RF MEMS驻波计的研究

论文总字数：27537字

摘 要

本文提出了一种RF MEMS驻波计研究，其采用全无源结构构成。它主要通过一个基于MEMS固支梁开关的微波定向耦合器和两个MEMS热电式微波功率传感器相级联，实现在线控制测量输入功率、反射功率和驻波比大小。首先研究了基于MEMS固支梁开关的微波定向耦合器的基本结构，是一个四端口器件，其作用为输入和输出微波功率、将输入功率耦合到耦合端口以及将输出端口处的反射功率耦合到隔离端口；在设计中，MEMS微波开关连接到耦合器和传感器之间，用于控制是否有微波功率被测量，从而实现在线控制驻波比的检测，即通过在MEMS固支梁下方驱动电极上是否施加驱动电压以控制固支梁的位置，进而控制该耦合器的是否处于耦合工作状态，从而降低了不需要检测时所造成的不必要损耗；建立了该耦合器的四端口等效电路模型，并利用奇偶模分析法以及先分块后级联的方法得到该四端口网络的S参数模型，通过Matlab软件分析了该耦合器的关键物理参数对于其反射损耗、插入损耗、耦合度以及隔离度的影响；利用HFSS有限元仿真软件对该MEMS微波定向耦合器进行进一步模拟与优化，并验证了S参数模型的有效性。其次，研究了MEMS热电式微波功率传感器的基本结构，以及与定向耦合器相级联之后构成的RF MEMS驻波计。最后，利用L-EDIT软件，将优化的RF MEMS驻波计绘制成版图。该RF MEMS驻波计的制备与GaAs MMIC工艺兼容。

关键词：RF MEMS，驻波计，定向耦合器，固支梁，S参数模型

ABSTRACT

This paper presents an RF MEMS standing wave meter study that uses a fully passive structure. It is mainly connected by a microwave directional coupler based on MEMS fixed beam switch and two MEMS thermoelectric microwave power sensors to realize on-line control measurement input power, reflected power and standing wave ratio. Firstly, the basic structure of a microwave directional coupler based on MEMS fixed beam switch is studied. It is a four-port device that functions as input and output microwave power, couples input power to the coupling port, and couples the reflected power at the output port to isolated port.In the design, the MEMS microwave switch is connected between the coupler and the sensor for controlling whether or not microwave power is measured, thereby realizing the online control of the standing wave ratio detection, that is, whether the driving is applied on the driving electrode under the MEMS fixed beam. The voltage controls the position of the fixed beam, thereby controlling whether the coupler is in a coupled working state, thereby reducing unnecessary loss caused by no need for detection; The four-port equivalent circuit model of the coupler is established. The S-parameter model of the four-port network is obtained by using the odd-even mode analysis method and the pre-blocking and cascading method. The key physical parameters of the coupler are analyzed by Matlab software. For the effects of reflection loss, insertion loss, coupling degree and isolation, the MEMS microwave directional coupler is further simulated and optimized by HFSS finite element simulation software, and the validity of the S-parameter model is verified. Secondly, the basic structure of the MEMS thermoelectric microwave power sensor and the RF MEMS standing wave meter formed by cascading with the directional coupler are studied. Finally, the optimized RF MEMS standing wave meter is mapped to the layout using L-EDIT software. The RF MEMS standing wave meter is prepared to be compatible with the GaAs MMIC process.

Key words: RF MEMS,Standing wave meter, Directional coupler, Fixed beam, S-parameter model

目 录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 微波驻波计的研究背景 1

1.3 微波定向耦合器的耦合机理 2

1.3.1 小孔耦合理论 4

1.3.2 平行耦合 4

1.4 微波定向耦合器的分析方法 5

1.4.1 奇偶模分析法 5

1.4.2 等效集总电路模型分析法 5

1.4.3 时域全波分析法 6

1.5 本文的主要研究目的和研究内容 6

1.5.1 目前存在的问题 6

1.5.2 研究目的和内容 6

第二章 RF MEMS驻波计的结构设计和解析模型 8

2.1 共面波导特征阻抗分析 8

2.2 边缘耦合的CPW传输线分析 11

2.3 MEMS固支梁式微波定向耦合器的等效电路模型 13

2.4 数学模型求解 17

第三章 RF MEMS驻波计的仿真、优化和分析 22

3.1 MEMS固支梁结构的设计 22

3.2 共面波导输出端的设计 23

3.3 MEMS微波定向微波耦合器的仿真与分析 24

3.4 HFSS仿真结果与解析模型结果的比较 29

第四章 RF MEMS微波驻波计的热分析和版图设计 31

4.1 热电微波功率传感器的设计 31

4.2 热性能的仿真 31

4.3 RF MEMS微波驻波计版图 33

第五章 总结与展望 35

5.1 本论文工作的主要内容 35

5.2 对进一步研究工作的展望 35

参考文献 37

致谢 38

第一章 绪论

1.1 引言

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