论文总字数：26078字

摘 要

随着无线通讯技术的高速发展，所应用的射频频率越来越高，已经成为一种必然发展趋势，这其中针对高频应用的电子器件也已经成为电子通信行业关注的焦点之一。 由于RF MEMS在线性度和插入损耗上的良好表现，使得它受到了射频领域的广泛关注并成为替代传统射频开关的首选器件。当前，绝大多数RF MEMS开关制造在硅基板或砷化镓基板上，但目前研究发现制造于LCP基板上的射频器件具有非常小的损耗，使其非常适用于微波系统，并且LCP基板成本非常低，在微波/射频系统领域有良好的应用前景。

本文主要针对基于LCP的RF MEMS开关进行了研究。首先分析了RF MEMS开关的基本原理，包括开关的驱动机制和结构模型。然后围绕LCP基板的材料特性我们确定了基于LCP的RF MEMS开关的基本结构。接下来我们通过仿真开关的一系列结构参数和匹配模型确定了开关的机械特性与微波特性。在机械结构上，我们主要通过ANSYS软件仿真开关的梁长、梁宽以及厚度等参量，并以此确定了开关的最佳结构参数。在开关的微波特性方面，我们主要通过HFSS软件对设计的模型进行了仿真，并得到了开关在开态和关态时的最佳匹配模型。最后，我们对开关进行了版图设计以及工艺制作。

关键字：LCP，热驱动，RF MEMS开关

SIMULATION DESIGN BASED ON LCP FOR THERMALLY ACTUATED RF MEMS SWITCH

Abstract

With the rapid development of wireless communication technologies, RF frequency is becoming higher, and it has become an inevitable trend, which high-frequency applications for electronic devices has become a focus of attention in the electronic communications sector. Since RF MEMS technology has high linearity and low insertion loss, it has been widespread concern in the field of radio frequency. Since RF MEMS switch with low insertion loss, high isolation, high linearity and low power consumption especially, making it has become preferred alternative to traditional RF switch devices. Application of frequency RF MEMS switch cover DC to 300GHz frequency range. Currently, the vast majority of RF MEMS switches fabricated on a silicon substrate or GaAs substrate. But the study found that RF devices fabricated on a substrate of LCP has a very low insertion loss. And LCP is very suitable for microwave systems. Meanwhile, LCP costs low so that the prospects of LCP is good.

In this paper, we mainly studied the thermally actuated RF MEMS switch based on LCP. Firstly, we analysis the basic principle of RF MEMS switches, including driven mechanism and a structural model of the switch. Then we focus on the material of LCP and establish the basic structure of the LCP-based RF MEMS switch. Next, we determine the mechanical characteristics of the switching and microwave characteristics via a series of structural parameters and matching model simulation switch. On the mechanical structure, we simulate the length, width and thickness of the beam in order to determine the optimal structure parameters. In the microwave characteristics of the switching aspects, through the software HFSS, we got the best matching model switch in the ON state and an OFF state. Finally, we complete layout and the process of the switch.

KEY WORDS: LCP, actuated thermally, RF MEMS switch

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 RF MEMS开关特点 1

1.2 RF MEMS开关分类及发展现状 2

1.3 LCP基板RF MEMS开关 4

1.4 本文的主要工作 7

第二章 基于LCP 的RF MEMS 开关的理论模型 8

2.1 静电开关原理 8

2.2 V型梁热执行器原理 8

2.3 开关结构模型 11

2.4 本章小结 13

第三章 RF MEMS开关的仿真优化 14

3.1 软件介绍 14

3.2 V型梁热执行器的材料仿真 14

3.3 带悬臂梁与不带悬臂梁的V型梁热执行器之间的比较 18

3.4 带悬臂梁V型梁热执行器的机械结构仿真 19

3.4.1 不同电流下的V型梁热行器的仿真结果 20

3.4.2 不同梁长下的V型梁热执行器仿真结果 22

3.4.3 不同梁宽下的V型梁热执行器仿真结果 24

3.4.4 不同厚度下的V型梁热执行器仿真结果 26

3.5 开关的微波结构仿真及优化 28

3.6 本章小结 32

第四章 版图和工艺设计 33

4.1 版图设计 33

4.2 工艺流程 35

4.3 本章小结 37

第五章 总结与展望 38

致 谢 39

参考文献 40

绪论

随着无线通讯技术的高速发展，所应用的射频频率越来越高，这其中针对高频应用的电子器件也已经成为电子通信行业关注的焦点之一。同时在通信设备、机载/星载雷达等应用中，对器件组装空间要求较高，因此需要器件具备小型化、轻量化、保形特征，所以提高器件的空间适应性尤为重要。这就需要一种既能够工作于高频环境同时又可以兼具完美的空间适应能力的电子器件。

1.1 RF MEMS开关特点

在1990—1991年，由DARPA（美国国防预先研究计划署）资助，Larson博士在加州Malibu的Hughes（休斯实验室）研制出微波控制的第一个MEMS开关（和变容器）；但是，由于这种开关并没有成熟，所以成品率很低，因而本质上也没有什么可靠性而言^[1]。但是在50GHz范围内这种MEMS开关具有优异的表现，同时在开关性能方面也比用GaAs器件实现的要好得多。具体的性能对比如下^[2]：

表1.1 各种开关指标对比

由表1.1可以看出，在插入损耗，线性度和隔离度方面，RF MEMS开关具有比FET和P-I-N开关更加完美的特性，而在诸如阈值电压、开关时间以及功率处理能力等涉及到开关可靠性的参数上则要比P-I-N和FET开关差^[3]。当然，RF MEMS开关最为吸引人的还是它的射频特性。同时，从上面表格中中的数据我们可以发现，在频带范围上，RF MEMS开关要比其他类型的开关宽许多。在长达将近30的发展过程中，RF MEMS开关已经成为了一个高速发展并且极具潜力的学科。与此同时，与RF MEMS相关的产业也在不断的兴起，而我们的生活也在不断的被它改变，人们研究RF MEMS开关的热情正在不断被点燃。

1.2 RF MEMS开关分类及发展现状

开关是各种射频微波单片集成系统的重要和基础的组成元件，利用RF MEMS开关可以在提高系统集成度的同时提高系统性能^[4]。目前绝大多数RF MEMS开关制造在硅基板或砷化镓基板上。

RF MEMS开关按照驱动方式可分为，静电执行器、热执行器、压电执行器和电磁执行器等几种。按照接入方式可分为有并联接入和串连接入两种。目前，大部分RF MEMS开关采用静电执行或电热执行原理实现。静电驱动开关时间短，但是驱动电压比较大。热驱动虽然开关时间比较慢，但是具有较高的功率处理能力。静电驱动开关有双端固支梁和悬臂梁两种，都通过静电力吸合上、下电极板实现开关。如图1-1和图1-2所示：

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：26078字

相关图片展示：