串联MEMS开关的一种等效电路模型

串联MEMS开关的一种等效电路模型
摘　要ˇ本文建立了串联悬臂梁MEMS开关的一个等效电路模型ˇ利用该模型研究了开关的微波传输性能ˇ并与有ˇ元方法仿真的结果进行比较ˇ结果表明ˇ本文所建立的模型能很好地反映开关的微波特性。
关键词ˇ微机电系统　微波开关　等效电路 1 引言
近年来ˇ人们对机电系统器件轻型化、小型化的需要ˇ促使微机电系统ˇMEMSˇ技术迅速发展。MEMS器件在微波射频电路中得到了广泛应用ˇ如电感、滤波器、开关等ˇ其中ˇ微机电开关作为微波T/R组件中最重要的元件之一ˇ由于其优越的性能而越来越受到关注ˇ近年来取得了很大的发展ˇ出ˇ了各种类型的MEMS开关。与微波电路中过去所用的p-i-n二极管开关及FET开关ˇ比ˇMEMS开关自身的结构形式和工作原理决定了它不仅在宽频范围内具有高隔离度、低插损的优点ˇ而且具有重量轻、尺寸小、功耗低的特点ˇ从而可广泛应用于雷达系统、卫星通讯系统、无ˇ通讯系统等。
就目前的单刀单掷MEMS开关而言ˇ其电路有串联和并联两种结构ˇ由于结构不同ˇ导致这两种开关传输性能随频率变化而不同。并联结构的MEMS开关随着频率的增加ˇ其隔离度增加ˇ插损降低ˇ而串联结构的MEMS开关随着频率的增加ˇ其隔离度降低ˇ插损增加。因此ˇ在较低频率下ˇ宜使用串联结构的MEMS开关ˇ而在高频下宜使用并联结构的开关。对这两种开关的微波传输性能的研究ˇ目前几乎都是利用3D电磁仿真软件进行仿真ˇ缺乏一个方便而又较好满足实际设计的电路模型。建立一个简单有效的电路模型ˇ对于MEMS开关器件的设计、尺寸的优化等无疑具有重要意义ˇ同时还可方便地将等效电路模型应用到其他CAD软件中ˇ从而更易于设计出性能优异的MEMS器件。
本文建立了串联悬臂梁结构MEMS开关的等效电路ˇ利用该模型模拟MEMS开关的微波性能ˇ并将结果与有ˇ元仿真结果进行比较ˇ以验证本文所建模型的有效性。 2等效电路模型
通常的串联悬臂梁结构MEMS开关示意图所示。
其中ˇh为微带ˇ基底厚度ˇg为两段微带ˇ的间隙宽度。
对于MEMS开关ˇ其断状态时的隔离度是最重要的微波参数之一ˇ它可以用MEMS开关的散射矩阵参量S21来表征ˇ而开关的回波损耗则可以用S11来表征。利用所示的等效电路ˇ可导出这个双口网络的散射矩阵ˇ从而可得到MEMS开关的微波性能参数。ˇ 3结果与讨论
利用上述模型ˇ分别模拟了不同尺寸的串联MEMS开关断状态时的性能ˇ并与有ˇ元仿真软件HFSS的仿真结果进行比较。
从可以看出ˇ本文所建模型的模拟结果与有ˇ元方法所计算的结果符合得很好ˇˇaˇ中S11两者结果最大差别小于0.03dBˇS21最大差别小于0.3dBˇˇbˇ中S11两者结果最大差别小于0.02dBˇS21最大差别小于0.5dBˇ说明本文所建立的模型能很好地模拟开关的微波性能。从等效电路图也可以看出ˇ由于本文所建模型忽略了如电阻、电感等因素ˇ从而使模型计算结果与有ˇ元仿真结果有一定的差别。同时ˇˇ2ˇ式中间隙电容和接地电容的计算误差为7%〔9〕ˇ这也导致模型模拟结果与有ˇ元方法仿真结果有所差别。
利用的等效电路图ˇ可以得到MEMS开关的微波性能随悬臂梁与微带ˇ距离d、随微带ˇ间隙g的变化规律ˇˇ5所示。ˇ
从可见ˇ随着悬臂梁与微带ˇ距离d从1m增加到10mˇMEMS开关的|S21|参量增大ˇ而|S11|参量减小。从可见ˇ随着微带ˇ间隙距离g从10m增加到60mˇMEMS开关的|S21|参量增大ˇ而|S11|参量减小。由此可见ˇ增大悬臂梁与微带ˇ距离d和微带ˇ间隙距离g均有利于提高MEMS开关的隔离度ˇ但这却降低了MEMS开关的ˇ应速度、增加了通状态时的插损ˇ因此ˇ在设计开关时要综合考虑来优化开关的尺寸ˇ而本文所建立的等效电路模型为开关的优化设计奠定了坚实的基础。