高隔离度X波段RF MEMS电容式并联开关

0 引 言

RF MEMS开关在隔离度、插入损耗、功耗以及线性度等方面，具有比FET或pin二极管传统微波固态开关无法比拟的优势，从而获得了广泛的关注，并显示出在微波应用领域的巨大潜力。自1979年K.E.Petersen第一次报道RF MEMS开关的应用以来，业界已研制出很多不同结构的RF MEMS开关。无论是在隔离度还是在插入损耗上，RFMEMS电容式并联开关在Ka到W波段都表现出了良好的性能。但是，RF MEMS电容式开关在低频段的较低隔离度限制了其在X波段的应用。为克服以上不足，J.B.Muldavin等人提出了在开关梁与地平面之间加入高阻抗传输线，通过该传输线引入的串联电感使LC谐振频率达到X波段范围，并获得了在X波段隔离度优于-20 dB的性能。J.Y.Park等人设计的RF MEMS电容式并联开关使用介电常数为30～120的SrTiO3作为介质层，通过增加开关闭态的电容值使开关在10GHz处的隔离度优于-30 dB。M.Tang等人把CPW下电极放置在由KOH刻蚀、深度为1.6μm的衬底盆状槽中，获得了10～13 GHz频率下，单个开关隔离度为-16.5～-28 dB，两个开关级联的隔离度为-25～-35 dB。

本文提出了一种通过CPW传输线与共面波导地平面间的衬底刻槽，提高隔离度并应用于X波段的RF MEMS电容式并联开关。该设计在不改变开关结构和电路结构的基础上提高了开关的隔离性能，为基于CPW结构的RF MEMS高性能电路设计提供了一种参考。

1 开关的设计

1.1 开关设计与微波特性分析

本文设计的电容式并联开关结构如图1所示。电路采用共面波导(CPW)结构，开关末端的两个锚区分别固定于CPW两个地平面上，开关梁采用平板梁结构，位于CPW传输线上方2 μm处。开关梁与地平面之间加入短截高阻线可增加开关的串联电感，从而降低谐振频率，实现X波段频率范围内更高的隔离度。

本文在CPW传输线与地平面间引入了两条深度为20μm的衬底刻槽。由CPW传输线理论，当图1(b)所示的CPW电路结构中传输线宽度W增加时，传输线与地平面间距G减小，CPW的分布电容CCPW增大，有

CPW的有效介电常数εeff、相速vph和特征阻抗Z0分别表示为

综合以上分析，CPW特征阻抗随传输线宽度的增加而减小。通过文献[7]、[8]对衬底刻槽的分析，在保持电路几何参数不改变的情况下，CPW特征阻抗随刻槽深度的增加而增加。因此，可以在不改变传输线特征阻抗的情况下，通过选择合适的刻槽深度来增加CPW传输线的宽度，从而可以有效减小因传输线导体损耗引起的信号衰减。
另外，CPW传输线宽度的增加同时也增大了RF MEMS开关处于下拉状态时与传输线上面介质层的接触面积，从而增大了开关在关态时对射频信号的短路电容，有利于提高隔离度。

如图2(a)所示，当开关处于开态时，梁与传输线之间的开态电容较小，对射频信号形成开路。如图2(b)所示，当开关处于关态时，传输线上接触部分厚度为150 nm的Si3N4介质层隔离直流电压，并且可以产生较大的闭态电容，对射频信号形成短路。

图3为开关的等效电路模型，其中Z0为CPW传输线输入输出特征阻抗；C为开关梁与传输线间的电容，它随开关的工作状态而改变；LS与RS分别为开关梁的等效电感和电阻；L1为开关梁与地平面间的短截高阻线引入的串联电感。开关的谐振频率f0由式(5)给出，其中L为总的串联电感。本文中经过优化设计的短截高阻线尺寸为150μm×60 μm，开关在闭态时获得了13.5 GHz的谐振频率。

图4(a)为本文设计的π型调谐开关电路，衬底刻槽位于传输线与地平面之间，图中l和z分别为高阻传输线的长度和宽度。图4(b)为其等效电路模型。π型匹配电路可以在得到宽带匹配的同时，还能在适当的开态电容下获得很高的隔离度。高阻传输线位于两并联开关之间可实现阻抗匹配。π型调谐电路开态下的隔离度可以近似表示为：

式中，Cd为闭态电容，βl和Zh分别为高阻传输线电长度和阻抗。

1.2开关机械性能分析

当在开关梁与传输线中心导体之间施加直流偏置电压时，梁上的静电力使其离开初始平衡位置向下运动。当直流偏置电压达到阈值电压时，开关下降到上下电极初始间距的2／3处进入不稳定状态，并使开关迅速被吸引致闭合，即"pull-in"现象。其中，阈值电压

式中：k为梁的等效弹性系数；ε0为空气的介电常数；W为CPW中心传输线的宽度；ω为开关梁中心极板的宽度；g0为梁与下电极的间距。等效弹性系数k可以表达为
式中：E为梁材料的杨氏模量；t为弹性梁的厚度；Lm为梁的长度；σ为梁的残余应力；v为梁材料的泊松比。

为减小梁的弹性系数从而使执行电压降低，本文采用了图5所示的两个弯曲的弹簧梁结构。其中，一个弯曲的弹簧梁的等效弹性系数可以表达为

2 结果与讨论

本文使用有限元软件IntelliSuite对开关模型进行机械特性分析。CPW和开关梁材料均为Au；Si衬底上热氧化生长形成厚度为400 nm的SiO2用作电气隔离层；牺牲层采用PSG(磷硅玻璃)，通过湿法刻蚀释放该牺牲层；衬底刻槽使用KOH溶液湿法刻蚀得到。表1给出了仿真过程中开关的材料特性与结构参数。

图6是开关梁位移随上极板与下极板间电势差的变化曲线。从图6(a)可以看出，平板梁开关结构的执行电压为26 V。由图6(b)可知弹簧梁开关结构的执行电压降低到14 V。

本文使用HFSS软件对开关的微波传输性能进行分析。图7是平板梁开关结构S参数随频率的变化曲线，可以获得衬底刻槽结构的RF MEMS电容式并联开关在闭态时，5～30 GHz下S11小于-0.25 dB，隔离度在谐振频率13.5 GHz处为-54.6 dB,，相比于虚线所示的传统结构开关-47.2dB的隔离度，本文设计的衬底刻槽使开关的隔离度性能在谐振频率处提高7 dB。

图8为弹簧梁开关结构的S参数仿真结果，可以看出由弹簧梁结构引入的串联电感使谐振频率降低至11 GHz，在谐振点处的隔离度为-42.8 dB。从图中可以看出，是否具有衬底刻槽结构对弹簧梁开关的S参数曲线影响不大，仅在20 GHz以后的频段获得了轻微的隔离性能改善。衬底刻槽对弹簧梁结构RF MEMS开关的隔离度性能改善不大的原因，可能是弹簧梁结构引入了较大的串联电感和串联电阻，增加了传输损耗。

图9为π型调谐开关电路的S参数随频率的变化曲线。如图所示，采用弹簧梁开关结构的电路在谐振频率11.5 GHz处获得了-81.6dB的隔离度。相对于弹簧梁结构，采用平板梁开关结构的π型调谐电路在谐振频率14 GHz处的隔离度为-72 dB，并且在较宽的带宽范围内具有更高的隔离性能。

3 结 论

本文设计并分析了一种通过衬底刻槽提高RFMEMS电容式并联开关隔离度的新型结构。使用有限元软件IntelliSuite和HFSS分析了该结构的机械特性和微波性能，平板梁开关结构的执行电压约为26 V，开关关态时在13.5 GHz谐振频率处的隔离度为-54.6 dB，相比没有衬底刻槽的并联开关隔离度提高了7 dB。采用弹簧梁结构的开关的执行电压下降为14 V，隔离度在11 GHz处为-42.8 GHz。为获得更高的隔离性能，本文分析了π型调谐开关电路，采用平板梁和弹簧梁开关结构的电路分别在14 GHz和11.5 GHz处获得了-72 dB和-81.6 dB的隔离度。所设计的开关通过添加衬底刻蚀工艺程序，增大了RF MEMS开关电路的隔离度，有利于提高单片射频微波电路的集成度和隔离度性能。