高隔离度X波段RF MEMS电容传感器串联电源开关

0 引 言

RF MEMS电源开关在隔离度、插损、功能损耗及其线性等层面，具备比FET或pin二极管传统式微波加热固体电源开关无可比拟的优点，进而得到了普遍的关心，并展现出在微波加热主要用途的极大发展潜力。自1979年K.E.Petersen第一次报导RF MEMS电源开关的运用至今，业内已研发出许多不一样构造的RF MEMS电源开关。不论是在隔离度或是在插损上，RFMEMS电容传感器串联电源开关在Ka到W股票波段都呈现出了较好的特性。可是，RF MEMS电容传感器电源开关在高频段的较低隔离度限定了其在X波段的运用。为摆脱之上不够，J.B.Muldavin等明确提出了在电源开关梁与地平面图中间添加高特性阻抗同轴电缆，根据该同轴电缆引进的串连电感器使LC串联谐振做到X波段范畴，并获取了在X波段隔离度好于-20 dB的特性。J.Y.Park等制定的RF MEMS电容传感器串联电源开关应用相对介电常数为30～120的SrTIO3做为物质层，根据提升开关掉态的电容器值使电源开关在10GHz处的隔离度好于-30 dB。M.Tang等把CPW下电级置放在由KOH离子注入、深层为1.6μm的衬底盆状槽中，得到 了10～13 GHz頻率下，单独电源开关隔离度为-16.5～-28 dB，2个电源开关联级的隔离度为-25～-35 dB。

文中指出了一种根据CPW同轴电缆相融面光波导入的地平面图间的衬底刻槽，提升隔离度并运用于X波段的RF MEMS电容传感器串联电源开关。该设计方案在没有更改电源开关构造和线路构造的根基上增强了按钮的防护特性，为根据CPW构造的RF MEMS性能卓越电路原理带来了一种参照。

1 电源开关的设计方案

1.1 电源开关设计方案与微波加热特点剖析

文中制定的电容传感器串联电源开关构造如图所示1所显示。电源电路选用共面光波导入的(CPW)构造，电源开关尾端的2个锚区各自稳固于CPW2个地表面上，电源开关梁选用平板电脑梁构造，坐落于CPW同轴电缆上边2 μm处。电源开关梁与地平面图中间添加短截高阻线可提升电源开关的串连电感器，进而减少串联谐振，完成X波段頻率范畴内高些的隔离度。

文中在CPW同轴电缆与地平面图间引进了两根深层为20μm的衬底刻槽。由CPW传输线理论，当图1(b)所显示的CPW电源电路构造中同轴电缆总宽W提升时，同轴电缆与地平面图间隔G减少，CPW的分布电容CCPW扩大，有

综合性上述剖析，CPW特点特性阻抗随同轴电缆总宽的提高而减少。根据参考文献[7]、[8]对衬底刻槽的剖析，在维持电源电路几何图形主要参数不发生变化的情形下，CPW特点特性阻抗随刻槽深层的提高而提升。因而，能够不在更改同轴电缆特点特性阻抗的情形下，根据选取适宜的刻槽深层来提升CPW同轴电缆的总宽，进而能够有效的减少因同轴电缆电导体耗损造成的讯号衰减系数。

图3为电源开关的闭合电路实体模型，在其中Z0为CPW同轴电缆I/O特点特性阻抗；C为电源开关梁与同轴电缆间的电容器，它随电源开关的运行状态而更改；LS与RS各自为电源开关梁的等效电路电感器和电阻器；L1为电源开关梁与地平面图间的短截高阻线引进的串连电感器。电源开关的串联谐振f0由式(5)得出，在其中L为总的串连电感器。文中中历经可靠性设计的短截高阻线规格为150μm×60 μm，电源开关在闭态时得到了13.5 GHz的串联谐振。

此外，CPW同轴电缆总宽的增多与此同时也扩大了RF MEMS电源开关处在往下拉情况时与同轴电缆上边物质层的触碰总面积，进而扩大了电源开关在关态时对射频信号的短路故障电容器，有益于提升隔离度。

如图所示2(a)所显示，当电源开关处在开态时，梁与同轴电缆中间的开态电容器较小，对射频信号产生引路。如图所示2(b)所显示，当电源开关处在关态时，同轴电缆上触碰一部分薄厚为150 nm的Si3N4物质层防护交流电压，而且还可以形成很大的闭态电容器，对射频信号产生短路故障。

图4(a)为文中制定的π型自动调谐电路，衬底刻槽坐落于同轴电缆与地平面图中间，图上l和z各自为高阻同轴电缆的尺寸和总宽。图4(b)为其闭合电路实体模型。π型配对电源电路能够在获得宽带网络配对的与此同时，还能在合理的开态电容器下得到很高的隔离度。高阻同轴电缆坐落于两串联电源开关中间可完成匹配电阻。π型自动调谐电源电路开态下的隔离度能够类似表达为：

式中，Cd为闭态电容器，βl和Zh各自为高阻同轴电缆电长短和特性阻抗。

当在电源开关梁与同轴电缆核心电导体中间增加直流电偏置电压时，主梁的静电力使其离去原始平衡位置往下健身运动。当直流电偏置电压做到阈值电压时，电源开关降低到左右电级原始间隔的2／3处进到不稳定情况，并使电源开关快速被吸引住致合闭，即"pull-in"状况。在其中，阈值电压



式中：k为梁的等效电路弹性系数；ε0为气体的相对介电常数；W为CPW核心同轴电缆的总宽；ω为电源开关梁核心极片的总宽；g0为梁与下电级的间隔。等效电路弹性系数k能够表述为

式中：E为梁原材料的杨氏模量；t为延展性梁的薄厚；Lm为梁的长短；σ为梁的内应力；v为梁原材料的弹性模量。

为减少梁的弹性系数进而使实行工作电压减少，文中选用了图5所显示的2个弯折的扭簧梁构造。在其中，一个弯折的扭簧梁的等效电路弹性系数能够表述为

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