0 引 言
RF MEMS開(kāi)關(guān)在隔離度、插入損耗、功耗以及線性度等方面，具有比FET或pin二極管傳統(tǒng)微波固態(tài)開(kāi)關(guān)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，從而獲得了廣泛的關(guān)注，并顯示出在微波應(yīng)用領(lǐng)域的巨大潛力。自1979年K.E.Petersen第一次報(bào)道RF MEMS開(kāi)關(guān)的應(yīng)用以來(lái)，業(yè)界已研制出很多不同結(jié)構(gòu)的RF MEMS開(kāi)關(guān)。無(wú)論是在隔離度還是在插入損耗上，RFMEMS電容式并聯(lián)開(kāi)關(guān)在Ka到W波段都表現(xiàn)出了良好的性能。但是，RF MEMS電容式開(kāi)關(guān)在低頻段的較低隔離度限制了其在X波段的應(yīng)用。為克服以上不足，J.B.Muldavin等人提出了在開(kāi)關(guān)梁與地平面之間加入高阻抗傳輸線，通過(guò)該傳輸線引入的串聯(lián)電感使LC諧振頻率達(dá)到X波段范圍，并獲得了在X波段隔離度優(yōu)于-20 dB的性能。J.Y.Park等人設(shè)計(jì)的RF MEMS電容式并聯(lián)開(kāi)關(guān)使用介電常數(shù)為30～120的SrTiO3作為介質(zhì)層，通過(guò)增加開(kāi)關(guān)閉態(tài)的電容值使開(kāi)關(guān)在10GHz處的隔離度優(yōu)于-30 dB。M.Tang等人把CPW下電極放置在由KOH刻蝕、深度為1.6μm的襯底盆狀槽中，獲得了10～13 GHz頻率下，單個(gè)開(kāi)關(guān)隔離度為-16.5～-28 dB，兩個(gè)開(kāi)關(guān)級(jí)聯(lián)的隔離度為-25～-35 dB。
本文提出了一種通過(guò)CPW傳輸線與共面波導(dǎo)地平面間的襯底刻槽，提高隔離度并應(yīng)用于X波段的RF MEMS電容式并聯(lián)開(kāi)關(guān)。該設(shè)計(jì)在不改變開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)和電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提高了開(kāi)關(guān)的隔離性能，為基于CPW結(jié)構(gòu)的RF MEMS高性能電路設(shè)計(jì)提供了一種參考。
1 開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)
1.1 開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)與微波特性分析
本文設(shè)計(jì)的電容式并聯(lián)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示。電路采用共面波導(dǎo)(CPW)結(jié)構(gòu)，開(kāi)關(guān)末端的兩個(gè)錨區(qū)分別固定于CPW兩個(gè)地平面上，開(kāi)關(guān)梁采用平板梁結(jié)構(gòu)，位于CPW傳輸線上方2 μm處。開(kāi)關(guān)梁與地平面之間加入短截高阻線可增加開(kāi)關(guān)的串聯(lián)電感，從而降低諧振頻率，實(shí)現(xiàn)X波段頻率范圍內(nèi)更高的隔離度。
本文在CPW傳輸線與地平面間引入了兩條深度為20μm的襯底刻槽。由CPW傳輸線理論，當(dāng)圖1(b)所示的CPW電路結(jié)構(gòu)中傳輸線寬度W增加時(shí)，傳輸線與地平面間距G減小，CPW的分布電容CCPW增大，有
綜合以上分析，CPW特征阻抗隨傳輸線寬度的增加而減小。通過(guò)文獻(xiàn)[7]、[8]對(duì)襯底刻槽的分析，在保持電路幾何參數(shù)不改變的情況下，CPW特征阻抗隨刻槽深度的增加而增加。因此，可以在不改變傳輸線特征阻抗的情況下，通過(guò)選擇合適的刻槽深度來(lái)增加CPW傳輸線的寬度，從而可以有效減小因傳輸線導(dǎo)體損耗引起的信號(hào)衰減。
圖3為開(kāi)關(guān)的等效電路模型，其中Z0為CPW傳輸線輸入輸出特征阻抗；C為開(kāi)關(guān)梁與傳輸線間的電容，它隨開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)而改變；LS與RS分別為開(kāi)關(guān)梁的等效電感和電阻；L1為開(kāi)關(guān)梁與地平面間的短截高阻線引入的串聯(lián)電感。開(kāi)關(guān)的諧振頻率f0由式(5)給出，其中L為總的串聯(lián)電感。本文中經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的短截高阻線尺寸為150μm×60 μm，開(kāi)關(guān)在閉態(tài)時(shí)獲得了13.5 GHz的諧振頻率。
另外，CPW傳輸線寬度的增加同時(shí)也增大了RF MEMS開(kāi)關(guān)處于下拉狀態(tài)時(shí)與傳輸線上面介質(zhì)層的接觸面積，從而增大了開(kāi)關(guān)在關(guān)態(tài)時(shí)對(duì)射頻信號(hào)的短路電容，有利于提高隔離度。
如圖2(a)所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)處于開(kāi)態(tài)時(shí)，梁與傳輸線之間的開(kāi)態(tài)電容較小，對(duì)射頻信號(hào)形成開(kāi)路。如圖2(b)所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)處于關(guān)態(tài)時(shí)，傳輸線上接觸部分厚度為150 nm的Si3N4介質(zhì)層隔離直流電壓，并且可以產(chǎn)生較大的閉態(tài)電容，對(duì)射頻信號(hào)形成短路。
圖4(a)為本文設(shè)計(jì)的π型調(diào)諧開(kāi)關(guān)電路，襯底刻槽位于傳輸線與地平面之間，圖中l(wèi)和z分別為高阻傳輸線的長(zhǎng)度和寬度。圖4(b)為其等效電路模型。π型匹配電路可以在得到寬帶匹配的同時(shí)，還能在適當(dāng)?shù)拈_(kāi)態(tài)電容下獲得很高的隔離度。高阻傳輸線位于兩并聯(lián)開(kāi)關(guān)之間可實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。π型調(diào)諧電路開(kāi)態(tài)下的隔離度可以近似表示為：
式中，Cd為閉態(tài)電容，βl和Zh分別為高阻傳輸線電長(zhǎng)度和阻抗。
當(dāng)在開(kāi)關(guān)梁與傳輸線中心導(dǎo)體之間施加直流偏置電壓時(shí)，梁上的靜電力使其離開(kāi)初始平衡位置向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)直流偏置電壓達(dá)到閾值電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)下降到上下電極初始間距的2／3處進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，并使開(kāi)關(guān)迅速被吸引致閉合，即"pull-in"現(xiàn)象。其中，閾值電壓
式中：k為梁的等效彈性系數(shù)；ε0為空氣的介電常數(shù)；W為CPW中心傳輸線的寬度；ω為開(kāi)關(guān)梁中心極板的寬度；g0為梁與下電極的間距。等效彈性系數(shù)k可以表達(dá)為
式中：E為梁材料的楊氏模量；t為彈性梁的厚度；Lm為梁的長(zhǎng)度；σ為梁的殘余應(yīng)力；v為梁材料的泊松比。
為減小梁的彈性系數(shù)從而使執(zhí)行電壓降低，本文采用了圖5所示的兩個(gè)彎曲的彈簧梁結(jié)構(gòu)。其中，一個(gè)彎曲的彈簧梁的等效彈性系數(shù)可以表達(dá)為
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