一种基于高阻硅衬底的高精度RFMEMS衰减器设计

张一飞，李孟委，吴倩楠

(1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学 仪器与电子学院，山西 太原 030051；3.中北大学 微系统集成研究中心，山西 太原 030051；4.中北大学 理学院，山西 太原 030051)

0 引 言

射频微机械衰减器，可简称RF MEMS衰减器，是一种常用的微波部件，主要功能是控制微波信号电平幅度，实现对微波信号电平的步进衰减，重点应用在微波频谱分析仪、矢量网络分析仪、信号发生器、功率计等微波测试仪器，而这些仪器在军事防务和自动测试设备中具有广泛的应用.例如信号发生器应用于雷达、电子战、通信装备等电子系统综合性能评估中；矢量网络分析仪广泛应用于元器件、雷达、航天、通信等领域的S参数测量和误差修正[1-2].通常，RF MEMS衰减器是由若干个衰减单元组成，每个衰减单元是通过共面波导(CPW)将射频微机械开关(简称RF MEMS开关)和衰减电阻集合而成，并利用功率分配器(简称功分器)将一定功率的信号按照一定比例输入到射频电路中.当射频开关受到一定的静电驱动时，可通过断开或闭合来控制衰减电阻与直通线间的切换以及多个衰减单元的不同组合，从而实现信号的程控衰减、步进衰减.这种衰减器因其结构小巧紧凑，容易实现各种复杂的馈电网络，可广泛应用于微波电路中[3].

2009年，意大利FBK研发中心首先提出并设计制作了基于MEMS开关的多比特位衰减器[4].他们采用串联接触型MEMS开关，采用掺杂的多晶硅作为衰减电阻，方阻值为139 Ω/□.当某一位的MEMS开关处于“关”状态时，信号通过多晶硅电阻被衰减；当开关下拉处于“开”状态时，该位衰减电阻被短路，信号实现理想无衰减传输.整体器件面积仅为3.48×2.52 mm2.测试结果表明器件在DC～13.5 GHz，衰减幅度范围为1.8～19.7 dB，开关驱动电压15 V.然而，该设计中采用单一电阻作为衰减单元，匹配特性较差，衰减动态范围也较小.2016年，清华大学某一研究小组研制了一款基于多晶硅衰减电阻的程控步进衰减器[5-6]，同样也采用串联式开关和多晶硅掺杂的多晶硅作为衰减电阻单元，在DC～20 GHz，衰减幅度范围为0～70 dB，驻波比1.71，衰减精度为±3 dB，该衰减器拓宽了衰减动态范围，但其回波损耗较差，衰减精度较低.

针对目前现有的RF MEMS衰减器存在插入损耗高，衰减精度低，驻波比(VSWR)过大等问题，本文提出并设计了一款新型的RF MEMS衰减器结构，由喇叭状功分器、直板状悬臂梁RF MEMS开关以及氮化钽π型衰减电阻网络组成.通过设计和优化喇叭状功分器和RF MEMS开关结构，降低RF MEMS衰减器整体插入损耗，改善RF MEMS衰减器驻波比以及提高RF MEMS衰减器衰减精度.

1 RF MEMS衰减器结构设计

1.1 RF MEMS直板状悬臂梁开关设计

由于RF MEMS开关是执行信号切换的重要传输通道，因此它的稳定性和可靠性直接关系到衰减器的性能和指标；其中最为重要的两个指标是插入损耗和隔离度[7].当开关闭合时，线路导通，开关输入端和输出端的功率之比即为开关的插入损耗通常由S21表示，插入损耗绝对值越小说明开关性能越优.当开关断开时，线路没有导通，开关输入端的功率和泄漏到输出端的功率之比即为开关的隔离度，通常也由S21表示，隔离度的绝对值越大，说明信号泄露越少，开关性能越优.本文采用直板状悬臂梁RF MEMS开关，其结构示意图如图 1 所示，主要是由衬底、微波传输线(信号线和地线)、驱动电极、下电极、触点、直板上电极等组成.这种结构与常用的开关结构：球拍状悬臂梁[5]、回折梁[8]、穿孔结构非均匀弯折型[9]、锅铲型[10]、八边形[11]结构等相比，具有简单实用、方便阻抗匹配的优点，并且在工艺加工中易于实现，可提高开关的成品率，并且下电极采用双触点结构来增强开关的接触特性，提高开关工作的稳定性.

利用HFSS软件对RF MEMS开关进行射频性能分析，得到在DC～20 GHz的范围内，开关导通时，开关的插入损耗优于-0.21 dB，断开时，开关的隔离度优于-20 dB.

图 1RF MEMS开关结构示意图Fig.1 Schematic diagram of RF MEMS switch

由此可见，悬臂梁式直板状上电极开关具有较好的插入损耗和隔离度，可以将它应用于衰减单元中，提高衰减器整体的微波性能.

图 2RF MEMS开关仿真Fig.2 RF MEMS switch simulation

1.2 功分器设计

在RF衰减器中作为信号输入端口与衰减网络传输桥梁的功分器，它的作用是实现共面波导(CPW)传输线与负载间阻抗匹配，尽量减少衰减系统的功率损耗，提高衰减器整体的衰减性能.目前，常用在RF MEMS衰减器中的是T型结功分器，因其结构小巧紧凑，容易实现各种复杂的馈电网络，广泛应用于微波电路中[3].但对T型结其本身结构来说，因其宽度存在骤变边界，会使传输信号发生突变，导致系统插入损耗增大，衰减精度降低，因此，优化RF MEMS衰减器中的功分器显得尤为重要.据此，本文对衰减器中功分器结构进行设计，提出了一种渐变式喇叭型功分器结构，可简称喇叭型功分器，如图 3(a) 所示，其中信号线宽度为120 μm，地线宽度为195 μm，信号线与地线之间的间距为75 μm.喇叭状功分器的具体尺寸如图 3(c) 所示，两条对称边的尺寸为100 μm，喇叭口的尺寸为220 μm.

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

在信号线与传输线的接口处采用渐变式喇叭形状的功分器可有效降低信号传输过程中的信号突变.功分器的微波性能主要体现在插入损耗和回波损耗[12]，插入损耗指在传输系统的某处由于元件或器件的插入而发生的负载功率的损耗，因此插入损耗的绝对值越小，功分器的微波性能越优；回波损耗又称为反射损耗，是波导由于阻抗不匹配产生的反射.回波损耗是反射系数的倒数，因此回波损耗绝对值越大表示匹配越好，功分器微波性能越优.据此，本文通过设置三个端口，仿真模型如图 3(b) 所示，对不同端口下的插入损耗和回波损耗进行模拟计算，其结果如图 4 所示.图 4(a) 为插入损耗，S21为1端口输入，2端口输出；S31代表1端口输入，3端口输出.在10 GHz附近，插入损耗在3.94～3.95 dB之间，在18 GHz 附近，插入损耗在4.46～4.47 dB 之间.

图 4喇叭形功分器微波性能仿真

Fig.4Horn type power splitter microwave performance simulation

如图 4(b) 所示，其三条线分别为端口1，2，3的回波损耗.在10 GHz附近，喇叭型功分器回波损耗的绝对值大于9.52 dB，在18 GHz 时，回波损耗绝对值大于8.70 dB.表 1 表明：喇叭型功分器的射频性能优于T型功分器.

表 1T型功分器与喇叭型功分器微波性能对比

1.3 衰减电阻设计

RF MEMS衰减器的功能是程控衰减步进，实现衰减步进的重要单元是衰减电阻网络(以下可简称衰减电阻)，它的性能直接决定了衰减器的衰减量，因此对衰减电阻的设计也尤为重要.常见的衰减电阻为π型与T型两种结构[4]，其中T型网络是由两个串联电阻和一个并联电阻组成的，π型是由两个并联电阻和一个串联电阻组成的，这两种电阻网络均可实现较好的衰减性能.

考虑到后期工艺加工，本文选用结构简单、匹配性能较好的π型结构设计.通过计算得到π型衰减电阻的固定衰减值.这里，设A为固定衰减值，单位为dB；Z0是器件端口阻抗，数值为50 Ω@20 GHz.Rs和Rp可由式(1)和(2)计算得出[13-14].

(1)

(2)

当A=10，20 dB时，Rs和Rp取表 2 所示数值.

表 2π型衰减电阻的理论计算值

由于TaN薄膜电阻工艺成熟，便于后期工艺加工，所以采用TaN作为衰减电阻材料，TaN电阻的方阻值设定为100 Ω/□，一般电阻值可由方阻值乘电阻长宽比得到，式如(3)所示.

(3)

衰减电阻的结构示意图如图 5 所示.设定Ip为Rp的长度值，Wp为Rp的宽度值；Is为Rs的长度值，Ws为Rs的宽度值.由于共面波导(CPW)的尺寸已经确定，所以，通过仿真设计，得到各衰减电阻尺寸如表 3 所示.

图 5衰减网络Fig.5 Attenuation network

衰减电阻的插入损耗即为衰减电阻的实际衰

减量，可用S21表示.插入损耗和标称衰减量越接近，说明衰减电阻的衰减精度越高，衰减电阻的回波损耗即S11，它体现了衰减电阻的匹配程度，插入损耗和回波损耗的大小由电阻网络的结构和阻值决定[15].采用HFSS对衰减电阻网络的插入损耗和回波损耗进行模拟仿真，结果如图 6 所示.

表 3各衰减电阻结构参数优化值

图 6衰减电阻的S参数

由图 6 可以看出，在10 dB的衰减网络中，衰减量S21几乎等于10 dB.在20 dB的衰减网络中，衰减量S21基本接近20 dB，符合衰减电阻网络的设计要求.而且无论10 dB还是20 dB衰减网络中，它的回波损耗S11的绝对值均在25 dB以上，尤其是在20 dB衰减网络中，已达到27 dB以上.因此，π型衰减电阻符合程控衰减要求，可应用在衰减器中.

2 RF MEMS衰减器HFSS仿真分析

RF MEMS衰减器为四比特位衰减器，由三个20 dB的衰减单元和一个10 dB的衰减单元组成，衰减范围为0～70 dB，步进为10 dB.每个衰减单元包括四个开关、一个衰减器网络和两个功分器.利用本文设计的RF MEMS直板状悬臂梁开关、喇叭型功分器以及π型衰减电阻结构，组成衰减器的仿真模型，当每个单元的直通回路导通时，衰减器处于直通状态.在DC～20 GHz的频宽内，采用HFSS软件对衰减器直通时的微波性能进行模拟仿真，结果如图 7 所示，10 GHz和18 GHz的性能参数见表 4.

表 4四比特喇叭状衰减器与T型衰减器部分仿真参数对比

图 7(a) 为优化后衰减器的插入损耗.由图可知：在10 GHz，插入损耗为1.45 dB，18 GHz时为2.22 dB，可计算得到插入损耗的中心值为1.35 dB，优于采用T型结功分器的四比特位RF MEMS衰减器(插入损耗中心值为 1.75 dB).图 7(b) 为优化后衰减器的驻波比，驻波比又称VSWR，阻抗失配会导致高频能量反射折回，与前进部分干扰汇合发生驻波，驻波波腹处的电压幅值Vmax与波节处的电压幅值Vmin之比即为驻波比，衰减器两端的驻波越接近，说明衰减器对两端电路的影响越小，因此两端驻波比越接近1越好[16].从图 7(b) 可以看出，采用喇叭型功分器的衰减器的驻波比最大是1.07，最小是1.02，基本上在1附近，而T型结功分器式的衰减器驻波比最大达到1.1[9].

图 7喇叭型功分器的衰减器的性能参数Fig.7 The performance parameters of the attenuator horn type power divider

通过图 7(c) 可以看出在 DC～18 GHz 频段该结构的回波损耗均优于29.06 dB，回波损耗绝对值越大说明信号反射越好，结构性能越优越.

对于RF MEMS衰减器来说，最重要的是衰减量和衰减精度，因此需对DC～20 GHz的衰减步进进行仿真，结果如图 8 所示.由此可见，以10 dB为步进，0～70 dB的衰减量，全频段衰减精度优于±2 dB，优于目前RF MEMS衰减器[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减器在插入损耗、驻波比以及回波损耗均优于采用T型结功分器的衰减器.

图 84比特衰减器仿真结果 Fig.8 Attenuation simulations results of the 4 bit attenuator

由上述结果可知，采用喇叭型功分器的衰减器的各项指标明显优于T型结的衰减器，可实现低插入损耗、高回波损耗以及改善驻波比的设计目的.

3 结 论

本文设计并优化了RF MEMS开关、共面波导(CPW)功分器以及衰减电阻结构，通过采用直板状悬臂梁开关、喇叭型共面波导(CPW)功分器以及π型衰减电阻集成RF MEMS衰减器，实现工作频率在DC～20 GHz内、衰减范围为0～70 dB、四位步进且步进间隔10 dB，插入损耗中心值优于1.35 dB，驻波比优于1.08，衰减精度优于±2 dB，为后期制作高微波性能的RF MEMS衰减器提供了有效的设计方案.