проводится оптимизация проекта. Convertors Desiner также анализирует взаимное влияние различных микросистем друг на друга, их взаимодействие с окружающими .электронными схемами, рассматривает вопросы согласования сигналов и монтажа устройств. Все это помогает в отработке как конструкции микросистемы, так и схемы управления ею.

л. .Ь. 2

величина внутренних смещении

X 0.00

0.30

0,60

0.90

1,20

Рис. 3.46. Модель переключателя: а - без искажения формы, б - с искажением формы. Приведено с разрешения www.convertor.com

3.8.1. Электромеханический анализ методом конечных элементов

На рис. 3.47а показана геометрия и сетчатая структура элемента, используемого для разработки микропереключателя консольного типа методом конечных элементов при помощи программного пакета Ansys (www.ansys.com) (Human et al, 1999). Он состоит из слоя золота толщиной 1 мкм, имеющего свободное пространство снизу, на который нанесены слои из нитрида кремния толщиной 0.8 мкм. Ве-

личина действующего давления определяется приложенным напряжением, которое возрастает при движении электрода вниз. Конструкция прочно закреплена с одного конца в фиксированной точке пространства и не может в ней ни вращаться, ни сдвигаться. На рис. 3.476 и 3.47 в показаны положения электрода в исходном состоянии и в состоянии полного срабатывания.

Рис. 3.47. а - геометрия, размеры и сетчатая структура микропереключателя, используемая в методе конечных элементов. Здесь используется 1 мкм слой золота и 1 мкм слой нитрида кремния, б - изометрическая проекция FEM модели микропереключателя, в - максимальное отклонение микропереключателя при его срабатывании. Репродукция из книги D. Нушап, J. Lam, В. Warneke, А. Schmitz, T.Y. Hsu, J. Brown, J. Schaffner, A. Waltson, R.Y. Loo, M. Mehregany, J. Lee, 1999a, Surface mieromaehined RF MEMS switches on GaAs substrates*. International Journal of RF and Computer Aided Engineering 9: 348-361 с разрешения Wiley, ©1999 Wiley

Из модели видно, что напряжение срабатывания и быстродействие переключателя сильно зависит от геометрии электрода, в то время как заглубление контактов и конструкция балки определяют механические свойства.

3.8.2. Разработка ВЧ микропереключателей

Основной частью всех ВЧ переключателей является механизм привода. Любой переключатель можно рассматривать как цифровое

двоичное устройство, поскольку он может находиться только в одном из двух возможных положений. Во включенном состоянии переключатель связывает входной и выходной порты системы, в то время как в выключенном состоянии он их рассоединяет. Количество полюсов определяет число входных терминалов или входных портов переключателя, а количество направлений - число выходных терминалов или выходных портов. Для любого типа переключателей важными являются следующие характеристики: вносимые потери во включенном состоянии, коэффициент развязки в выключенном состоянии и потери на отражение в обоих состояниях

3.8.2.1. Линии передач Рассмотрим линию передач с характеристическим импедансом Zq, подключенную через ключ к другой линии с импедансом Zi, как показано на рис. 3.48. Предполагается, что в системе отсутствуют отражения от нагрузки, и выходным импедансом считается Zi. Коэффициент отражения Г, определяемый как отношение амплитуды напряжения отраженной волны к амплитуде напряжения падающей волны, можно записать в виде:

(3.45)

Часть падающей волны отражается, а другая часть передается на выходной порт, амплитуда напряжения результирующей волны определяется коэффициентом передачи:

Т = \-\Г\ =

1 - 1st Д- 1 > 0, 1 - 1st Д- 1 <

(3.46)

Коэффициент передачи между двумя точками цепи часто выражается в дБ и называется вносимыми потерями, IL:

/L = -201ogr, дБ.

(3.47)

При несогласовании линии передач с нагрузкой не вся мощность сигнала доходит до нагрузки. Эти потери называются потерями на отражение, RL и выражаются в дБ: , .

i?L = -20log(l-r), дБ.

(3.48)

При согласованной нагрузке Г = О, а Я! = О (нет отраженной мощности), тогда как полное отражение сигнала (Г = 1) приводит

SWR =

1 + 1Л \-\г[

(3.49)

Рйс. 3.48. Отражение и передача сигнала при подключении через ключ двух линий передач с разными характеристическими импедан-сами. Репродукция из книги D. Hyman, J. Lam, В. Warneke,

,.. , .. ,.; А. Schmitz, T.Y. Hsu, J. Brown, J. Schaffner, A. Waltson, R.Y.

Loo, M. Mehregany, J. Lee, 1999a, Surface micromachined RF MEMS switches on GaAs substrates*. International Journal of RF

. . . and Computer Aided Engineering 9: 348-361 с разрешения Wiley,

©1999 Wiley

3.8.2.2. СВЧ параметры В любых микропереключателях следует оптимизировать следующие СВЧ параметры: вносимые потери, коэффициент развязки, частоту переключения и потери на отражение. Вносимые потери объясняются, в основном, несогласованием характеристических импедансов линии передач и переключателя. Сопротивление контактов и потери, связанные с металлизацией балки, также сказываются на вносимых потерях.

Одним из принципиальных требований к СВЧ микропереключателям является то, чтобы линия передач входила в состав СВЧ ИС в виде ее внутреннего элемента. Структура линии передач сигнального тракта имеет планарную конфигурацию, и ее характеристический импеданс определяется ее геометрическими размерами. Например, величину импеданса линии передач на СВЧ подложке можно регулировать изменением ширины самой линии. На рис. 3.49 показаны варианты планарных линий передач.

к RL = (X) (вся падающая мощность отражается). При увеличении модуля Г отношение амплитуд напряжений Vmax и Vmin также возрастает. На практике часто применяют коэффициент стоячей волны (SWR), показывающий уровень согласования линии и нагрузки:

Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле

Рис. 3.49. Различные конфигурации планарных линий передач, используемых в СВЧ ИС: а - микропо-лосковая линия, б - щелевая линия, в - копланарный волновод, г - структура с копланарными полосками, д - полосковая структура

Наиболее распространенной линией является микрополосковая линия. Она обладает рядом преимуществ: малыми размерами, низкой стоимостью, отсутствием частоты отсечки, простотой интеграции с активными устройствами, возможностью использования фотолитографического метода для ее изготовления, хорошей повторяемостью и воспроизводимостью, возможностью налаживания массового производства и совместимостью с монолитными схемами. Монолитными схемами считаются СВЧ ИС на GaAs подложке, в которых активные и пассивные устройства располагаются на одном кристалле. Но по сравнению с прямоугольными волноводами микрополосковые линии имеют большие потери и большую температурную нестабильность и при этом могут работать с меньшими по мощности ВЧ сигналами.

проводник

заземление

На рис. 3.50 показана схема микрополосковой линии передач, которая состоит из тонкой проводящей полоски шириной W, нанесенной на верхнюю часть заземленной диэлектрической подложки с толщиной h и относительной диэлектрической проницаемостью Ег- Для изготовления микрополосковых линий используются два типа подложек: мягкая и твердая. Мягкие подложки - гибкие, недорогие и легко поддаются обработке. Однако они обладают высоким коэффициентом температурного расширения. Примерами

Рис. 3.50. Схема микрополосковой линии передач

3.8. Расчет, моделирование и сравнение микропереключателей

мягких подложек являются RT Duroid 5870 (ег = 2.3), RT Duroid 5880 {ег = 2.2), RT Duroid 6010 (е^ = 10.5) (RT Duroid - торговая марка Rogers Corporation, Chandler, AZ). Твердые подложки - кварц [ег = 3.8), окись алюминия (е^ = 9.7), сапфир (е^ = 11.7) и GaAs {ег = 12.3). Они имеют большую прочность и более низкие коэффициенты расширения, но меньшую гибкость и большую стоимость. Для микрополосковых линий передач наиболее важными характеристиками являются W, h та Ег.

3.8.2.3. Расчетные уравнения Микрополосковые линии передач состоят из двух токопроводящих дорожек и ведут свое начало от двухпроводных линий передач. Микрополосковые линии значительно отличаются от остальных линий передач. В отличие от полосковых линий микрополосковые структуры сверху открыты. Такая конфигурация линии очень удобна для использования в СВЧ ИС, в состав которых входят дискретные сосредоточенные устройства, как пассивные, так и активные. К тому же поскольку микрополосковая линия передач является планарной, в ее конструкции можно предусмотреть подстроенные элементы для осуществления согласования импеданса линии и нагрузки. Однако поверхностные эффекты на границе раздела слоя диэлектрика и воздуха могут привести к изменению режима распространения сигнала в линии, что усложняет процедуру расчета и проектирования сигнального тракта. Если в полосковой линии все электромагнитные поля заключены в однородной диэлектрической среде, в микрополосковой линии большинство силовых линий в диэлектрическом слое сконцентрированы между токопрсводящей дорожкой и слоем заземления, а остальная часть - в слое воздуха над подложкой. Такое распределение силовых линий не обеспечивает создания чисто поперечного электромагнитного поля (НЭП), поскольку фазовые скорости НЭП полей в зоне воздуха и диэлектрике будут различаться, т. е. если скорость в воздухе равна с, то в диэлектрике - с/fs. Однако в большинстве практических случаев диэлектрик имеет очень маленькую толщину (/i -С А), поэтому поля считаются квази-поперечными. Следовательно, для оценки значении коэффициента распространения, фазовой скорости и характеристического импеданса можно воспользоваться стационарной или квази-стационарной моделью. Тогда фазовую скорость и коэффициент распространения можно записать в виде:

(3.50)

У - 104S2