RF-MEMS諧振器的性能優(yōu)化研究

代雪梅　張曉青

摘要：針對MEMS諧振器進行了電路的性能優(yōu)化設(shè)計。設(shè)計了高增益諧振器接口電路，仿真表明，優(yōu)化后諧振器的插入損耗由62dB減至0.51dB，提升了諧振器在通信中的應用潛力。

關(guān)鍵詞：RF-MEMS諧振器;阻抗匹配網(wǎng)絡;低插損

中圖分類號：TN1705 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）06-0123-02

0 引言

隨著5G發(fā)展，射頻器件呈現(xiàn)出功耗低、體積小、頻率高、集成度高、微型化、多通帶、多模式的發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)器件如石英晶振、陶瓷晶振等體積大、功耗高;而MEMS濾波器或者MEMS振蕩器，可滿足未來無線通信的要求，具有廣闊的發(fā)展前景。

但MEMS諧振器存在機電轉(zhuǎn)換效率較低，插入損耗較高，能量傳輸受到衰減等問題。因而，本文設(shè)計了接口電路對MEMS諧振器進行性能優(yōu)化。

1 RF-MEMS圓盤諧振器的工作原理

本文的MEMS圓盤諧振器為利用高度對稱的面內(nèi)徑向伸縮模態(tài)產(chǎn)生諧振的徑向振動具有非常大的彈性系數(shù)，具有很高的諧振頻率和品質(zhì)因子Q[1]。

為分析諧振器特性，通常采用機電模擬方法[2]。諧振器的等效模型如圖1所示。

其中，，，。為電極與圓盤間靜態(tài)電容，為輸入端機電耦合系數(shù)，為輸出端機電耦合系數(shù)，為有效剛度，為有效質(zhì)量，為阻尼系數(shù)。當諧振器的諧振頻率為ω0，施加的直流偏置電壓為Vi時，動態(tài)電阻Rx可表示為[3]：

，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中，Q為諧振器的品質(zhì)因子，ε0為空氣介電常數(shù)，A為電容極板面積，d為電容間隙。

受限導致電容間隙難以繼續(xù)減小，因而MEMS諧振器的動態(tài)阻抗較大，插入損耗較高。

2 接口電路設(shè)計

2.1 輸入、輸出匹配網(wǎng)絡設(shè)計

針對MEMS諧振器的高阻特性，引入L型阻抗匹配網(wǎng)絡，如圖2所示。

其中Rx為信號源阻抗，RL為負載阻抗，jB和jX分別為電感、電容。若：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

則有：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

（4）

（5）

（6）

通過式（6）即可計算出電路阻抗匹配所設(shè)計的電容的數(shù)值。

2.2 兩級放大電路設(shè)計

經(jīng)過阻抗匹配的MEMS諧振器仍有近40dB的插入損耗，且MEMS諧振器的輸出為微弱的電流高頻信號，需采用互阻抗放大器（TIA）提取微弱的電流信號，并在放大的同時抑制噪聲，采用兩級放大的方案。兩級放大電路的第一級采用微分跨阻放大;第二級采用反相電壓放大，電路如圖3所示。

3 仿真結(jié)果與分析

經(jīng)阻抗匹配后，插入損耗從62dB降低至了37.33dB，降低了放大電路的增益需求。兩級放大電路的頻譜圖如圖4所示。增益在40-200MHz以內(nèi)較為平坦，在頻率為150.7MHz時，電路的增益達到36.73dB，能夠有效補償MEMS諧振器的插入損耗。

將放大電路與阻抗匹配后諧振器輸出頻譜級聯(lián)仿真，如圖5所示。峰值處，插入損耗由37.33dB降至0.51dB，表明所設(shè)計的放大電路有效降低了諧振器的插入損耗。

4 結(jié)語

通過增加阻抗匹配網(wǎng)絡、兩級放大電路對高阻抗、高中心頻率、高品質(zhì)因子的MEMS諧振器的性能進行了優(yōu)化，降低了MEMS諧振器的插入損耗、提高了傳輸性能，插入損耗及傳輸性能的優(yōu)化設(shè)計對MEMS諧振器的實用推廣具有參考價值，提升了MEMS諧振器的應用潛力。

參考文獻

[1] J. R. Clark， W. T. Hsu， C. T. C. Nguyen. High-Q VHF micromechanical contour-mode disk resonators[C]. Proceedings of the IEEE International Technical Digest Electron Devices Meeting（IEDM），2000，F(xiàn) 10-13Dec.2000.

[2] Nguyen C. T. C. Frequency-selective MEMS for miniaturized low-power communication devices[C]. Microwave Theory & Techniques IEEE Transactions on， 1999， 47（8）：1486-1503.

[3] W.Jing，R.Zeying，C.T.C.Nguyen.1.156-GHz self-aligned vibrating micromechanical disk resonator[J].Ultrasonics，F(xiàn)erroelectrics and Frequency Control， IEEE Transactions on， 2004，51（12）：1607-1628.

[4] [美]W·O·亨利.電子系統(tǒng)噪聲抑制技術(shù)[M].北京：人民鐵道出版社，1978：209-239.

Study on Performance Optimization of RF-MEMS Resonators

DAI Xue-mei，ZHANG Xiao-qing

（School of Instrument Science and Opto Electronics Engineering， Beijng Information Science &Technology University，Beijing 100192）

Abstract：A circuit-based performance optimization design for MEMS resonators was done. Foran RF-MEMS resonator， a high gain resonator interface circuit was designed.The simulation results showthe insertion loss of the resonator after performance optimization is reduced from 62dBto 0.51 dB.

Key words：RF-MEMS resonator; impedance matching network; low insertion loss