RF MEMS衰減器中功分器的優(yōu)化與設計

高躍升，李 強，吳倩楠，陳 鴻，李孟委

(1. 中北大學 儀器與電子學院，山西 太原 030051； 2. 中北大學 理學院，山西 太原 030051)

0 引 言

射頻微機械(RF MEMS)衰減器是微波系統(tǒng)中的一種程控步進式射頻器件[1-4]，主要功能是對輸入信號進行衰減且不造成信號畸變，可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的信號電平、 改善阻抗匹配、 減小信號耦合等，具有體積小、 功耗低、 隔離度高、 成本低的優(yōu)點，在雷達、 通信和現(xiàn)代微波測試設備中具有廣泛的應用[5-7]. RF MEMS衰減器是通過功率分配器(功分器)將某一輸入功率的信號按照一定比例分配到集成電路的各分支中，并利用靜電驅(qū)動射頻開關(guān)在衰減電阻與直通線間切換，控制多個衰減單元的不同組合，實現(xiàn)對信號的程控步進衰減[8-10]. 功分器作為信號與負載的傳輸橋梁，其性能是影響RF MEMS衰減器插入損耗和衰減精度的重要因素. 因此，RF MEMS衰減器中的功分器的設計顯得尤為重要.

目前應用在MEMS衰減器中的功分器主要為T型結(jié)雙端等功率功分器，這類功分器因其結(jié)構(gòu)小巧緊湊，容易實現(xiàn)各種復雜的饋電網(wǎng)絡，廣泛應用于微波電路中[11-16]. 但是T型結(jié)中不連續(xù)的截面會導致電磁場的分布發(fā)生突變，激發(fā)出更高階的傳播模式，從而引發(fā)電路產(chǎn)生與預期不同的變化，甚至產(chǎn)生諧振[17-20]. 針對這些問題，本文在T型結(jié)的結(jié)構(gòu)基礎上，對不連續(xù)結(jié)構(gòu)進行了補償，設計了3種新型功分器，并將其運用在RF MEMS衰減器中.

RF MEMS衰減器由若干個衰減單元組成. 每個衰減單元由衰減電阻網(wǎng)絡、 4個RF MEMS開關(guān)、 2個T型結(jié)、 4個轉(zhuǎn)角以及2條不同電長度的信號傳輸線組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示. 本文主要對衰減器中的功分器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，達到改善RF MEMS衰減器微波性能的目標.

圖 1 衰減單元示意圖Fig.1 Attenuation unit diagram

1 功分器設計與優(yōu)化

目前應用在MEMS衰減器中的功分器大多為T型結(jié)功分器，如圖 2(a) 所示. 考慮到T型結(jié)寬度上的驟變會引起信號傳輸發(fā)生突變，導致信號傳輸時不能完全匹配，進而影響系統(tǒng)的微波性能，本文設計了3種信號可漸變式傳輸?shù)墓Ψ制鹘Y(jié)構(gòu)，如圖 2(b)～2(d) 所示. 通過采用漸變式接口對T型結(jié)的不連續(xù)結(jié)構(gòu)進行補償，降低了在接口處的功率損耗，提高了阻抗匹配.

現(xiàn)階段微波電路設計的電磁仿真軟件中，常用的有ADS軟件、 CST軟件和HFSS軟件等. 本文通過HFSS軟件進行設計和仿真，利用ADS自帶的linecalc計算接地共面波導的尺寸，參數(shù)為：阻抗為50 Ω，襯底厚度為590 μm，信號線寬度為120 μm，信號線與地線間距為75 μm. 為防止腔體自激，空氣腔的尺寸選擇為2 660 μm×1 690 μm×2 360 μm.

圖 2 四種功分器結(jié)構(gòu)圖 Fig.2 Four power splitters structure

功分器的微波性能主要體現(xiàn)在插入損耗和回波損耗[20-23]. 插入損耗指在傳輸系統(tǒng)某處由于元件或器件的插入而發(fā)生負載功率的損耗，因此插入損耗的絕對值越小，功分器的微波性能越優(yōu). 在上述T型結(jié)共面波導功分器的基礎上，提出了3種新的共面波導功分器的結(jié)構(gòu)，分別是半圓形功分器、 漏斗形功分器和喇叭形功分器. 利用HFSS軟件分別對3種結(jié)構(gòu)的功分器進行仿真模擬，襯底材料為高阻硅，共面波導的材料為金.

圖 2 中的4種功分器插入損耗結(jié)果如圖 3 所示. 由于所設計的功分器為高度對稱的結(jié)構(gòu)，兩個端口的插入損耗相同，因此只討論一個端口的插入損耗即可. 由圖 3 可知，在10 GHz時，T型結(jié)的插入損耗為4.05 dB，半圓形功分器、 漏斗形功分器和喇叭形功分器的插入損耗分別為3.93、 3.96和3.97 dB； 在18 GHz時，T型結(jié)的插入損耗為4.77 dB，半圓形功分器、 漏斗形功分器和喇叭形功分器的插入損耗分別為 4.46、 4.48 和 4.58 dB. 由此可見，優(yōu)化后的功分器的插入損耗都優(yōu)于T型結(jié)，其中半圓形功分器的性能最優(yōu)，在18 GHz時，其值相較于T型結(jié)降低了0.31 dB. 表 1 為10 GHz和18 GHz時不同功分器的插入損耗對照表，其中S21為功分器單個端口的插入損耗.

圖 3 插入損耗對比Fig.3 Insertion loss comparison

表 1 10 GHz和18 GHz下不同功分器的插入損耗Tab.1 10 GHz and 18 GHz different power splitter insertion loss

功分器的回波損耗又稱為反射損耗，是波導由于阻抗不匹配產(chǎn)生的反射. 回波損耗L是反射系數(shù)的倒數(shù)，若換算成 dB單位，則L(dB)的絕對值越大表示匹配越好. 衰減器是一個功率消耗元件，需要與兩端電路都良好匹配，而且功分器回波損耗的大小會直接影響衰減器的回波損耗. 因此，需要對功分器的回波損耗進行模擬仿真，結(jié)果如圖 4 和表 2 所示，其中S11和S12分別為功分器輸入端口和輸出端口的回波損耗.

表 2 10 GHz和18 GHz下不同結(jié)構(gòu)功分器的回波損耗Tab.2 10 GHz and 18 GHz different power splitter return loss

從圖 4 和表 2 可看出，優(yōu)化后的3種功分器的回波損耗都優(yōu)于T型結(jié)功分器，其中半圓形功分器的性能最佳，在18 GHz時，其回波損耗的絕對值相對于T型結(jié)提高了0.93 dB. 從上述結(jié)果可知，無論從插入損耗還是回波損耗來看，半圓形功分器的性能最優(yōu). 因此，將半圓形功分器應用在衰減單元中能夠提高衰減器的整體性能.

2 結(jié)果分析

RF MEMS衰減器為4比特位衰減器，由3個20 dB的衰減器單元和1個10 dB的衰減器單元組成，在DC-20 GHz的頻率范圍內(nèi)以10 dB為步進，可以實現(xiàn)10～70 dB的衰減量. 將T型結(jié)和半圓形功分器分別應用在RF MEMS衰減器中，仿真模型如圖 5 所示.

圖 5 采用不同結(jié)構(gòu)功分器的RF MEMS衰減器模型Fig.5 RF MEMS attenuator model with different power splitters

當4個單元的直通回路同時導通時，衰減器處于直通狀態(tài)，這時衰減器的插入損耗為評判衰減器性能的重要指標. 如圖 6(a) 所示，T型結(jié)功分器衰減器插入損耗明顯大于半圓形衰減器. 其中17 GHz時T型結(jié)衰減器的插入損耗為-3.05 dB，而半圓形衰減器的插入損耗為-2.25 dB，相差0.8 dB，這是因為基于T型結(jié)衰減器的插入損耗曲線在16 GHz處有一個不連續(xù)結(jié)構(gòu)所導致的諧振點. 改進后的半圓形功分器對不連續(xù)結(jié)構(gòu)進行了補償，消除了這個諧振點，改善了衰減器的插入損耗，提高了衰減器的性能. 圖 6(b) 為兩種衰減器的回波損耗，如圖所示，在20 GHz的頻段內(nèi)，基于半圓形功分器的衰減器回波損耗全頻帶內(nèi)優(yōu)于-33 dB，在有些頻段甚至可以達到-50 dB； 而T型結(jié)衰減器的回波損耗在全頻帶內(nèi)只能優(yōu)于-10 dB.

圖 6 兩種衰減器的性能參數(shù)Fig.6 Two kinds of attenuator performance parameters

3 結(jié) 論

本文在T型結(jié)共面波導功分器的基礎上，設計了3種新的共面波導功分器，克服了T型結(jié)功分器由于寬度上的驟變引起的信號突變的問題，并比較了幾種功分器的性能. 其中，半圓形功分器的微波性能最優(yōu). 之后又將半圓形功分器和T型結(jié)功分器分別應用于RF MEMS衰減器中，基于半圓形功分器衰減器的性能明顯優(yōu)于T型結(jié)衰減器，消除了由于不連續(xù)結(jié)構(gòu)所導致的16 GHz附近的諧振點. 在DC-20 GHz的頻率范圍內(nèi)，基于半圓形功分器衰減器的插入損耗優(yōu)于-2.36 dB，回波損耗優(yōu)于-33 dB.