开题报告_张洁

南京理工大学硕士研究生 学位论文开题 姓    名：          张洁        学    号：      109040704      学    科：    电磁场与微波技术  所在院系：        电光学院      指导教师：        车文荃        2010年 9月 20日填 一、 拟选定学位论文的题目名称 二、 选题的科学意义和应用前景 微机电系统（Micro-electro-mechanical systems，MEMS）是指可以批量制造的，集微结构、微传感器、微执行器以及信号处理和控制电路等于一体的器件或系统。其特征尺寸一般在0.1~100μm范围。目前国际上通常将MEMS冠以Inertial-，Optical-，Chemical-，Bio-，RF-，Power-等前缀以表示其不同的应用领域。MEMS利用了当今科学技术的许多尖端成果，更重要的是它将信息处理与敏感及执行机构相结合，改变了人们感知和控制外部世界的方式。[1] RF MEMS是MEMS技术的重要应用领域之一。所谓RF MEMS就是MEMS技术在RF领域的应用，一般是指用MEMS技术加工而成的器件替换微波射频系统中的传统器件，且能显著地改善微波射频系统的性能。 随着信息时代的来临，在无线通信领域出现了如新一代移动通信、因特网电子商务无线接入系统、蓝牙系统与全球定位系统等，这些都对射频装置提出了更高的要求：要进一步减小体积和重量，降低功耗，提高可靠性，多功能化以及需要敏捷的切换能力。为了满足上述要求，射频元件需更加微型化和集成化。同时，电容、电感、振荡器、滤波器还应该具有足够高的Q值，传输线、开关等在阻抗匹配、插入损耗和隔离度方面还需满足一定的要求。MEMS技术与RF技术的结合为解决上述难题带来了巨大的机遇。RF MEMS器件可以用现有的IC和MMIC工艺相兼容的平面技术来制造，集成度很高；由于没有半导体PN结或金属半导体结，从而减少了欧姆接触电阻和扩散电阻，以此降低器件插入损耗，且RF MEMS 器件中不存在传统开关中的I-V 非线性，大大减少了谐波分量和互调分量，提高了射频处理能力[2]。另外，RF MEMS 器件还具有隔离度高，驱动功耗低，工作频带宽，截止频率高(一般大于1000 GHz)等优异的特性。 RF MEMS开关与传统的GaAsFET和PIN二极管开关相比，就有低插入损耗、高隔离度、高线性度等优点。由RF MEMS开关成的移相器使其损耗在任何频率处都较低，尤其是在8-100GHz的范围内。同样，因为MEMS开关具有很小的up态电容，所以用MEMS开关设计的移相器与固态器件设计的类似移相器相比具有更宽的带宽。对于大型的相控阵列，尤其是在只接收（receive-only）系统中，MEMS移相器也显著地降低了直流功耗；在T/R链中，我们可以不使用放大级，并由此在X~V波段频率范围内，降低20~100mW的直流功耗，这会大大降低空间、机载和低功率电信和雷达系统的直流功率。使用RF MEMS移相器同样可消除较大相控阵中50%~75%的T/R组件，对低损耗移相器，可用单T/R组件馈给2~4个单元，因此降低了系统的复杂性[1]。最后，因为MEMS开关能够和天线元件一起直接制造在陶瓷、石英或基于特氟龙（Teflon）的衬底上，因而降低了相控阵的成本。MEMS开关的开关时间在1-30us数量级，因此仅限于用在相对较慢的扫描阵列中。 三、 背景科研项目情况简介 1998年，美国密歇根大学Barker和Rebeiz等人第一次设计制造出模拟式分布式MEMS传输线移相器[3]，它是通过MEMS平面工艺在500um厚的石英衬底上制作带有周期性MEMS桥的电容式CPW传输线，驱动电压为0~Vp，Vp为MEMS桥电容开关下拉电压。当电压在0~Vp间变化时，相移发生连续变化，测量结果显示该移相器可在0~60GHz频率范围内工作，在60GHz时相移可到118°，插入损耗为-2dB，在40GHz时相移为84°，插入损耗为1.8dB，驱动电压为10~23V。 2000年S. Joseph和Hayden等人制备出基于500um厚石英衬底且适合于X波段的宽带宽分布式MEMS传输线移相器，通过在共面波导传输线上周期性设计一系列MEMS桥和固定MIM电容串联相结合的高电容比电容（1.5或2.5），从而导致共面波导传输线加载增大和产生大的相移。[4] 近年来，美国密歇根大学G. M. Rebeiz研究小组和其他研究者也对分布式MEMS传输线移相器进行一系列研究，分别设计和制备出以石英或玻璃为衬底的2位和3位W波段移相器、K波段移相器和4位慢波移相器。 随着硅基集成电路迅速发展，加工工艺的成熟和加工精度的提高都有利于分布式MEMS传输线移相器的系统集成和性能改进。但G.M. Rebeiz研究小组研制的分布式MEMS传输线移相器都是以石英或玻璃为衬底，则需另外开发加工工艺，从而增加器件的开发成本，同时也不利于与IC实现系统集成。因此，研究者们进行了以半导体材料为衬底的微波器件或传输线研究，目的是为开发以半导体材料为衬底的分布式MEMS传输线移相器提供理论依据。2003年D. Lederer和J. P. Raskin分析基于硅衬底的微带线和共面波导线的衬底损耗机理[5]，并把损耗归结于氧化层下载流子静态分布发生变化；同时也进行半导体表面的空间电荷区从积累层到反型层变化时损耗分析，结果表明损耗与偏压有关。 如前所述的MEMS模拟式DMTL移相器其串联电阻很低，使得它的Q值很高，因此导致每厘米的损耗很小，在毫米波频段下容易得到一个令人满意的性能，另外模拟式的设计是通过调整偏压，相移可以实现从0~360°连续地改变，而这一点对于精确的微波/毫米波仪器很重要。但是模拟式设计受限于MEMS电容比，当加载电压达到下拉电压Vp时，桥膜下降到2/3g0，就迅速下拉至与信号线接触[6]，因此MEMS电容比仅为1.2~1.3，这样移相器的长度会增加，从而导致价格的提高。 通常设计中，为了降低桥膜的驱动电压，会将CPW间隔上方的那部分梁设计成折叠支撑结构，这样可以有效的降低驱动电压，但是梁的电感会很大，在10GHz以上会显著影响移相器单元down态的性能。 四、学位论文主要研究内容 本学位论文主要包括以下几个方面的研究内容： 1． 共面波导传输特性分析：主要研究共面波导的特性阻抗，导体损耗和介质损耗的计算方法。由于传输微波信号的传输线本身有一定的电阻，在信号传输的过程中，对信号有一定的损耗。同时，微波使得基片介质的大量分子交替极化而彼此摩擦、来回碰撞产生热损耗引起了介质损耗。论文的工作包括计算出这两部分损耗和其在开关损耗中所占的比例，并提出减少损耗的方法。 2． MEMS开关电路设计及建模：主要研究的是单个MEMS并联电容开关电性能和机械性能的优化，在此基础上对低谐振频率情况下和毫米波段不同频段设计并优化开关，再通过和欧姆串联开关级联获得宽带和高隔离的串/并联开关，另外也可用已设计的并联电容开关作为基本单元设计新型的单刀多掷开关。 3． 模拟式MEMS分布式移相器设计及建模：模拟式设计受限于MEMS电容比，当加载电压达到下拉电压Vp时，桥膜下降到2/3g0，就迅速下拉至与信号线接触，因此MEMS电容比仅为1.2~1.3，这样移相器的长度会增加，从而导致价格的提高。主要研究的是增大电容比，从而增加单位长度的相移，减少相移单元，降低成本。 4． 数字式MEMS分布式移相器设计及建模：数字式设计可以实现大的电容比，从而得到大的单位相移。但是通常为了降低桥膜的驱动电压，会将CPW间隔上方的那部分梁设计成折叠支撑结构，这样可以有效的降低驱动电压，但是梁的电感会增大，在10GHz以上会显著影响移相器单元down态的性能。主要研究的是通过桥梁的结构设计可以减小电感对桥膜的影响，进一步提高移相器的性能。 5． MEMS移相器等效电路及机械特性与动态特性分析：主要研究的是基于前文设计的MEMS移相器，提出其等效电路，通过理论分析和ADS软件仿真验证模型的准确性。并从MEMS桥结构、尺寸和材料特性等多角度对MEMS移相器进行机械性能分析，包括应力特性、动态特性等，目的是设计出适合于分布式MEMS移相器低下拉电压和快速响应的MEMS电容桥结构。 6． 天线阵列及功分器设计：在设计好移相器的基础上，需要对移相器的效果进行检测，最佳的方法就是直接看到天线主瓣的偏转，故需要设计相控天线阵，其由天线，功率分配器，移相器和附属电路等组成。主要研究的是天线阵列及功分器的设计，从而验证MEMS移相器移相的有效性。 7． 加工及测试：主要研究的是根据所确定的移相器的结构参数，结合公差要求，确定移相器的加工工艺，完成实物加工；根据设计的天线阵列和功分器的结构参数，加工实物，完成最终的测试。 五、 预期解决的主要问题 难点所在及解决问题的思路： 1． 共面波导的导体损耗和介质损耗的计算方法，导体损耗和介质损耗是平面传输线损耗的主要部分，深入理论本质，其研究将对设计更优性能的微波电路提供一定的技术参考。为了获得更精确的损耗公式，从双导线的理论出发，又由于共面波导结构与平行带线互补，根据对偶性的原理，可以求得接地板的电阻。中心导带的电阻在已有公式的基础上加上一个修正因子，用HFSS软件仿真验证出修正因子的值，即可得到共面波导的导体损耗。根据文献中共面波导的电容计算公式，用静电比拟原理计算出共面波导的等效电导，即可得到共面波导的介质损耗。 2． 通过设计开关桥膜和CPW信号线和地的不同结构，优化得到需要的电感值，来获得在设计频段谐振，以此得到优越的隔离度。同时，在优化得到单个开关后，通过级联来得到不同的开关电路时，如何通过优化匹配来减小回拨损耗，来获得宽带、极低损耗和高隔离的高性能开关电路。 3． 分布式MEMS移相器的设计，基于相控阵天线设计的要求，设计在固定频段，插入损耗，反射损耗和相移等电性能指标都有一定的标准，然而调整其机械结构设计，保证其机械应力、动态特性、加工工艺等，其可调参数就会变得很复杂，往往几个参数的调整所带来的性能的改变都是互相制约的，所以在设计中，我们不能将其全部都作为变量来优化，这里就要进行全面综合考虑，固定一些参量，针对几个重要的指标进行设计，这样做可以大大减小分析的复杂程度，提高优化速度，从而得到性能良好的移相器。 4． 从微波理论出发，提出所设计移相器等效电路模型中等效电容、电感和电阻的公式，通过软件仿真验证其准确性。在移相器桥膜设计中，桥高不能设计得过高，这样会导致驱动电压很大，由此这里的等效电容就不仅仅是平板电容，还有不可忽略的边缘电容和寄生电容，而其必须通过软件仿真得到；在计算大尺寸分离电感的情况下，负互感相对于电感值是非常小的，因而可以忽略不计。当电路尺寸不断缩小至um量级时，线段间的影响越来越大，负互感会占电感值的30%，因而不可忽略。 5． 机械性能与动态特性的分析，目前开发和设计的毫米波段分布式MEMS移相器在机械性能方面仍有一些问题需待解决，主要体现在MEMS电容开关下拉电压比较高、谐振频率比较低、机械抗干扰能力差和寿命比较短，以及下拉时间过长等缺点，这些将导致毫米波器件反应不灵敏、功耗过大以及可靠性低，使它无法应用于高灵敏精度的相控阵雷达系统和低供电电压场合，以及无法应用于高速领域和长期工作。因此，移相器单元的机械性能已成为阻碍分布式MEMS传输线移相器实用化的关键问题，需在模型仿真的基础上对MEMS移相器的机械性能进行分析，进而再对机械结构的设计仿真进行改善。 6． MEMS移相器的加工工艺，国外分布式MEMS传输线移相器大多都是以石英或玻璃为衬底，尽管会带来相对更小的损耗，但需另外开发加工工艺，从而增加器件的开发成本，同时也不利于与IC实现系统集成。经前人的研究，现已有以半导体材料为衬底设计分布式MEMS传输线移相器的理论依据，以高阻硅为衬底的加工工艺在国内已可实现，但是受限于材料、机械设备等方面的问题，MEMS移相器的加工工艺还并未太完善，在理论和实践上都有待进一步的深入研究。 国内外研究现状和趋势： 1998年，美国密歇根大学Barker和Rebeiz等人[3]第一次设计制造出模拟式分布式MEMS传输线移相器，它是通过MEMS平面工艺在500um厚的石英衬底上制作带有周期性MEMS桥的电容式CPW传输线，驱动电压为0~Vp，Vp为MEMS桥电容开关下拉电压。当电压在0~Vp间变化时，相移发生连续变化，测量结果显示该移相器可在0~60GHz频率范围内工作，在60GHz时相移可到118°，插入损耗为-2dB，在40GHz时相移为84°，插入损耗为1.8dB，驱动电压为10~23V。 2000年S. Joseph和Hayden等人[7]制备出基于500um厚石英衬底且适合于X波段的宽带宽分布式MEMS传输线移相器，通过在共面波导传输线上周期性设计一系列MEMS桥和固定MIM电容串联相结合的高电容比电容（1.5或2.5），从而导致共面波导传输线加载增大和产生大的相移。 2001年Goldsmith等人[8]研究发现电容开关的寿命明显依赖下拉电压，当下拉电压每降低5-7V时，寿命能改进几十倍，同时也提出降低下拉电压的设计方法，这不仅能扩大MEMS电容开关的应用范围，而且也能明显加强器件的性能。 2002年H.T.Kim等人[9]提出V波段低损耗和低驱动电压的数字分布式MEMS传输线移相器结构。为了降低介质损耗，该结构采用MAM（金属-空气-金属）电容，可以使分布式MEMS移相器性能得到大幅改善；同时通过扼流圈螺旋电感直接把偏压加载到MEMS并联开关来降低移相器的工作电压，使得下拉电压仅为15~20V，在频率为60GHz时，2位(270°)分布式MEMS传输线移相器的平均插入损耗为2.2dB，在频率为40~70GHz时，反射损耗优于10dB。 2003年P.Dimitrios等人[10]首次提出低弹性系数折叠悬挂梁的机械设计考虑，实验结果表明：采用低弹性系数折叠悬挂梁的MEMS电容开关的下拉电压为6V。2004年Rangra等人[11]研究利用大驱动面积的折叠蛇状弹性悬挂梁实现低下拉电压RF MEMS电容开关。 近年来，美国密歇根大学G. M. Rebeiz研究小组和其他研究者也对分布式MEMS传输线移相器进行一系列研究，分别设计和制备出以石英或玻璃为衬底的2位和3位W波段移相器[12]、K波段移相器[13]和4位慢波移相器[14]。 国内关于分布式MEMS传输线移相器的研究稍晚于国外，但跟踪和发展也非常迅速。2004年，河北工业大学娄建忠等人[15]在高阻硅衬底上实现了2位DC-30GHz的分布式MEMS移相器，该结构在长为3.3mmCPW传输线上周期性制造6个并联MEMS电容开关，30GHz时相移为105°，最大插入损耗小于1.8dB，反射损耗优于-11dB。由于驱动电压加在桥与CPW地线之间，增加驱动面积，使下拉电压小于20V。同时，他与河北半导体所联合提出一种新型一位分布式MEMS传输线移相器结构[16]，该结构是在CPW传输线上周期性加载4个MEMS桥，在频率为10.5-30GHz内，插入损耗和反射损耗分别优于1.0dB和15dB，在15GHz和30GHz时，相移分别为21.1°和44.3°。2006年北京大学郝一龙教授领导的课题组进行了体微机械分布式数字式移相器的设计和分析[17]，并在玻璃衬底上制备具有12个蝴蝶形状微桥的分布式MEMS传输线移相器。测试结果表明：在频率为5~23GHz时，插入损耗为3.8~7dB，反射损耗小于-10dB。 六、开题条件（包括学术条件、设备条件、经费概算及其落实情况） 1．学术条件 我们一直在进行RF MEMS技术方面的学习，追踪这方面的研究，并且已经掌握常规RF MEMS移相器的设计原则和方法。同时，我们也在探索设计新型RF MEMS移相器，并给出其等效电路模型，以求能给后续的设计起到指导作用。且RF MEMS串联欧姆开关和并联电容开关的设计已有一定突破，相信可以在此基础上对于RF MEMS移相器的设计起到很好的引导作用。 2．设备条件 目前我们有各类仿真软件、较好性能的电脑和高级测试仪器，可以开展理论分析和仿真。同时也可以与苏州纳米技术与纳米仿生研究所合作开展一些实验加工和测试。 3．经费概算和落实情况 本项目是江苏省自然科学基金项目的课题，所以经费比较充足，而且已经落实到位。 七、文献综述（通过对文献的整理和归纳，对应“学位论文主要研究内容”一栏所列出的问题，介绍国内外学者对这些问题的研究结果及对其前景的看法。） 1．分布式MEMS移相器的基本结构及工作原理[1] (a) (b) (c) 图1.1 分布式MEMS移相器基本结构（俯视图(a)和侧视图(b)）及等效电路图(c) 分布式MEMS移相器的基本设计思想是在共面波导上周期加载有高电容比的MEMS可动薄膜桥，从而增加共面波导与地之间的分布电容，使共面波导传输线成为一个慢波系统，起到相位延迟的作用。在线上施加一个直流偏压，可以改变分布式电容，引起传输线参数的变化，从而改变电磁波的相位。相移量大小由MEMS单元电容比(Coff/Con)和传输线自身分布参数决定。如图1.1，MEMS膜的宽度为w，长度为 （其中，W为信号线宽度，G为地线与信号线之间的距离），厚度为t。膜间的周期性间距s和膜的数目根据设计需要而改变。 分布式MEMS移相器的基本等效电路如图1.1(c)，这里MEMS膜的模型为并联电容Cb，电感Lb和电阻Rb，Lt和Ct是特性阻抗为Z0的未加负载传输线的单位长度电感和电容，它们分别为 和 (1.1) 其中 是未加负载传输线的有效介电常数，c是光速。负载线的特性阻抗为 (1.2) 这里的布拉格频率 定义为 (1.3) 布拉格频率是传输线的特征阻抗趋于0时的频率，它表示没有功率的传递。对于DMTL的情况，MEMS膜的开态LC谐振频率是很高的（300~600GHz），则该膜的工作频率通常要受到负载线的布拉格频率的限制。由此，在小于布拉格频率的情况下，负载线的特性阻抗为 (1.4) 负载线的相速为 (1.5) 单位长度的相移为相位常数的改变量，给出为 (1.6) 代入上述(5)式相速公式，可得相移为 (1.7) 这里Cr=Coff /Con为电容比，Zlu和Zld分别是up态和down态负载线的阻抗值。 2．共面波导传输特性分析 共面波导的结构如图2.1所示。它是在介质基片的其中一面制作出中心导体带，并在紧邻中心导体带的两侧制作出接地板，而在介质基片的另一面没有导体覆盖层。同样，为了使电磁场更加集中于中心导带和接地板所在的空气与介质交界处，应选用介电常数较高的材料作为介质基片。共面波导的结构及边界条件决定了它能支持准TEM模的传输。 (a)结构图 (b)截面图 图2.1 共面波导传输线 共面波导的结构对于安置并联或串联的元器件是很方便的，无需在介质基片上钻孔或开槽，因为其导带和地线都在介质基片的单面。另一个优点是我们可以改变导带的宽度以符合元器件的连接而且保持其特性阻抗不变。而且，CPW的特性阻抗与基片的厚度几乎无关。因此，可以利用低损耗高介电常数的材料做介质基片来减小电路的纵向尺寸。 在共面波导上加载开关，首先要确定其特性阻抗，共面波导的特性阻抗公式[18]为： (2.1) 其中 , , (2.2) (2.3) (2.4) 共面波导上传输的信号一部分在相对介电常数为 的介质中，另一部分在空气中，相当于处于等效介电常数为 的介质中。K(k)为第一类完全椭圆积分。 共面波导损耗主要有导体损耗、介质损耗、辐射损耗等，主要研究导体损耗和介质损耗的计算公式，通过仿真其准确性。 (a) 导体损耗：由于传输微波信号的传输线本身有一定的电阻，在信号传输的过程中，对信号有一定的损耗。导体损耗因子 为： (2.5) 其中Js为中间传输线径向面电流密度，Jg为接地板面电流密度，Z0为CPW的特性阻抗，I为中间传输线的总电流，Rs为金属表面电阻。表面电阻与电导率有关，选用高电导率的金属可以减小传输线的导体损耗。 (b) 介质损耗：介质损耗是由于微波使得基片介质的大量分子交替极化而彼此摩擦、来回碰撞产生热损耗引起的，它是总损耗的次要部分。介质的损耗正切角较小，一般用平面波的方法计算，介质损耗常数 为： (2.6) 式中，q为波导填充因子， 为介质的相对介电常数， 为等效相对介电常数， 为波导的波长。在波导波长一定的情况下， 和 越相近， 的值就越小。选择介电常数较小的衬底材料和介质材料可以减小信号的损耗。 (c) 辐射损耗：辐射损耗是由导带两边半开放区辐射部分电磁波而造成的。共面波导的衬底上和外空间中也有电磁场分布，这样信号传输时在基板和空气中也损失了一部分的微波能量，其大小主要决定于衬底的厚度、介质的介电常数以及传输线的横截面积。 3．DMTL移相器设计及分析 分布式MEMS移相器的设计非常复杂，每一个参数由其它很多参数决定，但是往往改变一个参数之后又会影响到其它的参数指标，所以我们在设计过程中要全面考虑。图3.1中是在设计过程中需要考虑的参数及其之间的影响。从上面第一层是最基本的物理参数，箭头所指方向为它们决定的参数，第三层的参数为移相器的特性指标。其中，经过初步的设计分析，第一层和第二层中标深色的参数为重要的自变量，而最下层标深色的参数为着重考虑的指标变量。在设计过程中，我们不能将其全部作为变量来优化，这样做费时费力，得不偿失，我们将一些参量固定，而对另一些参量进行优化，这样做可以大大减小分析的复杂程度，提高优化速度。综上，我们在设计过程中主要通过改变第一层和第二层中标深色的参数来优化移相器的特性指标。 图3.1 MEMS移相器设计参数关系 在基本的MEMS移相器设计中，我们即采用上述的固定若干参量，研究对最终指标影响较大的变量，通过理论分析之后建立模型进行仿真，并对其等效电路进行仿真，验证其参数设计的合理性。 上述的指标主要以MEMS移相器的电参数为主，但是实际应用中，随着分布式MEMS移相器应用领域变得更广泛，其机械性能也变得尤为重要，尤其是MEMS移相器单元的下拉电压、响应时间和谐振频率等，设计的MEMS移相器必须在这些方面也满足其指标，否则设计出来的器件就有可能因为机械性能差而导致机械抗干扰能力差，寿命比较短，反应不灵敏，功耗过大，可靠性降低等问题。因此，除了对移相器的电参数进行优化设计之外，我们还需要利用机电分析软件对移相器的机械结构和材料选择方面针对下拉电压和响应时间等机械性能进行分析，进而获得在综合方面性能良好的分布式MEMS移相器。 模拟式的分布式MEMS移相器的设计中，通过调整偏压，桥膜位移可以实现精确连续变化，相移即实现0°到360°的连续地改变。但是当加载电压达到下拉电压Vp，桥膜下降到2/3g0，达到一个临界位置，梁就变得不稳定，迅速下拉至与信号线接触，这就导致在桥膜稳定态的最大电容1.5Cb0，Cb0为零偏置电容。同时由于器件边缘电容的存在，使得实际中梁的电容值不会超过理论值的50%。由此最大电容比是 (3.1) 这里，Cf为MEMS结构的边缘场电容，Cp为对地的寄生电容和输入/输出传输线电容，实际中，Cf =0.15~0.40Cpp，Cp=0.05~0.10 Cpp，导致固支梁达到的电容比为Cr=1.20~1.40。 图3.2 扩展悬臂梁行程的三层板结构设计示意图 如图3.2，用三层板结构设计可以增大悬空梁的控制范围。在这种结构设计中，梁悬空在两个固定板之间，对上下极板加两个独立的电压来控制梁的运动。当V1=0或V2=0时三层板结构和平行板结构一样，最大位移为g1/3（下），g2/3（上）。当g1=g2时，结构变为 (3.2) 这样可以使得最大电容比Cr增大为2，由1.7式可知分布式MEMS移相器的相移与电容比有关，移相器单元电容比的提高，可以增加单位长度的相移，减少移相器单元，减小尺寸，降低成本。 分布式MEMS移相器的下拉电压为 (3.3) 从3.3式可以看出梁的弹性系数k与下拉电压的关系，减小梁的弹性系数可以减小下拉电压，如图3.3我们使用多种梁的支撑结构来降低MEMS器件的有效弹性系数。 图3.3 低弹性系数MEMS梁的模拟电感 由于RF电流总是在MEMS梁的边缘部分，故电感相对来说没有太大变化（从7.7pH变化至8.4pH）。然而，如果低弹性系数梁的锚是弯曲式或者说是折叠式支撑设计，梁的电感将会很大，开关在10GHz以上的性能将受影响。因为如图1.1(c)，所引入的MEMS金属桥并联电路的特性阻抗为： (3.4) 其LC串联电路的谐振频率为： (3.5) 因此，所加载的MEMS金属桥的特性阻抗可以近似为： (3.6) 即当CLR电路模型在谐振频率一下工作时，可以等效为一个电容；而在谐振频率以上工作时，可以等效为一个电感；在谐振频率处，相当于一个电阻。以金属桥在“开态”下电容Cbu=35fF、“关态”下电容Cbd=2.8pF、电感Lb=7pH为例，当桥处于“开态”时，f0=322GHz，而当桥处于“关态”时，f0=36GHz。若我们设计的MEMS移相器工作于Ka波段，当桥处于“开态”下工作时，可以忽略电感的影响，将此电路直接等效为一个电容，而当桥处于“关态”下工作时，则必须要考虑电感对电路的影响并确保此时的金属桥的特性阻抗仍表现为容性。 图3.4 MEMS直接接入式并联电容开关 图3.4为一直接接入式MEMS电容并联开关的结构，如图，MEMS梁是微波传输线的一部分，并联连到共面波导线的地线上，并联连接线直接制备在圆片上。直接接入式MEMS并联开关的机械工作原理与前面所述MEMS移相器单元的标准电容开关一样，激励电压加在传输线的中心导带和地之间。前文所涉及的电磁和电路模型同样适用于这种开关。直接接入式MEMS开关的优势在于它的机械设计和并联电感无关，这样就可能制造出非常低的电感（2~5pH）开关以应用于毫米波段。 4．开关电路设计及分析 RF MEMS并联电容开关作为基础级器件，除了级联其单元设计分布式MEMS移相器之外，还可以结合串联欧姆开关，实现至毫米波段的高隔离、低损耗开关电路，以实现在高隔离调谐电路中的应用。此外，还可以设计极低损耗的宽带开关和单刀多掷开关。事实上，MEMS技术的低寄生效应将使得MEMS开关电路易于设计。可以预计，这种开关电路将会应用于低损耗移相器、开关振荡器和滤波器组（单刀多掷结构）、卫星开关网络和矩阵（吸收式开关）以及宽带高隔离仪器开关（网络分析仪、自动测试仪）。 宽带PIN二极管或FET开关通常采用图4.1所示的串/并联结构。开关的隔离度在低频段由串联二极管决定，而在高频段则取决于并联二极管。二极管的偏置采用互补方式；也就是说，当开关导通时，串联二极管为有源导通，并联二极管为反偏截止。而当开关闭合时，则恰好相反。 图4.1 典型的串/并联PIN二极管或FET开关电路 采用MEMS技术将易实现接触式串联/电容式并联相集成的拓扑结构。如图4.2所示为在CPW上实现的标准的串/并联开关结构形式。当频率超过10GHz时，系统的隔离度取决于到地的并联电感。在DC~50GHz的频域内，采用CPW结构能获得-40~-50dB的隔离度和-0.3~-0.4dB的插入损耗；且其隔离度与串/并联开关间传输线的长度无关。系统的上限工作频率依赖于CPW的尺寸。 图4.3为用并联电容开关实现的单刀双掷开关SP2T。如果要将输入端口连接到端口2，则S1必须为down态，即加载驱动电压，桥膜受到激励向下与信号线之间形成大电容使得分支点处的S1臂开路，输入功率便传输到端口2。由于每个臂为1/4波长线，所以并联设计从本质上说是窄带设计。尽管如此，应用MEMS技术的此SP2T设计在超过±（10%~15%）的带宽内都可具有优异的性能。 图4.2 串/并联开关在CPW中的实现方式 图4.3 SP2T并联电容开关的等效电路及在CPW中的结构设计 八、学位论文工作进度安排 1．2009年9月--11月：查阅相关文献资料，了解国内外进展情况，找出自己要解决的问题并提出解决； 2．2009年12月--2010年3月：用仿真软件对分布式MEMS移相器进行仿真研究，设计出理想的形式，整理出设计优化思路； 3．2010年4月--8月：完成对理想移相器等效电路的分析及机械性能、动态特性分析； 4．2010年9月--12月：用仿真软件设计出模拟式和数字式MEMS分布式移相器； 5．2011年1月--5月：建立设计移相器的等效电路模型，用ADS软件仿真与HFSS软件仿真结果比较，验证其准确性；用机电仿真软件分析所设计的MEMS分布式移相器的机械性能和动态特性。 6．2011年6月--2011年8月：完成用于测试移相器效果的天线阵列和功分器设计； 7．2011年9月--2011年12月：完成对设计的器件的加工测试分析。 8．2012年1月—2012年3月：完成论文。 硕士生签名： 年 月 日 九、指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日   查阅主要文献资料目录清单 序号 作 者 题 目 刊物名称 期（卷）号 年份 起止页码 1 Gabriel M. Rebeiz RF MEMS Theory, Design, and Technology John Wiley & Sons   2003 1-19 2 Goldsmith C, Randall J Characteristics of micro machined switches at microwave frequencies Proc. of Digest IEEE MTT International Microwave Symposium Vol. 2 1996 1141-1144 3 N. S. Barker, Gabriel M. Rebeiz Distributed MEMS true-time delay phase shifters with low insertion loss IEEE Trans. Microwave Theory Tech Vol. 46, No.11 1998 1881-1890 4 J. S. Hayden, Gabriel M. Rebeiz 2-bit MEMS distributed X-band phase shifters IEEE Microwave Guided Wave Lett Vol. 10, No.2 2000 540-542 5 D. Lederer, J. P. Raskin Substrate Loss Mechanisms for Microstrip and CPW Transmission Lines on Lossy Silicon Wafers Solid-State Electronics Vol. 47, No.11 2003 1927-1936 6 R. P. Feynman, R.B. Leighton, M. Stands The Feynman Lectures on Physics Addison-Wesley, Reading Vol. 2 1964 1133-1136 7 J. S. Hayden, Gabriel M. Rebeiz Low-Loss Cascadable MEMS Distributed X-band Phase Shifters IEEE Microwave and Guided Wave Letters Vol. 10, No.4 2000 142-144 8 C. Goldsmith, J. Ehmke, A. Malczewski, B. Pillas Lifetime Characterization of Capacitive RF MEMS Switches IEEE MTT International Microwave Symposium Digest Vol. 1 2001 227-230 9 H. T. Kim, J. H. Park, Y. K. Kim, Y. Kwon V-band Low-loss and Low-Voltage Distributed MEMS Digital Phase Shifter Using Metal-Air-Metal Capacitors IEEE MTT International Microwave Symposium Digest Vol. 1 2002 341-344 10 D. Peroulis, S. P. Pacheco, K. Sarabandi Electromechanical Considerations in Developing Low-Voltage RF MEMS Switches IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques Vol.51, No.1 2003 259-270 11 K. J. Rangra, R. Marcelli, G. Soncini, et al Micromachined Low Actuation Voltage RF MEMS Capacitive Switches, Technology and Characterization International Semiconductor Conference Proceedings Vol. 1 2004 165-168 12 J. J. Hung, L. Dussopt, Gabriel M. Rebeiz Distributed 2-and 3-Bit W-band MEMS Phase Shifter on Glass Substrates IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques Vol.52, No.2 2004 600-606 13 A. Frang, S. Majlis, B. Yeop Inductively-Tuned K-band Distributed MEMS Phase Shifter IEEE International Conference on Semiconductor Electronics Vol. 1 2006 208-212 14 B. Lakshminara yanan, T. M. Weller Design and Modeling of 4-bit Slow-Wave MEMS Phase Shifter IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques Vol.54, No.1 2006 120-127 15 娄建中，赵正平，杨瑞霞 射频微机械移相器 半导体技术 Vol.29, No.10 2004 1815-1828 16 J. Z. Lou, Z. B. Zhao A Novel DMTL MEMS Phase Shifter 4th IEEE International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology Vol. 1 2002 234—329 17 M. Miao, Y. F. Jin, G. Y. Wu, Y. L. Hao Design and Analysis of a bulk Micromachined Distributed Digital Microwave Phase Shifter on Glass Substrate 8th International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology Vol. 1 2006 539-541 18 C. P. Wen Coplanar Waveguide: A Surface Strip transmission Line Suitable for Non-Reciprocal Gyromagnetic Device Application Microwave Symposium Digest, G-MTT International Vol.1, No.69 1969 110-115 19             20                           南京理工大学硕士研究生学位论文选题报告评分表 评审 项目 评 分 标 准 得分 （百分制） 一、选题依据、选题难度及先进性（50%）A 80~100分 选题为本学科前沿领域，具有很强的先进性，有较大的理论意义或应用价值；或选题技术难度高，有较大的实用价值和经济效益，有足够的工作量。   60~80分 选题为本学科前沿领域，并具有较强的先进性，有一定的理论意义和实用价值；或有一定的技术难度、实用价值和经济价值；有足够的工作量。 60分以下 所选课题缺乏理论意义和应用价值，基本没有实用价值和经济效益；或者所研究的内容已经被前人解决；研究课题与本学科的发展方向不一致，先进性不明显，工作量不足。 二、理论基础和专门知识(25%) B 80~100分 所选课题涉及较深的基础理论和专门知识或解决工程技术问题所需的基础理论和专门知识。   60~80分 所选课题涉及的基础理论和专门知识一般或解决工程技术问题所需的基础理论和专门知识一般。 60分以下 所选课题涉及的基础理论和专门知识不够或解决工程技术问题所需的基础理论和专门知识不够。 三、文献综述（25%）C 80~100分 阅读较广泛，综述较全面，归纳总结较正确，掌握了本学科国内外发展最新动态。   60~80分 阅读和综述一般，基本了解本学科国内外发展最新动态。 60分以下 阅读量不足，综述不够，基本上不了解本学科国内外发展最新动态。 总分 总分=0.5A+0.25B+0.25 C           报告日期   报告地点   听众人数   审 批 专 家 组 名 单 姓名 职称 所在学科（专业）                                     审 批 专 家 组 意 见 专家组组长签字： 年 月 日 总体评价等级 A(优)； B(良)； C(合格)； D（不合格） 硕士生对选题报告修改后的情况 硕士生签名： 导师签名： 年 月 日 学院（系）分委会审核意见（是否可以进入论文工作阶段） 学院（系）分委会主席签名： 学院（系）公章： 年 月 日                       备注  本表由学院（系）保存，在学位论文答辩时提供给答辩委员,供委员参考。