一種基于高阻硅襯底的高精度RFMEMS衰減器設(shè)計

張一飛，李孟委，吳倩楠

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051；3.中北大學(xué) 微系統(tǒng)集成研究中心，山西 太原 030051；4.中北大學(xué) 理學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引 言

射頻微機械衰減器，可簡稱RF MEMS衰減器，是一種常用的微波部件，主要功能是控制微波信號電平幅度，實現(xiàn)對微波信號電平的步進衰減，重點應(yīng)用在微波頻譜分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號發(fā)生器、功率計等微波測試儀器，而這些儀器在軍事防務(wù)和自動測試設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用.例如信號發(fā)生器應(yīng)用于雷達、電子戰(zhàn)、通信裝備等電子系統(tǒng)綜合性能評估中；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀廣泛應(yīng)用于元器件、雷達、航天、通信等領(lǐng)域的S參數(shù)測量和誤差修正[1-2].通常，RF MEMS衰減器是由若干個衰減單元組成，每個衰減單元是通過共面波導(dǎo)(CPW)將射頻微機械開關(guān)(簡稱RF MEMS開關(guān))和衰減電阻集合而成，并利用功率分配器(簡稱功分器)將一定功率的信號按照一定比例輸入到射頻電路中.當(dāng)射頻開關(guān)受到一定的靜電驅(qū)動時，可通過斷開或閉合來控制衰減電阻與直通線間的切換以及多個衰減單元的不同組合，從而實現(xiàn)信號的程控衰減、步進衰減.這種衰減器因其結(jié)構(gòu)小巧緊湊，容易實現(xiàn)各種復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，可廣泛應(yīng)用于微波電路中[3].

2009年，意大利FBK研發(fā)中心首先提出并設(shè)計制作了基于MEMS開關(guān)的多比特位衰減器[4].他們采用串聯(lián)接觸型MEMS開關(guān)，采用摻雜的多晶硅作為衰減電阻，方阻值為139 Ω/□.當(dāng)某一位的MEMS開關(guān)處于“關(guān)”狀態(tài)時，信號通過多晶硅電阻被衰減；當(dāng)開關(guān)下拉處于“開”狀態(tài)時，該位衰減電阻被短路，信號實現(xiàn)理想無衰減傳輸.整體器件面積僅為3.48×2.52 mm2.測試結(jié)果表明器件在DC～13.5 GHz，衰減幅度范圍為1.8～19.7 dB，開關(guān)驅(qū)動電壓15 V.然而，該設(shè)計中采用單一電阻作為衰減單元，匹配特性較差，衰減動態(tài)范圍也較小.2016年，清華大學(xué)某一研究小組研制了一款基于多晶硅衰減電阻的程控步進衰減器[5-6]，同樣也采用串聯(lián)式開關(guān)和多晶硅摻雜的多晶硅作為衰減電阻單元，在DC～20 GHz，衰減幅度范圍為0～70 dB，駐波比1.71，衰減精度為±3 dB，該衰減器拓寬了衰減動態(tài)范圍，但其回波損耗較差，衰減精度較低.

針對目前現(xiàn)有的RF MEMS衰減器存在插入損耗高，衰減精度低，駐波比(VSWR)過大等問題，本文提出并設(shè)計了一款新型的RF MEMS衰減器結(jié)構(gòu)，由喇叭狀功分器、直板狀懸臂梁RF MEMS開關(guān)以及氮化鉭π型衰減電阻網(wǎng)絡(luò)組成.通過設(shè)計和優(yōu)化喇叭狀功分器和RF MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)，降低RF MEMS衰減器整體插入損耗，改善RF MEMS衰減器駐波比以及提高RF MEMS衰減器衰減精度.

1 RF MEMS衰減器結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 RF MEMS直板狀懸臂梁開關(guān)設(shè)計

由于RF MEMS開關(guān)是執(zhí)行信號切換的重要傳輸通道，因此它的穩(wěn)定性和可靠性直接關(guān)系到衰減器的性能和指標(biāo)；其中最為重要的兩個指標(biāo)是插入損耗和隔離度[7].當(dāng)開關(guān)閉合時，線路導(dǎo)通，開關(guān)輸入端和輸出端的功率之比即為開關(guān)的插入損耗通常由S21表示，插入損耗絕對值越小說明開關(guān)性能越優(yōu).當(dāng)開關(guān)斷開時，線路沒有導(dǎo)通，開關(guān)輸入端的功率和泄漏到輸出端的功率之比即為開關(guān)的隔離度，通常也由S21表示，隔離度的絕對值越大，說明信號泄露越少，開關(guān)性能越優(yōu).本文采用直板狀懸臂梁RF MEMS開關(guān)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示，主要是由襯底、微波傳輸線(信號線和地線)、驅(qū)動電極、下電極、觸點、直板上電極等組成.這種結(jié)構(gòu)與常用的開關(guān)結(jié)構(gòu)：球拍狀懸臂梁[5]、回折梁[8]、穿孔結(jié)構(gòu)非均勻彎折型[9]、鍋鏟型[10]、八邊形[11]結(jié)構(gòu)等相比，具有簡單實用、方便阻抗匹配的優(yōu)點，并且在工藝加工中易于實現(xiàn)，可提高開關(guān)的成品率，并且下電極采用雙觸點結(jié)構(gòu)來增強開關(guān)的接觸特性，提高開關(guān)工作的穩(wěn)定性.

利用HFSS軟件對RF MEMS開關(guān)進行射頻性能分析，得到在DC～20 GHz的范圍內(nèi)，開關(guān)導(dǎo)通時，開關(guān)的插入損耗優(yōu)于-0.21 dB，斷開時，開關(guān)的隔離度優(yōu)于-20 dB.

圖 1RF MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of RF MEMS switch

由此可見，懸臂梁式直板狀上電極開關(guān)具有較好的插入損耗和隔離度，可以將它應(yīng)用于衰減單元中，提高衰減器整體的微波性能.

圖 2RF MEMS開關(guān)仿真Fig.2 RF MEMS switch simulation

1.2 功分器設(shè)計

在RF衰減器中作為信號輸入端口與衰減網(wǎng)絡(luò)傳輸橋梁的功分器，它的作用是實現(xiàn)共面波導(dǎo)(CPW)傳輸線與負載間阻抗匹配，盡量減少衰減系統(tǒng)的功率損耗，提高衰減器整體的衰減性能.目前，常用在RF MEMS衰減器中的是T型結(jié)功分器，因其結(jié)構(gòu)小巧緊湊，容易實現(xiàn)各種復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于微波電路中[3].但對T型結(jié)其本身結(jié)構(gòu)來說，因其寬度存在驟變邊界，會使傳輸信號發(fā)生突變，導(dǎo)致系統(tǒng)插入損耗增大，衰減精度降低，因此，優(yōu)化RF MEMS衰減器中的功分器顯得尤為重要.據(jù)此，本文對衰減器中功分器結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，提出了一種漸變式喇叭型功分器結(jié)構(gòu)，可簡稱喇叭型功分器，如圖 3(a) 所示，其中信號線寬度為120 μm，地線寬度為195 μm，信號線與地線之間的間距為75 μm.喇叭狀功分器的具體尺寸如圖 3(c) 所示，兩條對稱邊的尺寸為100 μm，喇叭口的尺寸為220 μm.

圖 3喇叭形功分器Fig.3 Horn type power divider

在信號線與傳輸線的接口處采用漸變式喇叭形狀的功分器可有效降低信號傳輸過程中的信號突變.功分器的微波性能主要體現(xiàn)在插入損耗和回波損耗[12]，插入損耗指在傳輸系統(tǒng)的某處由于元件或器件的插入而發(fā)生的負載功率的損耗，因此插入損耗的絕對值越小，功分器的微波性能越優(yōu)；回波損耗又稱為反射損耗，是波導(dǎo)由于阻抗不匹配產(chǎn)生的反射.回波損耗是反射系數(shù)的倒數(shù)，因此回波損耗絕對值越大表示匹配越好，功分器微波性能越優(yōu).據(jù)此，本文通過設(shè)置三個端口，仿真模型如圖 3(b) 所示，對不同端口下的插入損耗和回波損耗進行模擬計算，其結(jié)果如圖 4 所示.圖 4(a) 為插入損耗，S21為1端口輸入，2端口輸出；S31代表1端口輸入，3端口輸出.在10 GHz附近，插入損耗在3.94～3.95 dB之間，在18 GHz 附近，插入損耗在4.46～4.47 dB 之間.

圖 4喇叭形功分器微波性能仿真

Fig.4Horn type power splitter microwave performance simulation

如圖 4(b) 所示，其三條線分別為端口1，2，3的回波損耗.在10 GHz附近，喇叭型功分器回波損耗的絕對值大于9.52 dB，在18 GHz 時，回波損耗絕對值大于8.70 dB.表 1 表明：喇叭型功分器的射頻性能優(yōu)于T型功分器.

表 1T型功分器與喇叭型功分器微波性能對比

1.3 衰減電阻設(shè)計

RF MEMS衰減器的功能是程控衰減步進，實現(xiàn)衰減步進的重要單元是衰減電阻網(wǎng)絡(luò)(以下可簡稱衰減電阻)，它的性能直接決定了衰減器的衰減量，因此對衰減電阻的設(shè)計也尤為重要.常見的衰減電阻為π型與T型兩種結(jié)構(gòu)[4]，其中T型網(wǎng)絡(luò)是由兩個串聯(lián)電阻和一個并聯(lián)電阻組成的，π型是由兩個并聯(lián)電阻和一個串聯(lián)電阻組成的，這兩種電阻網(wǎng)絡(luò)均可實現(xiàn)較好的衰減性能.

考慮到后期工藝加工，本文選用結(jié)構(gòu)簡單、匹配性能較好的π型結(jié)構(gòu)設(shè)計.通過計算得到π型衰減電阻的固定衰減值.這里，設(shè)A為固定衰減值，單位為dB；Z0是器件端口阻抗，數(shù)值為50 Ω@20 GHz.Rs和Rp可由式(1)和(2)計算得出[13-14].

(1)

(2)

當(dāng)A=10，20 dB時，Rs和Rp取表 2 所示數(shù)值.

表 2π型衰減電阻的理論計算值

由于TaN薄膜電阻工藝成熟，便于后期工藝加工，所以采用TaN作為衰減電阻材料，TaN電阻的方阻值設(shè)定為100 Ω/□，一般電阻值可由方阻值乘電阻長寬比得到，式如(3)所示.

(3)

衰減電阻的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 5 所示.設(shè)定Ip為Rp的長度值，Wp為Rp的寬度值；Is為Rs的長度值，Ws為Rs的寬度值.由于共面波導(dǎo)(CPW)的尺寸已經(jīng)確定，所以，通過仿真設(shè)計，得到各衰減電阻尺寸如表 3 所示.

圖 5衰減網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Attenuation network

衰減電阻的插入損耗即為衰減電阻的實際衰

減量，可用S21表示.插入損耗和標(biāo)稱衰減量越接近，說明衰減電阻的衰減精度越高，衰減電阻的回波損耗即S11，它體現(xiàn)了衰減電阻的匹配程度，插入損耗和回波損耗的大小由電阻網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和阻值決定[15].采用HFSS對衰減電阻網(wǎng)絡(luò)的插入損耗和回波損耗進行模擬仿真，結(jié)果如圖 6 所示.

表 3各衰減電阻結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化值

圖 6衰減電阻的S參數(shù)

由圖 6 可以看出，在10 dB的衰減網(wǎng)絡(luò)中，衰減量S21幾乎等于10 dB.在20 dB的衰減網(wǎng)絡(luò)中，衰減量S21基本接近20 dB，符合衰減電阻網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計要求.而且無論10 dB還是20 dB衰減網(wǎng)絡(luò)中，它的回波損耗S11的絕對值均在25 dB以上，尤其是在20 dB衰減網(wǎng)絡(luò)中，已達到27 dB以上.因此，π型衰減電阻符合程控衰減要求，可應(yīng)用在衰減器中.

2 RF MEMS衰減器HFSS仿真分析

RF MEMS衰減器為四比特位衰減器，由三個20 dB的衰減單元和一個10 dB的衰減單元組成，衰減范圍為0～70 dB，步進為10 dB.每個衰減單元包括四個開關(guān)、一個衰減器網(wǎng)絡(luò)和兩個功分器.利用本文設(shè)計的RF MEMS直板狀懸臂梁開關(guān)、喇叭型功分器以及π型衰減電阻結(jié)構(gòu)，組成衰減器的仿真模型，當(dāng)每個單元的直通回路導(dǎo)通時，衰減器處于直通狀態(tài).在DC～20 GHz的頻寬內(nèi)，采用HFSS軟件對衰減器直通時的微波性能進行模擬仿真，結(jié)果如圖 7 所示，10 GHz和18 GHz的性能參數(shù)見表 4.

表 4四比特喇叭狀衰減器與T型衰減器部分仿真參數(shù)對比

圖 7(a) 為優(yōu)化后衰減器的插入損耗.由圖可知：在10 GHz，插入損耗為1.45 dB，18 GHz時為2.22 dB，可計算得到插入損耗的中心值為1.35 dB，優(yōu)于采用T型結(jié)功分器的四比特位RF MEMS衰減器(插入損耗中心值為 1.75 dB).圖 7(b) 為優(yōu)化后衰減器的駐波比，駐波比又稱VSWR，阻抗失配會導(dǎo)致高頻能量反射折回，與前進部分干擾匯合發(fā)生駐波，駐波波腹處的電壓幅值Vmax與波節(jié)處的電壓幅值Vmin之比即為駐波比，衰減器兩端的駐波越接近，說明衰減器對兩端電路的影響越小，因此兩端駐波比越接近1越好[16].從圖 7(b) 可以看出，采用喇叭型功分器的衰減器的駐波比最大是1.07，最小是1.02，基本上在1附近，而T型結(jié)功分器式的衰減器駐波比最大達到1.1[9].

圖 7喇叭型功分器的衰減器的性能參數(shù)Fig.7 The performance parameters of the attenuator horn type power divider

通過圖 7(c) 可以看出在 DC～18 GHz 頻段該結(jié)構(gòu)的回波損耗均優(yōu)于29.06 dB，回波損耗絕對值越大說明信號反射越好，結(jié)構(gòu)性能越優(yōu)越.

對于RF MEMS衰減器來說，最重要的是衰減量和衰減精度，因此需對DC～20 GHz的衰減步進進行仿真，結(jié)果如圖 8 所示.由此可見，以10 dB為步進，0～70 dB的衰減量，全頻段衰減精度優(yōu)于±2 dB，優(yōu)于目前RF MEMS衰減器[5]，具有良好的微波性能.由表4可以看出，基于喇叭型功分器的衰減器在插入損耗、駐波比以及回波損耗均優(yōu)于采用T型結(jié)功分器的衰減器.

圖 84比特衰減器仿真結(jié)果 Fig.8 Attenuation simulations results of the 4 bit attenuator

由上述結(jié)果可知，采用喇叭型功分器的衰減器的各項指標(biāo)明顯優(yōu)于T型結(jié)的衰減器，可實現(xiàn)低插入損耗、高回波損耗以及改善駐波比的設(shè)計目的.

3 結(jié) 論

本文設(shè)計并優(yōu)化了RF MEMS開關(guān)、共面波導(dǎo)(CPW)功分器以及衰減電阻結(jié)構(gòu)，通過采用直板狀懸臂梁開關(guān)、喇叭型共面波導(dǎo)(CPW)功分器以及π型衰減電阻集成RF MEMS衰減器，實現(xiàn)工作頻率在DC～20 GHz內(nèi)、衰減范圍為0～70 dB、四位步進且步進間隔10 dB，插入損耗中心值優(yōu)于1.35 dB，駐波比優(yōu)于1.08，衰減精度優(yōu)于±2 dB，為后期制作高微波性能的RF MEMS衰減器提供了有效的設(shè)計方案.