论文部分内容阅读
同传统的FET管和PIN开关管相比,电容式RF MEMS开关具有损耗低、直流功耗小、隔离度高、易于集成等许多优点,其在微波及毫米波控制电路中具有广泛的应用前景。随着研究的深入以及技术的发展,电容式RF MEMS开关的可靠性理论越来越完善,但是仍然存在一些未解决的可靠性问题,其中开关动态工作过程中的电磁干扰问题还没有人研究过。
电容式RF MEMS开关在工作过程中,由于驱动电压的施加和撤消以及开关膜桥的上下运动,电容极板间变化的电场会产生磁场,从而形成变化的电磁场,乃至向外辐射电磁波。另外这里产生的变化电磁场可能会对开关共面波导(CPW)上的RF信号产生影响,甚至也会对开关周围的高频电路和器件产生电磁干扰影响,所以必须要对开关产生的电磁场进行建模分析才能确定其产生的电磁干扰影响有多大。
本文首先对电容式RF MEMS开关的等效电路研究,动态模型研究以及可靠性研究进行综述,这是本文研究工作的基础。接着,本文对开关膜桥建立了一个准确的一维动态模型,包含了机械力,静电力乃至空气阻尼力对膜桥运动的影响。并分析了膜桥在下拉阶段和释放上升阶段的运动曲线,发现膜桥的机械运动时间在10<,μ>s量级,尤其在上升阶段中如果膜桥的品质因子高于一定值时,膜桥会在初始位置附近发生阻尼振动现象。
在开关膜桥的动态运动模型的基础上,开关的驱动信号为方波信号时,可以把开关工作过程分成四个阶段分别进行分析:(1)开关电容充电阶段;(2)膜桥下拉阶段;(3)开关电容放电阶段;(4)膜桥被释放,恢复到初始位置阶段。并通过麦克斯韦方程建立了各个阶段中产生的电磁场模型。从电磁场模型中可以发现,充电阶段和下拉阶段产生的电磁场都是脉冲磁场(脉冲宽度分别为1.48×10<-8>μs和0.7<,μ>s),放电阶段的电磁场为高频谐振场(本文中开关参数下,频率为29.34GHz,持续时间为1.32×10<-3>μs),而膜桥上升阶段由于没有驱动电压,因此该阶段的电磁场和电磁干扰非常小可以忽略。从电磁场的量级上看,开关电容充电和放电阶段的量级最高,分别为10<6>A/m和10<4>A/m,而下拉阶段的磁场量级相对较小为6A/m。
通过单元面叠加法数值模拟验证了本文电磁场模型的正确性,其中开关极板内磁场的最大相对误差仅为8.6%。并且根据模型验证的结果和误差分析,对现有的电磁场模型作了进一步的修正和完善,提高了其在开关电容极板之外的区域的准确性。
在建立的电磁场模型的基础上,本文还分析了开关产生的两种电磁干扰:传导干扰和辐射干扰。在传导干扰中,干扰最为严重的是开关电容放电阶段对RF信号产生了频率为29.34GHz的高频谐振噪声信号,会严重影响 RF 信号上加载的信息的准确性。而辐射干扰又包括磁场感应干扰和电磁波辐射干扰,这两种都是开关可能会对周围电路和器件造成的电磁干扰。其中磁场感应干扰强度最大,因为它是开关电容产生的磁场(放电阶段和充电阶段的磁场强度分别高达10<6>A/m和10<4>A/m)直接造成的干扰,而电磁波辐射干扰是开关电容的边缘电场所产生的,相对较小,但是也不能忽略其对开关周围高频电路的干扰影响。
最后提出了对开关设计的一些改进和建议:(1)驱动信号的优化,适当增加驱动信号的上升沿和下降沿时间;(2)增加噪声过滤电路,可以过滤掉大部分的电磁干扰信号,不过对于和RF信号频率接近的高频噪声需要特殊的处理电路;(3)对开关进行封装,可以有效的对开关向往辐射的电磁干扰波利外界传播进来的电磁干扰波进行衰减和屏蔽。通过采取这些措施,开关的电磁兼容性可以获得极大的提高。