電容式RF MEMS開關動態(tài)過程的電磁干擾研究.pdf

1、同傳統(tǒng)的FET管和PIN開關管相比，電容式RF MEMS開關具有損耗低、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的發(fā)展，電容式RF MEMS開關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開關在工作過程中，由于驅動電壓的施加和撤消以及開關膜橋的上下運動，電容極板間變化的電

2、場會產生磁場，從而形成變化的電磁場，乃至向外輻射電磁波。另外這里產生的變化電磁場可能會對開關共面波導(CPW)上的RF信號產生影響，甚至也會對開關周圍的高頻電路和器件產生電磁干擾影響，所以必須要對開關產生的電磁場進行建模分析才能確定其產生的電磁干擾影響有多大。 本文首先對電容式RF MEMS開關的等效電路研究，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。 在開關膜橋的動態(tài)運動模型的基礎上，開關的驅動信號為方波信號時，可以把開關工作過程分成四個階段分別進行分析：(1)開關電容充電階段；(2)膜橋下拉階段；(3)開關電容放電階段；(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，其中開關極板內磁場的最大相對誤差僅為8.6％。并且根據(jù)模型驗證的結果和誤差分析，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，本文還分析了開關產生的兩種電磁干擾：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電容放電

6、階段對RF信號產生了頻率為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，因為它是開關電容產生的磁場(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電容的邊緣電場所產生的，相對較小，但是也不能忽略其對開關周圍高頻電路