基于RFMEMS技術(shù)的微波接收前端關(guān)鍵部件實(shí)現(xiàn)研究

1、基于RF MEMS技術(shù)的微波接收前端關(guān)鍵部件實(shí)現(xiàn)研究【摘要】：射頻前端系統(tǒng)是通訊系統(tǒng)和外部環(huán)境的中間橋梁，而這些 前端數(shù)據(jù)的處理、存儲和傳輸技術(shù)的地位越來越重要，高集成密度的 多功能、小型化、低成本的無線電終端將是通信技術(shù)的主要發(fā)展方向。 目前的通信系統(tǒng)中仍有大量不可或缺的片外分立元件，例如電感、可變電容、濾波器、耦合器、移相器、開關(guān)陣列等，成為限制系統(tǒng)尺寸 進(jìn)一步縮小的瓶頸，并且通訊線路的擁擠和多路信道和互相干擾和下 一代的通訊都在向毫米波和亞毫米波方向發(fā)展也對射頻前端提出了 新的挑戰(zhàn)。針對目前這種情況，本文把微波 RFMEMS的技術(shù)運(yùn)用到 微波毫米波射頻前端系統(tǒng)上，著重研究了射頻前端的兩種

2、關(guān)鍵部件 RFMEMS可重構(gòu)天線和可重構(gòu)濾波器。本論文的主要研究內(nèi)容和取 得創(chuàng)新成果如下：A .在分析國內(nèi)外射頻前端的關(guān)鍵部件 RFMEMS 天線、濾波器的研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，使用微波慢波理論和運(yùn)用電磁仿 真軟件HFSS對微尺度下微機(jī)械RFMEMS天線、濾波器的電磁輻射 與耦合理論的數(shù)學(xué)建模與數(shù)值仿真、參數(shù)優(yōu)化等方面進(jìn)行了深入系統(tǒng) 的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，成功地制作了利用RF-MEMS開關(guān)和表面微 加工工藝實(shí)現(xiàn)的天線頻率可重構(gòu)，而輻射方向圖不變的微機(jī)械天線及 其MEMS可重構(gòu)分形低通濾波器。B .本文首次提出將RFMEMS開 關(guān)用在硅基縫隙天線上實(shí)現(xiàn)一種工作在 K_u波段共平面波導(dǎo)饋電的 天線，其

3、尺寸為10mM 10mm,使用開關(guān)來改變天線的輻射縫隙的長 度進(jìn)而使天線的諧振頻率發(fā)生改變， 而天線的輻射方向圖不變。此種C易發(fā)表用yiT 論女第表&家可重構(gòu)天線采用了微表面加工工藝制作，改變了傳統(tǒng)的以PCB作為天線基底制作天線的方法。天線重構(gòu)前后諧振頻率分別為12.7GHz和11.6GHz。C.本文運(yùn)用分形理論研究實(shí)現(xiàn)了頻率可重構(gòu)而輻射方 向圖不變的 Sierpinski、Minkowski、Single-ArmSpiral、Double-Ring 四種小型的單饋硅基 MEMS可重構(gòu)分形天線，其尺寸均為5X5mm2, 其中Minkowski、Double-Ring可重構(gòu)天線是本文首次

4、提出。經(jīng)測試， 其中Single-Arm、Double-Ring的重構(gòu)前后頻率相距較遠(yuǎn)，Single-Arm 天線重構(gòu)前諧振頻點(diǎn)在9.9GHz和30.3GHz,重構(gòu)后諧振頻率在5.2GHz和22.5GHz; Double-Ring天線重構(gòu)前諧振頻率在 16.9GHz和 25.8GHz,重構(gòu)后諧振頻率在7.3GHz和20.2GHz。測試得到Sierpinski、 Minkowski增益較好，其最好增益分別為2.58dBi、2.5dBi。而Double-Ring 最好增益為 0.15dBi，對于 Single-ArmSpiral 則為-3.9dBi。 通過對多個同種實(shí)驗(yàn)樣品天線的測試，本文研究的這

5、幾種天線具有好 的重復(fù)性。D.本文提出了低通濾波單元的集總參數(shù)模型，對影響濾 波器各個性能的參量進(jìn)行了定量的分析，運(yùn)用模型中的各個元件對仿 真的S參數(shù)在HFSS里進(jìn)行擬合，通過調(diào)節(jié)其中影響較大的參數(shù)來優(yōu) 化低通濾波器的S參數(shù)，得到較好的帶外衰減和帶內(nèi)紋波特性。這種濾波器采用慢波理論和分形理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得濾波器體積和損耗都 變得較小。通過微表面加工工藝制作了微波MEMS可調(diào)低通小型濾波器，得到可切換的兩個截止頻率分別為19GHz和11GHz,經(jīng)過優(yōu)化后的帶內(nèi)平均插損從19-11GHZ為1.3-1.9dB,設(shè)計(jì)的濾波器的40GHz處的帶外衰減為20dB。E.本文提出了一套制作 RFMEMS微波射

6、頻前端的關(guān)鍵部件可重構(gòu)天線、分形濾波器等的技術(shù)方法和工藝 路線。本文還設(shè)計(jì)了幾種不同結(jié)構(gòu)的尺寸較大的應(yīng)用在可調(diào)濾波器上 的MEMS開關(guān)。其中，較大的電容開關(guān)尺寸為 520卩m 150卩,多觸 點(diǎn)開關(guān)尺寸為380卩mK 150卩。制備過程中，采用厚膠（正膠）和聚酰亞 胺作為犧牲層材料，對犧牲層的前烘、堅(jiān)膜和刻蝕技術(shù)做了重點(diǎn)研究。 本文研究了用于微波射頻前端的關(guān)鍵部件 RFMEMS可重構(gòu)天線、可 重構(gòu)濾波器等。對于微波射頻前端的構(gòu)建具有積極作用，但如何最終實(shí)現(xiàn)基于MEMS技術(shù)的微波射頻接收前端裝置，仍然需要努力。【關(guān) 鍵詞】：RFMEMS射頻前端硅基MEMS可重構(gòu)天線分形 MEMS可重 構(gòu)濾波器【

7、學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)【學(xué)位級別】：博士【學(xué)位授予年份】：2007【分類號】：TN859【目錄】：摘要6-8ABSTRACT8-18第一章緒論18-381.1本論文研究 背景18-211.2研究現(xiàn)狀和存在問題21-311.2.1國內(nèi)外對基于RFMEMS 器件射頻前端研究現(xiàn)狀21-301.2.2現(xiàn)有的射頻前端存在問題30-311.3 論文的主要內(nèi)容和貢獻(xiàn)31-331.4論文的章節(jié)組織結(jié)構(gòu)33-35參考文獻(xiàn) 35-38第二章微波射頻前端RFMEMS關(guān)鍵器件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)38-632.1微帶傳輸線38-392.2慢波共面波導(dǎo)傳輸線39-432.3兩端口微波網(wǎng)絡(luò)43-462.4微波濾波網(wǎng)絡(luò)46-472

8、.5微尺度下微機(jī)械天線的電磁輻射和耦 合理論47-522.6分形結(jié)構(gòu)原理52-532.7分形天線的形 式結(jié)構(gòu) 53-562.7.1線天線類53-542.7.2拓?fù)渚S度為2的天線542.7.3分形環(huán)天 線54-562.8分形自相似濾波原理 56-572.9本章小結(jié)57-59參考文獻(xiàn) 59-63第三章微波接收前端硅基 MEMS可重構(gòu)縫隙天線設(shè)計(jì)63-733.1 硅基可重構(gòu)天線的MEMS開關(guān)設(shè)計(jì) 63-673.1.1MEMS開關(guān)種類64-653.1.2可重構(gòu)天線的MEMS開關(guān)下拉電壓設(shè)計(jì)65-663.1.3可重構(gòu) 縫隙天線的MEMS開關(guān)尺寸和基本參數(shù)仿真66-673.2硅基可重構(gòu)天 線的天線設(shè)計(jì)67

9、-703.2.1天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)683.2.2天線各部分的尺寸 設(shè)計(jì)68-703.2.3介質(zhì)材料的影響703.2.4饋電方式的確定及阻抗匹配 703.3掩模版的制作版圖各層的設(shè)計(jì)規(guī)則 70-723.4本章小結(jié)72參考文 獻(xiàn)72-73第四章微波接收前端硅基MEMS可重構(gòu)分形天線設(shè)計(jì)73- 814.1歐姆接觸式開關(guān)的設(shè)計(jì) 73-744.2Sierp in ski分形天線的設(shè)計(jì)74- 774.3Minkowski,Single-ArmSpiral,Double-Ring 分形天線的設(shè)計(jì) 77-794.4本章小結(jié)79-80參考文獻(xiàn)80-81第五章微波接收前端硅基MEMS分形濾波器設(shè)計(jì)81-985.1濾波

10、器性能指標(biāo)81-825.2低通原型 濾波的設(shè)計(jì)原理82-855.3分布參數(shù)法設(shè)計(jì)微波濾波器 85-875.4MEMS 低通濾波器原型設(shè)計(jì)87-915.4.1分布式MEMS傳輸線等效電感的建 模及仿真87-895.4.2引入MEMS分布電容實(shí)現(xiàn)低通濾波單元89-915.5 引入MEMS分布電容實(shí)現(xiàn)低通濾波單元91-925.6引入多觸點(diǎn)開關(guān)調(diào) 節(jié)電感值92-935.7集總模型的提取及可行性分析 93-945.8RFMEMS低通濾波單元的優(yōu)化設(shè)計(jì)94-965.9濾波器的重構(gòu)技術(shù)96-975.10本章 小結(jié)97參考文獻(xiàn)97-98第六章微波射頻前端的關(guān)鍵部件工藝制備 98-1066.1微波射頻前端的關(guān)鍵

11、部件的通用工藝流程98-1026.2MEMS天線的制作1026.3濾波器的制備工藝102-103631濾波器的淀積氮化 硅制備工藝 1026.3.2多觸點(diǎn)開關(guān)的制作102-1036.4去除犧牲層103-1046.5本章小結(jié)104-105參考文獻(xiàn):105-106第七章微波射頻前端 的關(guān)鍵部件測試106-1207.1MEMS可重構(gòu)天線的開關(guān)性能的測試結(jié) 果106-1077.1.1模擬得到的開關(guān)的S_(11)參數(shù)1067.1.2測試得到的開 關(guān)的S_(11)參數(shù)106-1077.2MEMS天線的測試結(jié)果107-1097.2.1測試 天線的S_(11)107-1087.2.2測試的天線輻射方向圖108-1097.3分形天 線用懸臂梁MEMS開關(guān)的測試結(jié)果109-1107.4Sierpinski天線的測試 結(jié)果 110-1117.5Minkowski 天線測試結(jié)果 111-1147.6Single-ArmSpiral 天線測試結(jié)果1147.7Double-Ring天線測試結(jié)果114-117