分析提取了其特性参数,并将其加工测试。5.实现了基于MEMS开关的模拟、数字可调滤波器一体化设计在对开关设计和参数提取的基础上,对开关、滤波器进行一体化设计,将设计的新型低驱动电压圆弧弯曲梁开关应用于滤波器设计,完成了基于K倒相器的模拟可调滤波器和槽线半波耦合数字可调滤波器设计。进行了可调滤波器的加工,开关驱动电压低于30V,模拟可调频率范围为20.26GHz至26.15GHz,数字可调频率为19.2GHz,19.9GHz,20.5GHz,21.7GHz。测试验证了基于开关的可调滤波器一体化设计的有效性。6.设计了MEMS开关平坦化工艺提出了采用多次涂胶干法刻蚀结合胶体自流平效应的开关表面平坦化加工工艺,加工粗糙度低于100A。完成了金梁和铝梁开关结构的加工、测试和分析。分析了测试结果,验证了影响开关谐振频率漂移的因素,在对开关失效分析的基础上提出了工艺改进方案。论文最后对研究工作进行了总结,给出了进一步研究的方向。
张宇峰[10]2007年在《毫米波MEMS开关和MEMS移相器的研究》文中指出射频微电子机械系统(RF MEMS)技术在现代通信领域中越来越受到重视。开关是射频电路中的重要元件，具有低插入损耗、高隔离度、低开启电压、高可靠性的RF MEMS开关已经成为RF MEMS器件中的研究热点。基于MEMS开关的MEMS移相器具有频带宽、损耗低、微型化、易于集成等特点，在射频电路，尤其是天线阵列的应用中具有广泛前景。本文以国防重点实验室基金项目——毫米波MEMS天线阵列基础技术研究中的毫米波段MEMS开关和MEMS移相器为研究对象，从实际项目工程应用出发，分类介绍和设计了两种MEMS开关和叁种MEMS移相器。毫米波MEMS开关部分介绍电容耦合型和金属接触型两种MEMS开关，论述他们的基本原理、技术指标、工艺流程及一般实现方法，并分别进行了设计仿真。以降低开关的驱动电压为目标，提出了对于电容耦合型MEMS开关的悬梁改进的一些方案，并在设计金属接触型MEMS开关时借鉴了他们。毫米波MEMS移相器部分介绍了开关线型、分布式和反射型叁种MEMS移相器，论述了他们的基本原理以及设计时要考虑的种种因素，导入设计好的开关模型进行设计仿真。然后根据项目要求制备了金属接触型MEMS开关和反射型MEMS移相器，其实测性能与仿真性能相比基本一致，在某些测试数据上与仿真结果有一定误差，但已能满足工程项目应用的需要。由于受到各方面条件的限制，论文对本课题的研究还不够深入，因此在论文最后提出了课题进一步研究和发展的方向，为本课题的深入研究作了铺垫。
参考文献：
[1]. 射频收发模块中的 硅基MEMS移相器研究[D]. 蒋菱. 华东师范大学. 2005
[2]. 射频MEMS可重构单片电路研究[D]. 郁元卫. 南京大学. 2012
[3]. 射频MEMS开关的制作工艺研究及其直流特性测试[D]. 陈光红. 福州大学. 2005
[4]. 射频MEMS开关的研究[J]. 陈光红, 吴清鑫, 于映, 罗仲梓. 中国仪器仪表. 2008
[5]. 电容式RF MEMS并联开关的电磁干扰研究[D]. 陆逸敏. 东南大学. 2006
[6]. 基于射频重构的弹载探测关键技术研究[D]. 董浩. 南京理工大学. 2016
[7]. MEMS轻型通信设备的射频开关研究与应用[D]. 吴剑书. 电子科技大学. 2009
[8]. 并联接触式射频MEMS开关的研究[D]. 魏华征. 华东师范大学. 2004
[9]. 硅基共面波导RF MEMS开关设计关键技术研究[D]. 樊森. 北京邮电大学. 2014
[10]. 毫米波MEMS开关和MEMS移相器的研究[D]. 张宇峰. 南京理工大学. 2007
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