基于MEMS固支梁的35 GHz毫米波功率耦合器的模拟和设计

论文总字数：26656字

摘 要

本文提出了在频率为35GHz时，基于MEMS固支梁的微波功率耦合器的的模拟和设计，并建立了其集总等效电路模型，该模型考虑了MEMS膜桥在毫米波频率下产生的寄生电容、寄生电阻以及寄生电感。本文报道了通过改变该毫米波功率耦合器的MEMS薄膜、调整信号线与地线之间沟道的距离以及优化空气桥宽度的方法，使得在频率为35GHz时该耦合器获得良好的阻抗匹配结构、平坦的输出响应。此外，为了今后能够与微波收发组件中其它有源和无源器件进行系统级电路仿真，本文对设计的毫米波功率耦合器进行了毫米波电路仿真。结果表明：在32GHz-37GHz频率范围内，优化后的功率耦合器的反射损耗小于-20dB，插入损耗小于0.9dB，耦合系数约为-11dB，在32GHz-37GHz频率范围内具有平坦的输出响应。

关键词：功率耦合器；MEMS膜桥；高频寄生；反射损耗；耦合系数

The simulation and design of 35GHz millimeter wave power coupler

based on MEMS clamped beam

Abstract

In this thesis, the lumped equivalent circuit model of microwave power coupler based on the MEMS clamped beam is proposed under the frequency of 35GHz. Which takes into the consideration of parasitic capacitance, parasitic resistance, and parasitic inductance generated by the MEMS membrane bridge under the high frequency of 35GHz. This paper reported a way by changing the thin of the coupler’s MEMS membrane, adjusting the distance between the signal line and ground line, and optimizing the width of the air bridge, which can obtain a good structure of impedance matching, flat output response, and is verified through the simulation. The results show that the reflection loss is less than -20dB, the insertion loss is less than 0.9dB, the coupling coefficient is about -15dB, and achieved a flat output response within 32-37GHz.

KEY WORDS: microwave power coupler, the MEMS clamped beam, reflection loss, insertion loss

目 录

摘要………………………………………………………………………………………………

Abstract ………………………………………………………………………………………II

第一章 绪 论 - 1 -

1.1 引言 - 1 -

1.2 背景介绍 - 1 -

1.2.1微波MEMS的研究和发展 - 1 -

1.2.2定向耦合器 - 2 -

1.2.3 MMES微波功率传感器 - 3 -

1.2.4设计参数 - 4 -

1.3 研究方向 - 5 -

第二章 MEMS毫米波功率耦合器的工作原理 - 6 -

2.1 共面波导 - 6 -

2.2 不对称共面波导 - 8 -

2.3 基础型功率耦合器 - 9 -

第三章 基础型MEMS毫米波功率耦合器的模拟和设计 - 12 -

3.1 空气桥结构的影响 - 12 -

3.2 基础型功率耦合器悬浮MEMS薄膜的模拟和设计 - 14 -

3.3 基础型结构功率耦合器信号线挖槽的影响 - 15 -

第四章 改进型MEMS毫米波功率耦合器的模拟和设计 - 16 -

4.1 改进型结构耦合器悬浮MEMS薄膜的模拟和设计 - 17 -

4.2 改进型结构耦合器沟道的模拟和设计 - 18 -

第五章 改进型MEMS毫米波功率耦合器电路级仿真 - 22 -

5.1 共面波导的设计 - 22 -

5.2 基础型MEMS毫米波功率耦合器的电路级仿真 - 23 -

5.3 改进型MEMS毫米波功率耦合器的电路级仿真 - 24 -

结论 - 26 -

致谢 - 27 -

参考文献 - 28 -

1. 绪 论
   1. 引言

在无线应用中，射频功率传感器主要发挥着功率检测、增益控制、电路保护的重要作用，过去的终端功率传感器在功率检测后，输入的微波信号不可用，随着射频集成电路的发展，在个人通信以及雷达系统等方面，要求射频信号在检测后依然可用。在线式的功率传感在信号检测后仍然有很大一部分能够继续传输使用，其主要有在线插入型、在线电容型、在线耦合型三种类型的功率传感器。^[1]而其中在线耦合型功率传感器的反射损耗和插入损耗更小，性能相对更好，所以耦合型功率传感器的研究也更多。

作为耦合型功率传感器的核心部分，耦合器的设计也就十分重要。耦合器的结构主要是由一个共面波导和悬浮的MEMS薄膜组成，耦合器的地线通过空气桥连接，是为了抑制高阶模的影响。本文提出了基础型和改进型两种结构的功率耦合器，并比较它们在32-37GHz频率下的性能。由于耦合器工作在中心频率为35GHz的频率下有寄生效应，所以MEMS薄膜会产生出寄生电容、寄生电阻和寄生电感，导致耦合器的信号线阻抗不匹配。于是本文提出了通过调整耦合器的MEMS薄膜、信号线与地线之间沟道的距离的方法，改善阻抗匹配，使得反射损耗、插入损耗和耦合系数达到设计要求。通过优化空气桥结构，获得平坦的耦合输出响应。同时，本文给出了两种结构的等效电路模型，为了今后能够与微波收发组件中其它有源和无源器件进行系统级电路仿真，本文对设计的毫米波功率耦合器进行了毫米波电路仿真。

1.2 背景介绍

1.2.1 微波MEMS的研究和发展

MEMS是一种将微电子技术与机械工程结合在一起的工业技术，通过使用微加工的方法可以大批量的制作许多微型元器件，如微传感器、微执行器、微结构等。MEMS可以用于信号处理以及控制系统，与其它学科可以很好地结合在一起，研究领域十分广泛。由于MEMS多采用光刻、腐蚀、薄膜等技术，而传统的集成电路主要采用Si和GaAs作为衬底，所以在工艺上是相互兼容的，可以实现高精度器件的批量制造。MEMS器件的特征尺寸多在微米范围，由于尺寸比较小，也会产生不同于宏观尺寸的结构效应。传统的MEMS主要有MEMS执行器、MEMS传感器两大类。执行器是一种运动机械类，当施加电信号等驱动信号时，会产生一定的机械位移，根据产生的位移变化，可以应用到很多方面，如压力检测、运动定位等。传感器属于检测转换类，可以通过能量的转换（热转电）把一些物理的信号转换为电信号进行检测。

在当今信息化、智能化的时代，射频和微波技术也日益重要，在无线局域网、移动通信以及全球定位系统等领域也有了深入的应用。传统的射频和微波技术也不再适用，由于在通信系统中采用电感电容等分立元件和比较复杂的有源电路，使得通信设备制作的体积较大，不便于携带，性能也比较落后^[2]。当MEMS技术应用到射频上时，即采用MEMS技术对集成电路进行制造，同时制作出微开关和变容器件等，也可以实现不同工作状态的电路设计。利用MEMS技术还可以制造出许多宏观没有的结构，如悬空传输线、立体电感等，这些结构能够去除衬底的介质损耗，所以会获得更好的性能。RF MEMS^[4]继承了MEMS的优点，同时RF元器件还有许多传统元器件没有的优点，如损耗较低、频带很宽、直流功耗低、线性度比较高等。RF MEMS的器件还可在硅和玻璃上制作，能够实现更高的集成度^[1]。

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