高隔離度X波段RF MEMS電容式并聯開關

　　0 引 言

　　RF MEMS開關在隔離度、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)開關無法比擬的優(yōu)勢，從而獲得了廣泛的關注，并顯示出在微波應用領域的巨大潛力。自1979年K.E.Petersen第一次報道RF MEMS開關的應用以來，業(yè)界已研制出很多不同結構的RF MEMS開關。無論是在隔離度還是在插入損耗上，RFMEMS電容式并聯開關在Ka到W波段都表現出了良好的性能。但是，RF MEMS電容式開關在低頻段的較低隔離度限制了其在X波段的應用。為克服以上不足，J.B.Muldavin等人提出了在開關梁與地平面之間加入高阻抗傳輸線，通過該傳輸線引入的串聯電感使LC諧振頻率達到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等人設計的RF MEMS電容式并聯開關使用介電常數為30～120的SrTiO3作為介質層，通過增加開關閉態(tài)的電容值使開關在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，單個開關隔離度為-16.5～-28 dB，兩個開關級聯的隔離度為-25～-35 dB。

　　本文提出了一種通過CPW傳輸線與共面波導地平面間的襯底刻槽，提高隔離度并應用于X波段的RF MEMS電容式并聯開關。該設計在不改變開關結構和電路結構的基礎上提高了開關的隔離性能，為基于CPW結構的RF MEMS高性能電路設計提供了一種參考。

　　1 開關的設計

　　1.1 開關設計與微波特性分析

　　本文設計的電容式并聯開關結構如圖1所示。電路采用共面波導(CPW)結構，開關末端的兩個錨區(qū)分別固定于CPW兩個地平面上，開關梁采用平板梁結構，位于CPW傳輸線上方2 μm處。開關梁與地平面之間加入短截高阻線可增加開關的串聯電感，從而降低諧振頻率，實現X波段頻率范圍內更高的隔離度。

　　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，當圖1(b)所示的CPW電路結構中傳輸線寬度W增加時，傳輸線與地平面間距G減小，CPW的分布電容CCPW增大，有

 
　　CPW的有效介電常數εeff、相速vph和特征阻抗Z0分別表示為

　　綜合以上分析，CPW特征阻抗隨傳輸線寬度的增加而減小。通過文獻[7]、[8]對襯底刻槽的分析，在保持電路幾何參數不改變的情況下，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，通過選擇合適的刻槽深度來增加CPW傳輸線的寬度，從而可以有效減小因傳輸線導體損耗引起的信號衰減。 

　　另外，CPW傳輸線寬度的增加同時也增大了RF MEMS開關處于下拉狀態(tài)時與傳輸線上面介質層的接觸面積，從而增大了開關在關態(tài)時對射頻信號的短路電容，有利于提高隔離度。

　　如圖2(a)所示，當開關處于開態(tài)時，梁與傳輸線之間的開態(tài)電容較小，對射頻信號形成開路。如圖2(b)所示，當開關處于關態(tài)時，傳輸線上接觸部分厚度為150 nm的Si3N4介質層隔離直流電壓，并且可以產生較大的閉態(tài)電容，對射頻信號形成短路。

 　　圖3為開關的等效電路模型，其中Z0為CPW傳輸線輸入輸出特征阻抗；C為開關梁與傳輸線間的電容，它隨開關的工作狀態(tài)而改變；LS與RS分別為開關梁的等效電感和電阻；L1為開關梁與地平面間的短截高阻線引入的串聯電感。開關的諧振頻率f0由式(5)給出，其中L為總的串聯電感。本文中經過優(yōu)化設計的短截高阻線尺寸為150μm×60 μm，開關在閉態(tài)時獲得了13.5 GHz的諧振頻率。

 
　　圖4(a)為本文設計的π型調諧開關電路，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，還能在適當的開態(tài)電容下獲得很高的隔離度。高阻傳輸線位于兩并聯開關之間可實現阻抗匹配。π型調諧電路開態(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度和阻抗。
 

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