RF+MEMS移相器和太赫兹波导滤波器研究.pdf

STUDIES ON RF MEMS PHASE SHIFTERS AND
TERAHERTZ WAVEGUIDE FILTERS



A Doctor Dissertation Submitted to
University of Electronic Science and Technology of China



Major: Circuits and Systems
Author: Yijia Du
Advisor: Jingfu Bao
School: School of Electronic Engineering
摘要
摘 要
RF MEMS（射频微机械）技术的出现为微波器件的设计和加工提供了新途径。
RF MEMS 器件具有可集成、低功耗、高线性度以及小型化等优异性能，在民用和
军事领域都有着非常广阔的应用前景。为兼顾 RF MEMS 可动与固定器件，本文针
对 RF MEMS 移相器和基于 MEMS 工艺的太赫兹波导滤波器进行性能优化和工艺
实现两方面的研究，主要研究内容和取得的创新成果如下：
（1）通过分析串联 MAM 电容的分布式移相器中电磁波传输的不连续性，提
取寄生参数，得到等效电路模型。仿真结果的拟合度表明，所建立的电路模型能
精确反映器件性能，较目前常用模型准确度得到了极大提高。
提出传输线分解的建模思想，将 RF MEMS 器件分解为典型结构，将这些典型
结构看作不同结构的传输线分别建模，级联获得器件等效电路模型。验证结果表
明，应用该思想建立的电路模型在较宽频段内均能反映分布式移相器性能变化规
律。这种方法将复杂的三维电磁场分析转化为传输线问题进行处理，简单易行，
而且由于 RF MEMS 器件中基本结构的一致性，所得典型结构的电路模型具备通用
性。
（2）提出了以分布式移相器物理长度为优化目标的设计方法，并研究如何得
到工艺依赖性小的设计。基于此，设计、加工和测试了一种 X 波段五位分布式移
相器。解决了结构层残余应力、MEMS 梁锚点可靠性和工艺精度等问题，突破牺
牲层、结构层和介质层制备等关键工艺步骤，形成了可用于制作包含悬空梁结构
的 RF MEMS 器件的表面微加工工艺流程。同文献报道的 MEMS 分布式移相器相
比，所得移相器具有工艺难度小、尺寸小以及下拉电压低的特点。
（3）提出了一种弯折型分布式移相器，通过在共用地线的弯折 CPW 上加载
MEMS 桥，大幅度减小了器件长度，得到紧凑结构，从而确保了工艺一致性。同
时，本文提出非周期性 MEMS 分布式移相器结构，将不同相移量的单元级联，增
加了设计自由度，并减少了 MEMS 梁的数目。利用所提出的结构进行周期性和非
周期性弯折型五位分布式移相器的设计仿真，性能理想，面积分别为 mm*
mm 和 *。
（4）针对多位分布式移相器的特殊性，全面分析了相移误差来源。提出并证
明了影响多位分布式移相器相移精度的关键因素是在相移状态的切换过程中位与
I
摘要
位之间失配。并提出了多位分布式移相器相移量不同位的最优排列顺序，改善移
相精度。
提出了一种多偏置分布式移相器结构，通过移相单元离散控制避免了因位与
位之间的失配