射頻微機電(Radio Frequency Micro-electromechanical Systems,RF MEMS)開關(guān)具有尺寸小,重量輕,對加速度不敏感,在微波頻率下無直流損耗,并具有高隔離度和低插入損耗等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于射頻系統(tǒng)中。方向圖可重構(gòu)天線可通過改變天線表面電流分布,從而可改變波束輻射方向,實現(xiàn)方向圖可重構(gòu)。在方向圖可重構(gòu)天線中,頻率與極化方式應(yīng)保持穩(wěn)定不變。將方向圖可重構(gòu)天線運用于天線陣列時,可以通過改變單元的波束方向,使不同單元的波束方向都集中于某個方向而提供更高的陣列增益。本文圍繞設(shè)計出高性能的MEMS單刀雙擲開關(guān)并將其應(yīng)用于方向圖可重構(gòu)天線陣列,針對電容式單刀雙擲開關(guān)的設(shè)計難題,提出了一種新型具有雙層電極結(jié)構(gòu)的單刀雙擲開關(guān),并將其應(yīng)用于方向圖可重構(gòu)天線陣列中,仿真和測試結(jié)果表明,本文設(shè)計的單刀雙擲開關(guān)的隔離度小于-35dB,插入損耗大于-ldB,達(dá)到了優(yōu)異的性能,可重構(gòu)天線陣列的掃描角度有±16°的偏轉(zhuǎn),驗證了模型與設(shè)計方法的正確性。本文主要研究成果與創(chuàng)新如下。第一,針對如何設(shè)計出獨有獨立電極的MEMS單刀單擲開關(guān)的難題,設(shè)計出具有特殊疊放電極結(jié)構(gòu)的高性能MEMS開關(guān)并進(jìn)行理論分析。對于本課題研究的電容式MEMS開關(guān)而言,疊放電極結(jié)構(gòu)會對原有結(jié)構(gòu)的電路模型造成影響。對于這種特殊結(jié)構(gòu)的高性能的MEMS單刀單擲開關(guān)的建模和計算至關(guān)重要,本文在原有的模型基礎(chǔ)上提出了一種計算方法,解決了這種具有獨立電極結(jié)構(gòu)MEMS開關(guān)的設(shè)計難題,為以后的SPDT設(shè)計打下了基礎(chǔ)。同時,硅基共面波導(dǎo)上設(shè)計MEMS開關(guān)的過程中,為了達(dá)到預(yù)定的電磁電路性能,需要在MEMS開關(guān)錨區(qū)附近的共面波導(dǎo)地上開槽,形成非連續(xù)性結(jié)構(gòu)。非連續(xù)性結(jié)構(gòu)的存在,必會對流過信號線的信號造成影響,為了準(zhǔn)確設(shè)計非連續(xù)性結(jié)構(gòu),這些參數(shù)的計算是首要要解決的問題。通過使用保角變換如本文所使用的冪變換以及施瓦茨變化等方法,結(jié)合第一類與第二類橢圓積分,解決非連續(xù)性地共面波導(dǎo)參數(shù)的計算問題。第二,針對如何能使電容式開關(guān)在具有獨立電極的情況下實現(xiàn)一通一斷的功能,設(shè)計出具有公共地結(jié)構(gòu)的MEMS單刀雙擲開關(guān)并進(jìn)行分析與仿真。現(xiàn)有的射頻MEMS單刀雙擲開關(guān)并聯(lián)技術(shù)是直接在共面波導(dǎo)信號線處并聯(lián)單刀單擲開關(guān),為了使開關(guān)梁下拉,要通過對開關(guān)梁加直流驅(qū)動電壓,由于共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的限制,此時會導(dǎo)致公共地處電勢不等,需要額外搭建空氣橋來控制各處的公共地形成等勢面,使得開關(guān)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。具有獨立電極結(jié)構(gòu)的并聯(lián)式開關(guān)雖然可以對電極加電,不會引起公共地處電勢不等的問題,但是由于在Ka波段共面波導(dǎo)的溝道結(jié)構(gòu)很窄,使得容納的獨立電極大小受限制,從而會導(dǎo)致產(chǎn)生的靜電力變小而無法使開關(guān)梁彎曲下拉。本方法擬設(shè)計出具有共地結(jié)構(gòu)的共面波導(dǎo),相比于傳統(tǒng)方法(在CPW信號線上直接并聯(lián)MEMS單刀單擲開關(guān)),該方法所設(shè)計的SPDT開關(guān)公共地部分連接在一起構(gòu)成等勢面,不需要連接空氣橋,信號線與開關(guān)梁直接接在在一起。最后,設(shè)計出一款具有掃描功能的方向圖可重構(gòu)天線陣列,通過MEMS單刀雙擲開關(guān)控制能夠達(dá)到方向圖掃描范圍在±16°左右,實現(xiàn)可重構(gòu)功能,進(jìn)行仿真,測試并驗證實驗結(jié)果。
【學(xué)位單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN820;TH-39
【部分圖文】：

力學(xué)結(jié)構(gòu)的分析可以得出平行板固支電壓后，開關(guān)由于靜電驅(qū)動特性的影輸信號線構(gòu)成了電容結(jié)構(gòu)，由于電容傳輸線信號通過開關(guān)梁引入共面波導(dǎo)磁模型的分析主要針對電容、電感、系數(shù)的研究。為了使開關(guān)的頻率達(dá)到Ｋ達(dá)到設(shè)計要求，對于ＲＦ邋ＭＥＭＳ開關(guān)使用的的開關(guān)為并聯(lián)式平行板電容式，分析其力學(xué)模型和電磁模型并提取參力學(xué)模型的分析逡逑結(jié)構(gòu)中，本文采取固支撐作為梁結(jié)構(gòu)，以被廣泛應(yīng)用于ＭＥＭＳ電容式開關(guān)屮梁形變時回復(fù)力，ｔ為梁的彈性系數(shù)，Ｆ邋＝邋ｋＡｇ逡逑

開關(guān)的回復(fù)力與彈性系數(shù)有關(guān)，而彈性系數(shù)在中間平行板正對位置處保持逡逑不變，使回復(fù)力與外加的靜電力相等，可以得到公式２－３，解方程后，可得到外逡逑加電壓的計算公式２－４。圖２－２表示了間隙高度與電壓之間的關(guān)系，其中逡逑Ｆ＝７叫Ａ：＝／６Ｗ／ｍ。觀察圖中電壓與間隙高度的關(guān)系可逡逑以發(fā)現(xiàn)當(dāng)ｇ邋＝２／３邋時，電壓達(dá)到最大值。把ｇ邋＝２／３別代入公式２－４中，可以求逡逑出下拉電壓的最大值為３０Ｖ，具體公式在公式２－５中給出。逡逑３５邋邐■邐＇邐１邐■邐．邐逡逑３０邋？邐邋■逡逑２５邋／邋＼逡逑＞２０＇邋／邋＼邋■逡逑＾邋／邋＼逡逑．土邐／邐＼逡逑二ｉ邋１５邋－邐／邐＼邋？逡逑＇邋／邋＼逡逑１０邋－邐／邐Ｉ－逡逑，／邐＇逡逑／逡逑０邋邐１邐１邐！邐＇邐＇邐逡逑０邐０．５邐１邐１．５邐２邐２．５邐３逡逑Ｍ

本文編號：2824034