基于電容耦合式MEMS開關(guān)的90°分布式MEMS移相器設(shè)計與優(yōu)化

近年來隨著射頻微機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，MEMS移相器越來越受到人們廣泛關(guān)注，已經(jīng)成為人們主要研究的MEMS器件之一。與傳統(tǒng)的移相器相比，MEMS移相器多采用半導(dǎo)體材料作襯底，用微機(jī)械加工技術(shù)制備，具有頻帶寬、損耗小、成本低、超小型化、易于與IC、MMIC電路集成等優(yōu)點(diǎn)，因此在微波及毫米波控制電路中具有廣泛的應(yīng)用前景【1】。美國密歇根大學(xué)的Barker博士通過在共面波導(dǎo)上周期加載MEMS 金屬橋的方法，首先實現(xiàn)了毫米波段寬頻帶的MEMS移相器，如圖1 所示，它的基本原理是通過改變MEMS 金屬橋的高度來改變傳輸路徑上的相移常數(shù)，從而達(dá)到改變相移的目的【2】。本文基于電容耦合式MEMS開關(guān)，設(shè)計出一種90° 分布式MEMS移相器。

1 分布式MEMS移相器的工作原理

分布式MEMS移相器的基本設(shè)計思想是在共面波導(dǎo)上周期性的加載有高電容比率的MEMS可動薄膜橋，從而增加共面波導(dǎo)與地之間的分布電容，使共面波導(dǎo)傳輸線成為一個慢波系統(tǒng)，起到相位延遲的作用【3】。在線上施加一個直流偏壓，可以改變分布式電容，引起傳輸線參數(shù)的變化，從而改變電磁波的相位。相移量大小由MEMS單元電容的比率（ ）和傳輸線自身電容所決定。分布式MEMS移相器工作在移相時的等效電路圖如圖2所示【4】。

1 C 和1 L 分別是CPW傳輸線的分布電容和電感。

則特性阻抗為：

相速度為：

2 ?Ka 波段下90°分布式MEMS 移相器的優(yōu)化設(shè)計

設(shè)計指標(biāo)：通帶34－38GHz，帶內(nèi)衰減小于0.5dB，起伏小于0.4dB，S（21）的相移在85°到95°之間。反射損耗在36GHz 頻率上小于-20dB。

通過在共面波導(dǎo)信號線上貼敷低介電常數(shù)的薄層絕緣介質(zhì)，使得MEMS金屬橋與共面波導(dǎo)信號線在“關(guān)”態(tài)下形成MIM電容的方法，實現(xiàn)了提高“關(guān)”“開”兩種狀態(tài)下的電容比，從而提高了單位長度上的相移量。同時，該結(jié)構(gòu)也避免了因為單個橋下落到信號線上造成短路而使移相器失效的問題【5】。

從小型化等效電路出發(fā)，該移相器工作在移相時的仿真原理圖如圖3所示：

圖4-6是使用ADS計算得出的仿真結(jié)果。

由以上三個圖可以看出移相器的損耗在-1dB以內(nèi)，在中心頻率36GHz的反射系數(shù)小于-20dB，插入損耗大于-0.042dB，中心頻率時相移為90°，相移精度±5° 以內(nèi)。而且這種分布式MEMS移相器仍然可以在較寬的頻帶內(nèi)獲得良好的線性度。優(yōu)化得出W＝19 μm，L=134 μm，C=25 fF 。

下面通過ADS 優(yōu)化得出電容的尺寸。通過來設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。我們都知道這個公式：

由此算得出 的值。得到了這個值便可以優(yōu)化出了電容幾何尺寸的最佳值了。

由ADS計算得出電容幾何尺寸為：W= 0.18mm，L= 1.63mm （7）

3 結(jié)語

分布式MEMS移相器的發(fā)展是越來越快了，在傳統(tǒng)的分布式MEMS移相器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使用在共面波導(dǎo)信號線和MEMS金屬橋之間貼敷低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)的方法，實現(xiàn)了兩種工作狀態(tài)下的高電容比，從而提高了單位長度的相移量。本文中我著重從小型化等效電路出發(fā)，分析了最簡單的一種設(shè)計方法，沒有考慮金屬的等效阻抗的一種理想的電路模型。通過計算機(jī)仿真，移相器的反射損耗在通帶4GHz內(nèi)小于-20dB，插入損耗大于-0.044dB，為了達(dá)到90°的相移量，只需3個MEMS金屬橋即可。這大大縮小了移相器的總體尺寸，提高了工作的可靠性。