Разработка архитектуры и математическое моделирование режимов работы радиочастотного МЭМС-переключателя с плавающим электродом

Устройства и системы передачи, приема и обработки сигналов
Авторы:
Сизин И.А.Лукин А.В.Лобода В.В.Смердов Р.С.
Аннотация:

Представлены разработка архитектуры и математическое моделирование электростатического шунтирующего радиочастотного МЭМС-переключателя с плавающим электродом, предназначенного для работы в S-диапазоне. Отличительной особенностью предложенной конструкции является введение неподвижного металлического плавающего электрода, размещенного над сигнальной линией и отделенного от нее слоем high-k диэлектрика TiO2, что обеспечивает существенное увеличение емкости в замкнутом состоянии и повышение изоляции. Переключатель реализован на основе копланарного волновода и содержит алюминиевую мембрану с меандровыми подвесами и перфорацией, обеспечивающими снижение эффективной жесткости и рабочего напряжения. Выполнены аналитический расчет основных электромеханических параметров, моделирование переходных процессов в COMSOL Multiphysics и электромагнитное моделирование в ANSYS HFSS. Для разработанной конструкции получены следующие характеристики: напряжение срабатывания 2,7 В, время замыкания 18 мкс, емкость в замкнутом и разомкнутом состояниях 247 пФ и 9,6 фФ соответственно. В диапазоне 2−4 ГГц рассчитаны вносимые потери от -0,012 до -0,14 дБ и изоляция от -43,3 до -89,75 дБ. Показано, что использование плавающего электрода позволяет существенно увеличить отношение емкостей и обеспечить улучшение радиочастотных характеристик.

Финансовые условия:

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания «Программная реализация интеллектуальной системы для синтеза конструкций МЭМС устройств и подготовки технологических описаний» (FSEG-2026-0013).

Ключевые слова:
РЧ МЭМС-переключательшунтирующая архитектуравносимые потериS-параметрыплавающий электродS-диапазон
  • Список литературы

    1. Grant P.D., Denhoff M.W., Mansour R.R. A comparison between RF MEMS switches and semiconductor switches. 2004 International Conference on MEMS, NANO and Smart Systems (ICMENS'04), 2004, Pp. 515–521. DOI: 10.1109/ICMENS.2004.1509004

    2. Jaafar H., Beh K.S., Yunus N.A.M., Hasan W.Z.W., Shafie S., Sidek O. A comprehensive study on RF MEMS switch. Microsystem Technologies, 2014, Vol. 20, Pp. 2109–2121. DOI: 10.1007/s00542-014-2276-7

    3. Rebeiz G.M. RF MEMS: Theory, Design, and Technology. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2004. DOI: 10.1002/0471225282

    4. Goldsmith C.L., Yao Z., Eshelman S., Denniston D. Performance of low-loss RF MEMS capacitive swit-ches. IEEE Microwave and Guided Wave Letters, 1998, Vol. 8, No. 8, Pp. 269–271. DOI: 10.1109/75.704410

    5. Muldavin J.B., Rebeiz G.M. High-isolation CPW MEMS shunt switches. Part 1: Modeling. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2000, Vol. 48, No. 6, Pp. 1045–1052. DOI: 10.1109/22.904743

    6. Muldavin J.B., Rebeiz G.M. High-isolation CPW MEMS shunt switches. Part 2: Design. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2000, Vol. 48, No. 6, Pp. 1053–1056. DOI: 10.1109/22.904744

    7. Rebeiz G.M., Muldavin J.B. RF MEMS switches and switch circuits. IEEE Microwave Magazine, 2002, Vol. 2, No. 4, Pp. 59–71. DOI: 10.1109/6668.969936

    8. Younis M.I. MEMS Linear and Nonlinear Statics and Dynamics. New York, NY: Springer, 2011. DOI: 10.1007/978-1-4419-6020-7

    9. Zhang W.-M., Yan H., Peng Z.-K., Meng G. Electrostatic pull-in instability in MEMS/NEMS: A re-view. Sensors and Actuators A: Physical, 2014, Vol. 214, Pp. 187–218. DOI: 10.1016/j.sna.2014.04.025

    10. Kurmendra, Kumar R. A review on RF micro-electro-mechanical-systems (MEMS) switch for radio frequency applications. Microsystem Technologies, 2021, Vol. 27, Pp. 2525–2542. DOI: 10.1007/s00542-020-05025-y

    11. Kurmendra, Kumar R. RF micro-electro-mechanical system (MEMS) capacitive switch performance parameters and improvement strategies. Microsystem Technologies, 2022, Vol. 28, Pp. 1765–1783. DOI: 10.1007/s00542-022-05324-6

    12. Van Spengen W.M. Capacitive RF MEMS switch dielectric charging and reliability: a critical review with recommendations. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2012, Vol. 22, No. 7, Art. no. 074001. DOI: 10.1088/0960-1317/22/7/074001

    13. Percy J.J., Kanthamani S. Revolutionizing wireless communication: a review perspective on design and optimization of RF MEMS switches. Microelectronics Journal, 2023, Vol. 139, Art. no. 105891. DOI: 10.1016/j.mejo.2023.105891

    14. Shao B., Lu C., Xiang Y., Li F., Song M. Comprehensive review of RF MEMS switches in satellite communications. Sensors, 2024, Vol. 24, No. 10, Art. no. 3135. DOI: 10.3390/s24103135

    15. Lysenko I.E., Tkachenko A.V. Application of the RF MEMS technology in modern wireless systems: A potential that has not yet been fully realized. Computing, Telecommunications and Control, 2021, Vol. 14, No. 2, Pp. 16–28. DOI: 10.18721/JCSTCS.14202

    16. Kurmendra Kumar R. MEMS switch realities: addressing challenges and pioneering solutions. Mic-romachines, 2024, Vol. 15, No. 5, Art. no. 556. DOI: 10.3390/mi15050556

    17. Deng K., Yang F., Deng Z., Han K. Analysis and design of a novel high capacitance ratio and low actuation voltage RF MEMS switch. Microsystem Technologies, 2021, Vol. 27, Pp. 2803–2813. DOI: 10.1007/s00542-023-05581-z

    18. Chand C.G., Gautam A.S., Kumar M., Maity R., Maity N.P. Analytical model and analysis of RF MEMS switch for Ka-band applications. Microsystem Technologies, 2024, Vol. 30, Pp. 117–125. DOI: 10.1007/s00542-023-05579-7

    19. Sravani K.G., Guha K., Aditya M., Balaji B., Rao K.S. Design, simulation and analysis of uniform and non-uniform serpentine step structure RF MEMS switch. Microsystem Technologies, 2022, Vol. 28, Pp. 855–865. DOI: 10.1007/s00542-021-05216-1

    20. Sravani K.G., Guha K., Rao K.S. Design of a novel step structure RF MEMS switch for K-band ap-plications. Microsystem Technologies, 2021, Vol. 27, Pp. 619–627. DOI: 10.1007/s00542-020-04943-1

    21. Singh K., Nagachenchaiah K., Bhatnagar D. Electromagnetic modelling of conductor-backed CPW based RF MEMS capacitive shunt switch. International Journal of Electronics, 2009, Vol. 96, No. 8, Pp. 887–893. DOI: 10.1080/00207210902851498

    22. Karthick R., Babu S.P.K. Electromechanical modelling and analysis of RF MEMS switch for mm-wave application. International Journal of Electronics and Communication Engineering, 2024, Vol. 11, No. 4, Pp. 89–101. DOI: 10.14445/23488549/IJECE-V11I4P110

    23. Tkachenko A.V., Lysenko I.E., Kozlov A.V. Research of electromagnetic parameters of the radio-frequency micromechanical switch designed for operation in 5G transceiver systems. Nano- and Microsystems Technology, 2023, Vol. 25, No. 2, Pp. 86–96. DOI: 10.17587/nmst.25.86-96

     

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Предыдущая статьяСледующая статья