射頻微機(jī)電(Radio Frequency Micro-electromechanical Systems,RF MEMS)開(kāi)關(guān)具有尺寸小,重量輕,對(duì)加速度不敏感,在微波頻率下無(wú)直流損耗,并具有高隔離度和低插入損耗等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于射頻系統(tǒng)中。方向圖可重構(gòu)天線可通過(guò)改變天線表面電流分布,從而可改變波束輻射方向,實(shí)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(yùn)用于天線陣列時(shí),可以通過(guò)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(gè)方向而提供更高的陣列增益。本文圍繞設(shè)計(jì)出高性能的MEMS單刀雙擲開(kāi)關(guān)并將其應(yīng)用于方向圖可重構(gòu)天線陣列,針對(duì)電容式單刀雙擲開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)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(kāi)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(cè)試結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的單刀雙擲開(kāi)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(yàn)證了模型與設(shè)計(jì)方法的正確性。本文主要研究成果與創(chuàng)新如下。第一,針對(duì)如何設(shè)計(jì)出獨(dú)有獨(dú)立電極的MEMS單刀單擲開(kāi)關(guān)的難題,設(shè)計(jì)出具有特殊疊放電極結(jié)構(gòu)的高性能MEMS開(kāi)關(guān)并進(jìn)行理論分析。對(duì)于本課題研究的電容式MEMS開(kāi)關(guān)而言,疊放電極結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)原有結(jié)構(gòu)的電路模型造成影響。對(duì)于這種特殊結(jié)構(gòu)的高性能的MEMS單刀單擲開(kāi)關(guān)的建模和計(jì)算至關(guān)重要,本文在原有的模型基礎(chǔ)上提出了一種計(jì)算方法,解決了這種具有獨(dú)立電極結(jié)構(gòu)MEMS開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)難題,為以后的SPDT設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。同時(shí),硅基共面波導(dǎo)上設(shè)計(jì)MEMS開(kāi)關(guān)的過(guò)程中,為了達(dá)到預(yù)定的電磁電路性能,需要在MEMS開(kāi)關(guān)錨區(qū)附近的共面波導(dǎo)地上開(kāi)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(huì)對(duì)流過(guò)信號(hào)線的信號(hào)造成影響,為了準(zhǔn)確設(shè)計(jì)非連續(xù)性結(jié)構(gòu),這些參數(shù)的計(jì)算是首要要解決的問(wèn)題。通過(guò)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(lèi)與第二類(lèi)橢圓積分,解決非連續(xù)性地共面波導(dǎo)參數(shù)的計(jì)算問(wèn)題。第二,針對(duì)如何能使電容式開(kāi)關(guān)在具有獨(dú)立電極的情況下實(shí)現(xiàn)一通一斷的功能,設(shè)計(jì)出具有公共地結(jié)構(gòu)的MEMS單刀雙擲開(kāi)關(guān)并進(jìn)行分析與仿真�，F(xiàn)有的射頻MEMS單刀雙擲開(kāi)關(guān)并聯(lián)技術(shù)是直接在共面波導(dǎo)信號(hào)線處并聯(lián)單刀單擲開(kāi)關(guān),為了使開(kāi)關(guān)梁下拉,要通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)梁加直流驅(qū)動(dòng)電壓,由于共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的限制,此時(shí)會(huì)導(dǎo)致公共地處電勢(shì)不等,需要額外搭建空氣橋來(lái)控制各處的公共地形成等勢(shì)面,使得開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。具有獨(dú)立電極結(jié)構(gòu)的并聯(lián)式開(kāi)關(guān)雖然可以對(duì)電極加電,不會(huì)引起公共地處電勢(shì)不等的問(wèn)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(dú)立電極大小受限制,從而會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的靜電力變小而無(wú)法使開(kāi)關(guān)梁彎曲下拉。本方法擬設(shè)計(jì)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(hào)線上直接并聯(lián)MEMS單刀單擲開(kāi)關(guān)),該方法所設(shè)計(jì)的SPDT開(kāi)關(guān)公共地部分連接在一起構(gòu)成等勢(shì)面,不需要連接空氣橋,信號(hào)線與開(kāi)關(guān)梁直接接在在一起。最后,設(shè)計(jì)出一款具有掃描功能的方向圖可重構(gòu)天線陣列,通過(guò)MEMS單刀雙擲開(kāi)關(guān)控制能夠達(dá)到方向圖掃描范圍在±16°左右,實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)功能,進(jìn)行仿真,測(cè)試并驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
【學(xué)位單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：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(kāi)關(guān)由于靜電驅(qū)動(dòng)特性的影輸信號(hào)線構(gòu)成了電容結(jié)構(gòu)，由于電容傳輸線信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)梁引入共面波導(dǎo)磁模型的分析主要針對(duì)電容、電感、系數(shù)的研究。為了使開(kāi)關(guān)的頻率達(dá)到Ｋ達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)于ＲＦ邋ＭＥＭＳ開(kāi)關(guān)使用的的開(kāi)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(kāi)關(guān)屮梁形變時(shí)回復(fù)力，ｔ為梁的彈性系數(shù)，Ｆ邋＝邋ｋＡｇ逡逑

開(kāi)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(duì)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(jì)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(shí)，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(hào)：2824034