串聯MEMS開關的一種等效電路模型

串聯MEMS開關的一種等效電路模型
摘　要ˇ本文建立了串聯懸臂梁MEMS開關的一個等效電路模型ˇ利用該模型研究了開關的微波傳輸性能ˇ并與有ˇ元方法仿真的結果進行比較ˇ結果表明ˇ本文所建立的模型能很好地反映開關的微波特性。
關鍵詞ˇ微機電系統　微波開關　等效電路 1 引言
近年來ˇ人們對機電系統器件輕型化、小型化的需要ˇ促使微機電系統ˇMEMSˇ技術迅速發展。MEMS器件在微波射頻電路中得到了廣泛應用ˇ如電感、濾波器、開關等ˇ其中ˇ微機電開關作為微波T/R組件中 重要的元件之一ˇ由于其優越的性能而越來越受到關注ˇ近年來取得了很大的發展ˇ出ˇ了各種類型的MEMS開關。與微波電路中過去所用的p-i-n二極管開關及FET開關ˇ比ˇMEMS開關自身的結構形式和工作原理決定了它不僅在寬頻范圍內具有高隔離度、低插損的優點ˇ而且具有重量輕、尺寸小、功耗低的特點ˇ從而可廣泛應用于雷達系統、衛星通訊系統、無ˇ通訊系統等。
就目前的單刀單擲MEMS開關而言ˇ其電路有串聯和并聯兩種結構ˇ由于結構不同ˇ導致這兩種開關傳輸性能隨頻率變化而不同。并聯結構的MEMS開關隨著頻率的增加ˇ其隔離度增加ˇ插損降低ˇ而串聯結構的MEMS開關隨著頻率的增加ˇ其隔離度降低ˇ插損增加。因此ˇ在較低頻率下ˇ宜使用串聯結構的MEMS開關ˇ而在高頻下宜使用并聯結構的開關。對這兩種開關的微波傳輸性能的研究ˇ目前幾乎都是利用3D電磁仿真軟件進行仿真ˇ缺乏一個方便而又較好滿足實際設計的電路模型。建立一個簡單有效的電路模型ˇ對于MEMS開關器件的設計、尺寸的優化等無疑具有重要意義ˇ同時還可方便地將等效電路模型應用到其他CAD軟件中ˇ從而更易于設計出性能優異的MEMS器件。
本文建立了串聯懸臂梁結構MEMS開關的等效電路ˇ利用該模型模擬MEMS開關的微波性能ˇ并將結果與有ˇ元仿真結果進行比較ˇ以驗證本文所建模型的有效性。 2等效電路模型
通常的串聯懸臂梁結構MEMS開關示意圖所示。
其中ˇh為微帶ˇ基底厚度ˇg為兩段微帶ˇ的間隙寬度。
對于MEMS開關ˇ其斷狀態時的隔離度是 重要的微波參數之一ˇ它可以用MEMS開關的散射矩陣參量S21來表征ˇ而開關的回波損耗則可以用S11來表征。利用所示的等效電路ˇ可導出這個雙口網絡的散射矩陣ˇ從而可得到MEMS開關的微波性能參數。ˇ 3結果與討論
利用上述模型ˇ分別模擬了不同尺寸的串聯MEMS開關斷狀態時的性能ˇ并與有ˇ元仿真軟件HFSS的仿真結果進行比較。
從可以看出ˇ本文所建模型的模擬結果與有ˇ元方法所計算的結果符合得很好ˇˇaˇ中S11兩者結果 大差別小于0.03dBˇS21 大差別小于0.3dBˇˇbˇ中S11兩者結果 大差別小于0.02dBˇS21 大差別小于0.5dBˇ說明本文所建立的模型能很好地模擬開關的微波性能。從等效電路圖也可以看出ˇ由于本文所建模型忽略了如電阻、電感等因素ˇ從而使模型計算結果與有ˇ元仿真結果有一定的差別。同時ˇˇ2ˇ式中間隙電容和接地電容的計算誤差為7%〔9〕ˇ這也導致模型模擬結果與有ˇ元方法仿真結果有所差別。
利用的等效電路圖ˇ可以得到MEMS開關的微波性能隨懸臂梁與微帶ˇ距離d、隨微帶ˇ間隙g的變化規律ˇˇ5所示。ˇ
從可見ˇ隨著懸臂梁與微帶ˇ距離d從1m增加到10mˇMEMS開關的|S21|參量增大ˇ而|S11|參量減小。從可見ˇ隨著微帶ˇ間隙距離g從10m增加到60mˇMEMS開關的|S21|參量增大ˇ而|S11|參量減小。由此可見ˇ增大懸臂梁與微帶ˇ距離d和微帶ˇ間隙距離g均有利于提高MEMS開關的隔離度ˇ但這卻降低了MEMS開關的ˇ應速度、增加了通狀態時的插損ˇ因此ˇ在設計開關時要綜合考慮來優化開關的尺寸ˇ而本文所建立的等效電路模型為開關的優化設計奠定了堅實的基礎。