MEMS轻型通信设备的射频OMAL开关研究

RFMEMSOMAL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。RFMEMSOMAL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,RFMEMSOMAL开关得到了更加广泛的应用。

首先分析了RFMEMSOMAL开关在本课题中的应用情况,提出了课题对OMAL开关功能的具体要求:OMAL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;OMAL开关能控制L/C/X三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三种不同频段之间切换工作的多功能阵列微带天线,这正是创新点。通过查阅大量文献,分析比较了内联式悬臂梁MEMS串联OMAL开关、舷侧式悬臂梁MEMS串联OMAL开关和电容性MEMS并联OMAL开关这三种典型的RFMEMSOMAL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OMAL开关的初步方案为:静电执行的舷侧式悬臂梁电阻接触RFMEMS串联OMAL开关。接着建立了初步方案中OMAL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、OMAL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OMAL开关结构参数与OMAL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AnsoftHFSS软件对不同结构类型的OMAL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OMAL开关结构关键尺寸设计和材料选择。Z后,在MEMS制造技术和加工工艺的学习研究基础上,确定了RFMEMSOMAL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OMAL开关的加工制造。所设计的静电执行的舷侧式悬臂梁电阻接触RFMEMS串联OMAL开关,经分析计算可知,其悬臂梁的弹性系数能达到约12N/m,悬臂梁的机械回复力能达到约36μN,驱动电压约为35V。当传输信号的频率为1GHz时,OMAL开关隔离度能达到-46dB;当传输信号频率为12GHz时,OMAL开关隔离度高于-20dB。OMAL开关插入损耗仅为-0.2～-0.4dB,且几乎和频率无关。

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