硅基微波MEMS移相器研究.pdf

1、由于固體開關(guān)固有的半導(dǎo)體襯底損耗，金屬接觸層的損耗，半導(dǎo)體結(jié)的非線性以及寄生電容等因素使傳統(tǒng)的微波開關(guān)、移相器等存在信號傳輸效率低、制造成本高等缺點。微波MEMS移相器可以極低的微波損耗傳輸訊號，提高功率控制能力和寬帶應(yīng)用范圍，可以直接實現(xiàn)高密度封裝的微波多芯片模塊及單片子系統(tǒng)，而不必走分立方式或混合集成方式從而降低體積和重量，與集成電路兼容，成本低，在大型相控陣中可節(jié)省50-75％的T/R模塊。由于RF MEMS其主要應(yīng)用集中在軍事領(lǐng)

2、域，國外實行技術(shù)封鎖，我們無法學(xué)習(xí)和借鑒其技術(shù)，只有走自主研發(fā)這條路。 微波MEMS移相器主要包括了DMTL、反射式、開關(guān)線和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)型四種類型，從前國內(nèi)外大多數(shù)研究集中在DMTL移相器。其中數(shù)字DMTL移相器結(jié)構(gòu)要實現(xiàn)90°的相移約需8只以上的RF MEMS開關(guān)，而對于180°相移，則需要16只以上的RF MEMS開關(guān)來實現(xiàn)。反射式移相器在X波段的Lange耦合器占據(jù)了大的芯片面積，使用高阻硅作襯底，損耗較大。論文擯棄先前國內(nèi)

3、外大多數(shù)研究DMTL移相器，利用開關(guān)線移相器和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)移相器原理，分別設(shè)計了X波段4位開關(guān)線型MEMS移相器、3位高低通開關(guān)網(wǎng)絡(luò)型MEMS移相器和5位緊湊型開關(guān)線型MEMS移相器。 論文從高阻硅的基本微波特性(高阻硅正切損耗)入手，對微波傳輸線(微帶線、共面波導(dǎo)傳輸線CPW)、集總元件(螺線電感、MIM電容、梳齒狀電容)和偏置電路(四分之一波長傳輸、高阻隔離線、通孔、過孔等)進(jìn)行設(shè)計，通過ADS設(shè)計、仿真，工藝加工，并通過檢測設(shè)

4、計的PCM圖形的微波特性結(jié)果證明實際結(jié)果與設(shè)計結(jié)果完全吻合。論文巧妙地運(yùn)用四分之一波長傳輸線、高阻線、螺線電感和接地電容等手段以及新穎的RF MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了微波信號與直流驅(qū)動信號的有效隔離，具創(chuàng)新性。 論文首次系統(tǒng)的探討了硅基通孔的形狀(正方形、八角形、圓形)、輸入線寬度、通孔直徑、硅基厚度、不同襯底的相同尺寸通孔性能比較、最佳外通孔直徑與內(nèi)通孔直徑的間距等對通孔微波接地性能的影響，并得到最佳通孔設(shè)計結(jié)果。利用通孔技術(shù)

5、和雙零點設(shè)計的“雙調(diào)諧傳輸零點微機(jī)械微波濾波器”被受理發(fā)明專利。 論文設(shè)計和研制了膜橋開關(guān)、三端口開關(guān)和四端口懸臂梁式開關(guān)等十多種RF MEMS開關(guān)。建立了各種類型開關(guān)的電路模型、設(shè)計方法、工藝制作方法，分析了提高RF MEMS開關(guān)性能的途徑；通過調(diào)整開關(guān)結(jié)構(gòu)和介質(zhì)層改良工藝，利用RF MEMS開關(guān)測試結(jié)果，進(jìn)行了開關(guān)等效電路模型參數(shù)的提取，得到了比傳統(tǒng)計算公式更精確的電路模型參數(shù)。設(shè)計的三端口開關(guān)和四端口懸臂梁式開關(guān)結(jié)構(gòu)新穎，

6、并有效地運(yùn)用于新型微波MEMS移相器中，“一種驅(qū)動電壓通路與射頻信號隔離的微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)”獲實用新型專利。 論文給出了針對X波段的微波移相器的4位開關(guān)線型MEMS移相器、3位高低通開關(guān)網(wǎng)絡(luò)型MEMS移相器、5位緊湊型開關(guān)線型MEMS移相器的基本原理和設(shè)計思路，建立了電路拓?fù)洌M(jìn)行了相關(guān)的公式推導(dǎo)，給出了設(shè)計依據(jù)、仿真結(jié)果。進(jìn)行了工藝設(shè)計和工藝制作，測試結(jié)果表明在小相位上具有良好的相移特性?！吧漕l微機(jī)械系統(tǒng)移相器”獲實用新型專利2

7、項。 論文開展了鐵電薄膜移相器的關(guān)鍵材料BST的研究，通過合適的Ba/Sr配比、控制原材料的顆粒度、燒結(jié)溫度、時間以及加入微量添加劑MnO<,2>、MgO、SiO<,2>、Fe<,2>O<,3>，研制出介電常數(shù)可達(dá)2500的BST靶材，通過堇青石玻璃陶瓷復(fù)合介質(zhì)材料，使BST介電常數(shù)連續(xù)可調(diào)，使用發(fā)泡劑、助泡劑型的添加劑以緩解靶材內(nèi)應(yīng)力，通過BST靶材壓應(yīng)力機(jī)械加固提高靶材熱穩(wěn)定性，有效解決了靶材易龜裂的瓶頸問題。通過磁控濺射制