基于MEMS技术的单刀双掷开关与可重构天线阵列的研究

发布时间：2020-09-21 21:51

　　 射频微机电(Radio Frequency Micro-electromechanical Systems,RF MEMS)开关具有尺寸小,重量轻,对加速度不敏感,在微波频率下无直流损耗,并具有高隔离度和低插入损耗等优点,广泛应用于射频系统中。方向图可重构天线可通过改变天线表面电流分布,从而可改变波束辐射方向,实现方向图可重构。在方向图可重构天线中,频率与极化方式应保持稳定不变。将方向图可重构天线运用于天线阵列时,可以通过改变单元的波束方向,使不同单元的波束方向都集中于某个方向而提供更高的阵列增益。本文围绕设计出高性能的MEMS单刀双掷开关并将其应用于方向图可重构天线阵列,针对电容式单刀双掷开关的设计难题,提出了一种新型具有双层电极结构的单刀双掷开关,并将其应用于方向图可重构天线阵列中,仿真和测试结果表明,本文设计的单刀双掷开关的隔离度小于-35dB,插入损耗大于-ldB,达到了优异的性能,可重构天线阵列的扫描角度有±16°的偏转,验证了模型与设计方法的正确性。本文主要研究成果与创新如下。第一,针对如何设计出独有独立电极的MEMS单刀单掷开关的难题,设计出具有特殊叠放电极结构的高性能MEMS开关并进行理论分析。对于本课题研究的电容式MEMS开关而言,叠放电极结构会对原有结构的电路模型造成影响。对于这种特殊结构的高性能的MEMS单刀单掷开关的建模和计算至关重要,本文在原有的模型基础上提出了一种计算方法,解决了这种具有独立电极结构MEMS开关的设计难题,为以后的SPDT设计打下了基础。同时,硅基共面波导上设计MEMS开关的过程中,为了达到预定的电磁电路性能,需要在MEMS开关锚区附近的共面波导地上开槽,形成非连续性结构。非连续性结构的存在,必会对流过信号线的信号造成影响,为了准确设计非连续性结构,这些参数的计算是首要要解决的问题。通过使用保角变换如本文所使用的幂变换以及施瓦茨变化等方法,结合第一类与第二类椭圆积分,解决非连续性地共面波导参数的计算问题。第二,针对如何能使电容式开关在具有独立电极的情况下实现一通一断的功能,设计出具有公共地结构的MEMS单刀双掷开关并进行分析与仿真。现有的射频MEMS单刀双掷开关并联技术是直接在共面波导信号线处并联单刀单掷开关,为了使开关梁下拉,要通过对开关梁加直流驱动电压,由于共面波导结构的限制,此时会导致公共地处电势不等,需要额外搭建空气桥来控制各处的公共地形成等势面,使得开关结构复杂。具有独立电极结构的并联式开关虽然可以对电极加电,不会引起公共地处电势不等的问题,但是由于在Ka波段共面波导的沟道结构很窄,使得容纳的独立电极大小受限制,从而会导致产生的静电力变小而无法使开关梁弯曲下拉。本方法拟设计出具有共地结构的共面波导,相比于传统方法(在CPW信号线上直接并联MEMS单刀单掷开关),该方法所设计的SPDT开关公共地部分连接在一起构成等势面,不需要连接空气桥,信号线与开关梁直接接在在一起。最后,设计出一款具有扫描功能的方向图可重构天线阵列,通过MEMS单刀双掷开关控制能够达到方向图扫描范围在±16°左右,实现可重构功能,进行仿真,测试并验证实验结果。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN820;TH-39
【部分图文】：

力学结构的分析可以得出平行板固支电压后，开关由于静电驱动特性的影输信号线构成了电容结构，由于电容传输线信号通过开关梁引入共面波导磁模型的分析主要针对电容、电感、系数的研究。为了使开关的频率达到Ｋ达到设计要求，对于ＲＦ邋ＭＥＭＳ开关使用的的开关为并联式平行板电容式，分析其力学模型和电磁模型并提取参力学模型的分析逡逑结构中，本文采取固支撑作为梁结构，以被广泛应用于ＭＥＭＳ电容式开关屮梁形变时回复力，ｔ为梁的弹性系数，Ｆ邋＝邋ｋＡｇ逡逑

开关的回复力与弹性系数有关，而弹性系数在中间平行板正对位置处保持逡逑不变，使回复力与外加的静电力相等，可以得到公式２－３，解方程后，可得到外逡逑加电压的计算公式２－４。图２－２表示了间隙高度与电压之间的关系，其中逡逑Ｆ＝７叫Ａ：＝／６Ｗ／ｍ。观察图中电压与间隙高度的关系可逡逑以发现当ｇ邋＝２／３邋时，电压达到最大值。把ｇ邋＝２／３别代入公式２－４中，可以求逡逑出下拉电压的最大值为３０Ｖ，具体公式在公式２－５中给出。逡逑３５邋逦■逦＇逦１逦■逦．逦逡逑３０邋？逦邋■逡逑２５邋／邋＼逡逑＞２０＇邋／邋＼邋■逡逑＾邋／邋＼逡逑．土逦／逦＼逡逑二ｉ邋１５邋－逦／逦＼邋？逡逑＇邋／邋＼逡逑１０邋－逦／逦Ｉ－逡逑，／逦＇逡逑／逡逑０邋逦１逦１逦！逦＇逦＇逦逡逑０逦０．５逦１逦１．５逦２逦２．５逦３逡逑Ｍ

本文编号：2824034