高阻隔度X波段RF MEMS电容式并联开关
0 引 言
RF MEMS开关在阻隔度、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，然后取得了广泛的重视，并显现出在微波运用范畴的巨大潜力。自1979年K.E.Petersen第一次报导RF MEMS开关的运用以来，业界已研制出许多不同结构的RF MEMS开关。无论是在阻隔度仍是在插入损耗上，RFMEMS电容式并联开关在Ka到W波段都体现出了杰出的功能。可是，RF MEMS电容式开关在低频段的较低阻隔度约束了其在X波段的运用。为战胜以上缺乏，J.B.Muldavin等人提出了在开关梁与地平面之间参加高阻抗传输线，通过该传输线引进的串联电感使LC谐振频率到达X波段规模，并取得了在X波段阻隔度优于-20 dB的功能。J.Y.Park等人规划的RF MEMS电容式并联开关运用介电常数为30～120的SrTIO3作为介质层，通过添加开封闭态的电容值使开关在10GHz处的阻隔度优于-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，取得了10～13 GHz频率下，单个开关阻隔度为-16.5～-28 dB，两个开关级联的阻隔度为-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，进步阻隔度并运用于X波段的RF MEMS电容式并联开关。该规划在不改动开关结构和电路结构的基础上进步了开关的阻隔功能，为根据CPW结构的RF MEMS高功能电路规划供给了一种参阅。
1 开关的规划
1.1 开关规划与微波特性剖析
本文规划的电容式并联开关结构如图1所示。电路选用共面波导(CPW)结构，开关结尾的两个锚区别离固定于CPW两个地平面上，开关梁选用平板梁结构，坐落CPW传输线上方2 μm处。开关梁与地平面之间参加短截高阻线可添加开关的串联电感，然后下降谐振频率，完成X波段频率规模内更高的阻隔度。
本文在CPW传输线与地平面间引进了两条深度为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添加时，传输线与地平面距离G减小，CPW的分布电容CCPW增大，有
归纳以上剖析，CPW特征阻抗随传输线宽度的添加而减小。通过文献[7]、[8]对衬底刻槽的剖析，在坚持电路几许参数不改动的情况下，CPW特征阻抗随刻槽深度的添加而添加。因而，能够在不改动传输线特征阻抗的情况下，通过挑选适宜的刻槽深度来添加CPW传输线的宽度，然后能够有用减小因传输线导体损耗引起的信号衰减。
图3为开关的等效电路模型，其间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，它随开关的作业状况而改动；LS与RS别离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进的串联电感。开关的谐振频率f0由式(5)给出，其间L为总的串联电感。本文中通过优化规划的短截高阻线尺度为150μm×60 μm，开关在闭态时取得了13.5 GHz的谐振频率。
别的，CPW传输线宽度的添加一起也增大了RF MEMS开关处于下拉状况时与传输线上面介质层的触摸面积，然后增大了开关在关态时对射频信号的短路电容，有利于进步阻隔度。
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，对射频信号构成开路。如图2(b)所示，当开关处于关态时，传输线上触摸部分厚度为150 nm的Si3N4介质层阻隔直流电压，而且能够发生较大的闭态电容，对射频信号构成短路。
图4(a)为本文规划的π型调谐开关电路，衬底刻槽坐落传输线与地平面之间，图中l和z别离为高阻传输线的长度和宽度。图4(b)为其等效电路模型。π型匹配电路能够在得到宽带匹配的一起，还能在恰当的开态电容下取得很高的阻隔度。高阻传输线坐落两并联开关之间可完成阻抗匹配。π型调谐电路开态下的阻隔度能够近似表明为：
式中，Cd为闭态电容，βl和Zh别离为高阻传输线电长度和阻抗。 
当在开关梁与传输线中心导体之间施加直流偏置电压时，梁上的静电力使其脱离初始平衡位置向下运动。当直流偏置电压到达阈值电压时，开关下降到上下电极初始距离的2／3处进入不稳定状况，并使开关敏捷被吸引致闭合，即”pull-in”现象。其间，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为梁与下电极的距离。等效弹性系数k能够表达为
式中：E为梁资料的杨氏模量；t为弹性梁的厚度；Lm为梁的长度；σ为梁的剩余应力；v为梁资料的泊松比。
为减小梁的弹性系数然后使履行电压下降，本文选用了图5所示的两个曲折的绷簧梁结构。其间，一个曲折的绷簧梁的等效弹性系数能够表达为
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