硅基微波共平面波导传输特性及其在微波移相器中的应用研究

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采用以硅材料为衬底及与IC兼容的微电子机械(MEMS)技术,能够实现微波无源分立元件与信号处理电路的单片集成化,最终形成完整的和智能化的在片系统。微型硅基微波传输线是微波无源、有源器件及微波集成电路的重要构成基础,本文首先对其工作原理、器件模拟、结构参数设计、制备及散射参数测试进行较深入全面的研究,并进一步将微波传输理论应用于MEMS移相器,对移相器的结构参数、相移特性及可靠性等进行了分析。工作中取得了以下几方面的研究成果: 1.在大量文献调研的基础上,对硅衬底上制备微波传输线的方法进行了全面分析和总结,结合现有仪器设备和加工技术条件,确定研究目标。 2.对低阻硅衬底上实现V型槽MEMS共平面波导进行了详细深入的研究,提出并采用混合相似剖分有限元方法对不规则结构传输线的特性阻抗进行数值分析,在验证了方法的正确性基础上,进行了大量计算,并总结了常用50Ω、120Ω等阻抗传输线的结构参数。该方法为毫米级长度不规则结构传输线的设计和制备提供了理论依据。 3.利用混合腐蚀工艺制备了V型槽MEMS共平面波导,其中特性阻抗为50Ω的传输线采用体硅加工技术实现,而120Ω传输线则采用表面微机械加工技术实现。对该MEMS结构形成过程中的应力释放进行了分析,以获得最佳机械和电学特性的样品。 4.将多线分析技术引入在线检测S参数分析,消除了探针或校正不良等引入的误差,度对V型槽MEMS共平面波导的插入损耗、相对介电常数等特性进行了系统全面的分析。 5.进一步研究了实现硅基微波传输线的两种硅平面工艺技术。方法之一将共平面波导直接制备于高阻硅衬底(>1000Ω·cm)之上,另一种方法是在低阻硅衬底(0.5Ω·cm)上采用不同厚度的聚酰亚胺介质层,测试结果都表明微波传输损耗得到了不同程度的改善。该硅平面工艺技术简单,成品率高,不仅为实现微型且可与系统集成的微波无源器件提供了不同的解决方案,同时为硅基MEMS移相器研究打下了基础。 6.在对高阻硅基传输线研究基础上,探索分析了高阻硅基上级联式MEMS移相器的 分讲。;o光从Dg论企;论述了MEMS移相器特性对微机械电容和下拉电比的要求, 故土工了村 厂M*MS移村!器Bffg*城止频率随 结构参数的变化* 亏 备过干且且尝试了 各忡一艺流w,并通过轻质量的出所合余弹性膜,获得了低于20V 的卜拉山地, 这U油附件的‘复用化提供了重要的保障。M*MS移相器在整个频段的传输报材小 ]‘入旧,川格里ZS”,在此基础_上对体性吸振动进行了初步寿命测试,对16级级 状的ML卜!S f纠。o器,所有弹州段完好振动的寿命为3x10‘次。 个义系法I对完了人以微波传输线的实观了段、结构参数的数值分析人“汰、制备L上优化从g&侧iX,在此基i,卅上进一步深入探讨了MEMS移相器的分析和制备技术,伙们了较个m的州‘究成果。本文还提出了下一个对传输线和移相器深入研究的*彻、。
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