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基于MEMS技术的开关和电磁带隙可调滤波器设计

作　者: 张理
导　师: 钟洪声
学　校: 电子科技大学
专　业: 电路与系统
关键词: RF MEMS MEMS开关 EBG 可调滤波器
分类号: TN713
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)开关的迅速发展显示出了它在低损耗微波应用领域强大的潜力。与传统的FET场效应管和PIN二极管相比,RF MEMS开关的优势突出地体现在其较低的交调失真、极低的直流功率消耗、低插入损耗和高隔离度等性能。另一方面,随着可重构宽度系统和多带系统的广泛需求及发展,可调谐滤波器在收发机、多带通信系统和宽频段雷达系统的频率控制上扮演越来越重要的角色。而将MEMS技术引入到可调滤波器应用领域,在保持了滤波器良好性能的同时,还可以有效地减小系统的体积、重量和功耗等,加速了系统的小型化发展。本文首先以静电驱动型MEMS开关为例,分别分析了开关的机械和电磁模型。根据MEMS开关的力学集总模型,推导了开关的驱动电压公式。本文还利用专业MEMS有限元分析软件,计算了MEMS开关的本征谐振频率,每个频率对应的振动模态以及应力分布。通过全波仿真软件,分析了MEMS开关的电磁模型及其频率响应特性。基于MetalMUMPs标准工艺设计了多种电热驱动型MEMS开关,比如单刀双掷开关、自锁型单刀双掷开关、双稳态开关、多晶硅外部加热式开关等。通过焦耳热驱动,这些开关的驱动电压都相对较低,并且因为采用厚金属层欧姆接触,开关的性能优良。并且,自锁型开关在降低电热驱动型开关功率消耗方面也表现出很好的性能。本文介绍了电磁带隙结构,从电磁场理论出发分析了EBG结构的原理,并导出EBG结构周期的计算方法。设计了三种平面EBG结构的带阻滤波器,并通过考察滤波器的单元结构中电场和磁场强度分布的变化,优化了单元结构的几何尺寸。最后通过加入MEMS开关使滤波器具有可调谐的功能。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第一章绪论  8-19
  1.1 MEMS 技术  8-12
    1.1.1 MEMS 技术概述  8-9
    1.1.2 MEMS 制造技术  9-12
  1.2 RF MEMS 开关  12-14
  1.3 RF MEMS 滤波器  14-17
  1.4 本文的研究意义和内容  17-19
第二章 RF MEMS 技术的微波原理基础  19-25
  2.1 传输线理论  19-21
  2.2 两端口网络  21-22
  2.3 滤波器设计  22-25
第三章 RF MEMS 开关的设计  25-45
  3.1 静电驱动型 MEMS 开关  25-33
    3.1.1 MEMS 开关梁的力学特性分析  25-30
    3.1.2 MEMS 开关梁的电磁特性分析  30-33
  3.2 电热驱动型 MEMS 开关  33-36
  3.3 版图设计与工艺实现  36-45
    3.3.1 MetalMUMPs 工艺  36-39
    3.3.2 MEMS 开关的版图设计与工艺实现  39-45
第四章基于MEMS 技术的电磁带隙可调滤波器  45-68
  4.1 EBG 结构简介  45-47
  4.2 EBG 结构原理  47-48
  4.3 平面紧凑型 EBG 结构  48-50
  4.4 几种新型 UC-EBG 结构滤波器的设计  50-62
    4.4.1 T 型UC-EBG 滤波器  50-55
    4.4.2 单边紧凑型 UC-EBG 滤波器  55-59
    4.4.3 双边紧凑型 UC-EBG 滤波器  59-62
  4.5 MEMS 可调滤波器  62-68
    4.5.1 T 型可调滤波器  62-65
    4.5.2 紧凑型可调滤波器  65-68
第五章结论  68-70
  5.1 论文的主要内容  68-69
  5.2 论文的创新点  69
  5.3 未来的工作  69-70
致谢  70-71
参考文献  71-74
攻硕期间取得的研究成果  74-75

基于MEMS技术的开关和电磁带隙可调滤波器设计

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