張一飛，李孟委，吳倩楠

(1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)械衰減器，可簡(jiǎn)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(hào)電平幅度，實(shí)現(xiàn)對(duì)微波信號(hào)電平的步進(jìn)衰減，重點(diǎn)應(yīng)用在微波頻譜分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號(hào)發(fā)生器、功率計(jì)等微波測(cè)試儀器，而這些儀器在軍事防務(wù)和自動(dòng)測(cè)試設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用.例如信號(hào)發(fā)生器應(yīng)用于雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信裝備等電子系統(tǒng)綜合性能評(píng)估中；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀廣泛應(yīng)用于元器件、雷達(dá)、航天、通信等領(lǐng)域的S參數(shù)測(cè)量和誤差修正[1-2].通常，RF MEMS衰減器是由若干個(gè)衰減單元組成，每個(gè)衰減單元是通過(guò)共面波導(dǎo)(CPW)將射頻微機(jī)械開(kāi)關(guān)(簡(jiǎn)稱RF MEMS開(kāi)關(guān))和衰減電阻集合而成，并利用功率分配器(簡(jiǎn)稱功分器)將一定功率的信號(hào)按照一定比例輸入到射頻電路中.當(dāng)射頻開(kāi)關(guān)受到一定的靜電驅(qū)動(dòng)時(shí)，可通過(guò)斷開(kāi)或閉合來(lái)控制衰減電阻與直通線間的切換以及多個(gè)衰減單元的不同組合，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的程控衰減、步進(jìn)衰減.這種衰減器因其結(jié)構(gòu)小巧緊湊，容易實(shí)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(jì)制作了基于MEMS開(kāi)關(guān)的多比特位衰減器[4].他們采用串聯(lián)接觸型MEMS開(kāi)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(kāi)關(guān)處于“關(guān)”狀態(tài)時(shí)，信號(hào)通過(guò)多晶硅電阻被衰減；當(dāng)開(kāi)關(guān)下拉處于“開(kāi)”狀態(tài)時(shí)，該位衰減電阻被短路，信號(hào)實(shí)現(xiàn)理想無(wú)衰減傳輸.整體器件面積僅為3.48×2.52 mm2.測(cè)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(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓15 V.然而，該設(shè)計(jì)中采用單一電阻作為衰減單元，匹配特性較差，衰減動(dòng)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(jìn)衰減器[5-6]，同樣也采用串聯(lián)式開(kāi)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(dòng)態(tài)范圍，但其回波損耗較差，衰減精度較低.

針對(duì)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(guò)大等問(wèn)題，本文提出并設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)以及氮化鉭π型衰減電阻網(wǎng)絡(luò)組成.通過(guò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化喇叭狀功分器和RF MEMS開(kāi)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(jì)

1.1 RF MEMS直板狀懸臂梁開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

由于RF MEMS開(kāi)關(guān)是執(zhí)行信號(hào)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(gè)指標(biāo)是插入損耗和隔離度[7].當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，線路導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)輸入端和輸出端的功率之比即為開(kāi)關(guān)的插入損耗通常由S21表示，插入損耗絕對(duì)值越小說(shuō)明開(kāi)關(guān)性能越優(yōu).當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，線路沒(méi)有導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)輸入端的功率和泄漏到輸出端的功率之比即為開(kāi)關(guān)的隔離度，通常也由S21表示，隔離度的絕對(duì)值越大，說(shuō)明信號(hào)泄露越少，開(kāi)關(guān)性能越優(yōu).本文采用直板狀懸臂梁RF MEMS開(kāi)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(hào)線和地線)、驅(qū)動(dòng)電極、下電極、觸點(diǎn)、直板上電極等組成.這種結(jié)構(gòu)與常用的開(kāi)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(jiǎn)單實(shí)用、方便阻抗匹配的優(yōu)點(diǎn)，并且在工藝加工中易于實(shí)現(xiàn)，可提高開(kāi)關(guān)的成品率，并且下電極采用雙觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)開(kāi)關(guān)的接觸特性，提高開(kāi)關(guān)工作的穩(wěn)定性.

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

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

由此可見(jiàn)，懸臂梁式直板狀上電極開(kāi)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(kāi)關(guān)仿真Fig.2 RF MEMS switch simulation

1.2 功分器設(shè)計(jì)

在RF衰減器中作為信號(hào)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(shí)現(xiàn)共面波導(dǎo)(CPW)傳輸線與負(fù)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(shí)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(duì)T型結(jié)其本身結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，因其寬度存在驟變邊界，會(huì)使傳輸信號(hào)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(duì)衰減器中功分器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出了一種漸變式喇叭型功分器結(jié)構(gòu)，可簡(jiǎn)稱喇叭型功分器，如圖 3(a) 所示，其中信號(hào)線寬度為120 μm，地線寬度為195 μm，信號(hào)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(duì)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(hào)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(hào)傳輸過(guò)程中的信號(hào)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(fù)載功率的損耗，因此插入損耗的絕對(duì)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(duì)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(guò)設(shè)置三個(gè)端口，仿真模型如圖 3(b) 所示，對(duì)不同端口下的插入損耗和回波損耗進(jìn)行模擬計(jì)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(duì)值大于9.52 dB，在18 GHz 時(shí)，回波損耗絕對(duì)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(duì)比

1.3 衰減電阻設(shè)計(jì)

RF MEMS衰減器的功能是程控衰減步進(jìn)，實(shí)現(xiàn)衰減步進(jìn)的重要單元是衰減電阻網(wǎng)絡(luò)(以下可簡(jiǎn)稱衰減電阻)，它的性能直接決定了衰減器的衰減量，因此對(duì)衰減電阻的設(shè)計(jì)也尤為重要.常見(jiàn)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(gè)串聯(lián)電阻和一個(gè)并聯(lián)電阻組成的，π型是由兩個(gè)并聯(lián)電阻和一個(gè)串聯(lián)電阻組成的，這兩種電阻網(wǎng)絡(luò)均可實(shí)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(jiǎn)單、匹配性能較好的π型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).通過(guò)計(jì)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(jì)算得出[13-14].

(1)

(2)

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

表 2π型衰減電阻的理論計(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)度值，Wp為Rp的寬度值；Is為Rs的長(zhǎng)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(guò)仿真設(shè)計(jì)，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(shí)際衰

減量，可用S21表示.插入損耗和標(biāo)稱衰減量越接近，說(shuō)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(duì)衰減電阻網(wǎng)絡(luò)的插入損耗和回波損耗進(jìn)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(jì)要求.而且無(wú)論10 dB還是20 dB衰減網(wǎng)絡(luò)中，它的回波損耗S11的絕對(duì)值均在25 dB以上，尤其是在20 dB衰減網(wǎng)絡(luò)中，已達(dá)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(gè)20 dB的衰減單元和一個(gè)10 dB的衰減單元組成，衰減范圍為0～70 dB，步進(jìn)為10 dB.每個(gè)衰減單元包括四個(gè)開(kāi)關(guān)、一個(gè)衰減器網(wǎng)絡(luò)和兩個(gè)功分器.利用本文設(shè)計(jì)的RF MEMS直板狀懸臂梁開(kāi)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(gè)單元的直通回路導(dǎo)通時(shí)，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(duì)衰減器直通時(shí)的微波性能進(jìn)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(jiàn)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(duì)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(shí)為2.22 dB，可計(jì)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(huì)導(dǎo)致高頻能量反射折回，與前進(jìn)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(shuō)明衰減器對(duì)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(dá)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(guò)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(duì)值越大說(shuō)明信號(hào)反射越好，結(jié)構(gòu)性能越優(yōu)越.

對(duì)于RF MEMS衰減器來(lái)說(shuō)，最重要的是衰減量和衰減精度，因此需對(duì)DC～20 GHz的衰減步進(jìn)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖 8 所示.由此可見(jiàn)，以10 dB為步進(jìn)，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(xiàng)指標(biāo)明顯優(yōu)于T型結(jié)的衰減器，可實(shí)現(xiàn)低插入損耗、高回波損耗以及改善駐波比的設(shè)計(jì)目的.

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并優(yōu)化了RF MEMS開(kāi)關(guān)、共面波導(dǎo)(CPW)功分器以及衰減電阻結(jié)構(gòu)，通過(guò)采用直板狀懸臂梁開(kāi)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(shí)現(xiàn)工作頻率在DC～20 GHz內(nèi)、衰減范圍為0～70 dB、四位步進(jìn)且步進(jìn)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(jì)方案.