電容式RF MEMS開關(guān)動態(tài)過程的電磁干擾研究.pdf

1、同傳統(tǒng)的FET管和PIN開關(guān)管相比，電容式RF MEMS開關(guān)具有損耗低、直流功耗小、隔離度高、易于集成等許多優(yōu)點，其在微波及毫米波控制電路中具有廣泛的應用前景。隨著研究的深入以及技術(shù)的發(fā)展，電容式RF MEMS開關(guān)的可靠性理論越來越完善，但是仍然存在一些未解決的可靠性問題，其中開關(guān)動態(tài)工作過程中的電磁干擾問題還沒有人研究過。 電容式RF MEMS開關(guān)在工作過程中，由于驅(qū)動電壓的施加和撤消以及開關(guān)膜橋的上下運動，電容極板間變化的電

2、場會產(chǎn)生磁場，從而形成變化的電磁場，乃至向外輻射電磁波。另外這里產(chǎn)生的變化電磁場可能會對開關(guān)共面波導(CPW)上的RF信號產(chǎn)生影響，甚至也會對開關(guān)周圍的高頻電路和器件產(chǎn)生電磁干擾影響，所以必須要對開關(guān)產(chǎn)生的電磁場進行建模分析才能確定其產(chǎn)生的電磁干擾影響有多大。 本文首先對電容式RF MEMS開關(guān)的等效電路研究，動態(tài)模型研究以及可靠性研究進行綜述，這是本文研究工作的基礎。接著，本文對開關(guān)膜橋建立了一個準確的一維動態(tài)模型，包含了機械

3、力，靜電力乃至空氣阻尼力對膜橋運動的影響。并分析了膜橋在下拉階段和釋放上升階段的運動曲線，發(fā)現(xiàn)膜橋的機械運動時間在10<,μ>s量級，尤其在上升階段中如果膜橋的品質(zhì)因子高于一定值時，膜橋會在初始位置附近發(fā)生阻尼振動現(xiàn)象。 在開關(guān)膜橋的動態(tài)運動模型的基礎上，開關(guān)的驅(qū)動信號為方波信號時，可以把開關(guān)工作過程分成四個階段分別進行分析：(1)開關(guān)電容充電階段；(2)膜橋下拉階段；(3)開關(guān)電容放電階段；(4)膜橋被釋放，恢復到初始位置階段

4、。并通過麥克斯韋方程建立了各個階段中產(chǎn)生的電磁場模型。從電磁場模型中可以發(fā)現(xiàn)，充電階段和下拉階段產(chǎn)生的電磁場都是脈沖磁場(脈沖寬度分別為1.48×10<'-8>μs和0.7<,μ>s)，放電階段的電磁場為高頻諧振場(本文中開關(guān)參數(shù)下，頻率為29.34GHz，持續(xù)時間為1.32×10<'-3>μs)，而膜橋上升階段由于沒有驅(qū)動電壓，因此該階段的電磁場和電磁干擾非常小可以忽略。從電磁場的量級上看，開關(guān)電容充電和放電階段的量級最高，分別為10

5、<'6>A/m和10<'4>A/m，而下拉階段的磁場量級相對較小為6A/m。 通過單元面疊加法數(shù)值模擬驗證了本文電磁場模型的正確性，其中開關(guān)極板內(nèi)磁場的最大相對誤差僅為8.6％。并且根據(jù)模型驗證的結(jié)果和誤差分析，對現(xiàn)有的電磁場模型作了進一步的修正和完善，提高了其在開關(guān)電容極板之外的區(qū)域的準確性。 在建立的電磁場模型的基礎上，本文還分析了開關(guān)產(chǎn)生的兩種電磁干擾：傳導干擾和輻射干擾。在傳導干擾中，干擾最為嚴重的是開關(guān)電容放電

6、階段對RF信號產(chǎn)生了頻率為29.34GHz的高頻諧振噪聲信號，會嚴重影響 RF 信號上加載的信息的準確性。而輻射干擾又包括磁場感應干擾和電磁波輻射干擾，這兩種都是開關(guān)可能會對周圍電路和器件造成的電磁干擾。其中磁場感應干擾強度最大，因為它是開關(guān)電容產(chǎn)生的磁場(放電階段和充電階段的磁場強度分別高達10<'6>A/m和10<'4>A/m)直接造成的干擾，而電磁波輻射干擾是開關(guān)電容的邊緣電場所產(chǎn)生的，相對較小，但是也不能忽略其對開關(guān)周圍高頻電路