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RF MEMS可变电容及压控振荡器的研究

作　者: 李丽
导　师: 赵正平；杨瑞霞
学　校: 河北工业大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: RF MEMS可变电容 Q值压控振荡器单边带相位噪声双稳态压膜阻尼机械热噪声
分类号: TM53
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

近年来，随着无线通信系统的飞速发展，对低相位噪声压控振荡器(VCO)的需求也同益增加。VCO的调谐能力通常由可变电容来实现，要获得低相位噪声，需要高Q值的片上可变电容。然而，利用标准的集成电路工艺实现高Q值的片上可变电容是非常困难的。因此，现在的VCO器件通常采用片外分立的PN结变容二极管，这样不仅增加了系统的面积，而且存在封装复杂、功耗高以及成本高等缺点。因此，迫切需要能与VCO电路单片集成的高Q值的可变电容。本论文采用全波电磁场仿真软件对凹型结构RF MEMS可变电容的结构参数进行了优化，优化目标为可变电容在2GHz时Q值最高。并对寄生电容量进行了讨论，在此基础上，得出了可变电容的单端口等效电路模型。根据优化后的结构，采用有限元分析软件得到了吸合电压及一阶谐振频率。对平行板结构RF MEMS可变电容的运动过程进行了非线性分析。采用迭代方法对其动力学方程进行了求解，建立了动力学模型。并对空气压膜阻尼以及外加电压对运动的影响进行了详细讨论。首次发现了在RF MEMS可变电容存在的双稳态现象，并对此现象出现的原因进行了说明。把双稳态的特性应用于研究可变电容的调节范围，在理论上预言了调节范围大于50％的状态是存在的。在RF MEMS开关加工工艺基础上，提出了适合凹型结构RF MEMS可变电容的表面微机械工艺流程，并进行了流片验证，其Q值为目前国内报道的最高数值，并且制造工艺与标准的集成电路工艺兼容，易于实现片上集成。对振荡器中的两种相位噪声模型：线性时不变模型和线性时变模型进行了系统分析和概括。并对RF MEMS可变电容引起的机械热噪声进行了讨论，提出了以可变电容响应时间最短作为标准，优化阻尼孔数目，降低相位噪声的方法。对MEMS VCO电路的相位噪声进行了讨论，得出了与文献一致的结论，即当频偏位于可变电容的机械谐振频率近端时，电路中起主要作用的相位噪声是RF MEMS可变电容的机械热噪声，而频偏较大时，起主要作用的是电热噪声。将凹型结构的RF MEMS可变电容与微波薄膜混合集成电路工艺制造的电路键合在一起，制备了国内第一个微波MEMS VCO器件。其单边带相位噪声性能优于90年代末国外同频率器件。谐波抑制以及杂波抑制性能优于采用变容管的VCO器件。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-34
  1-1 引言  11-12
  1-2 传统的片上可变电容  12-14
    1-2-1 PN结变容二极管  12-13
    1-2-2 MOS变容管  13-14
  1-3 RF MEMS可变电容的发展  14-26
    1-3-1 表面微机械 RF MEMS可变电容  15-23
    1-3-2 体微机械 RF MEMS可变电容  23
    1-3-3 LIGA工艺 RF MEMS可变电容  23-24
    1-3-4 国内RF MEMS可变电容的发展  24-25
    1-3-5 RF MEMS可变电容的发展趋势  25-26
  1-4 压控振荡器的研究历史  26-27
  1-5 RF MEMS压控振荡器的发展  27-33
    1-5-1 集成了RF MEMS可变电容的压控振荡器  27-30
    1-5-2 集成了RF MEMS电感的压控振荡器  30-31
    1-5-3 国内RF MEMS压控振荡器的发展  31-32
    1-5-4 RF MEMS压控振荡器的发展趋势  32-33
  1-6 本论文的主要内容  33-34
第二章 RF MEMS可变电容的设计  34-63
  2-1 RF MEMS可变电容的性能参数  34-35
  2-2 RF MEMS可变电容的电学特性设计  35-52
    2-2-1 HFSS软件理论介绍  35-37
    2-2-2 共面波导(CPW)传输线的分析和设计  37-43
      2-2-2-1 CPW传输线特性分析  37-39
      2-2-2-2 CPW传输线尺寸设计  39-43
    2-2-3 凹型结构 RF MEMS可变电容的电学特性设计  43-52
      2-2-3-1 Q值的优化  45-48
      2-2-3-2 寄生电容讨论  48-52
  2-3 RF MEMS可变电容的力学特性设计  52-62
    2-3-1 有限元法简介  52-53
    2-3-2 RF MEMS可变电容的耦合场分析  53-57
    2-3-3 模态分析  57-62
      2-3-3-1 凹型结构的 RF MEMS可变电容的模态分析  58-60
      2-3-3-2 平行板结构的 RF MEMS可变电容的模态分析  60-62
  2-4 小结  62-63
第三章 RF MEMS可变电容的动力学及双稳态分析  63-75
  3-1 引言  63-64
  3-2 动力学模型的建立  64-65
  3-3 基于动力学模型的运动过程分析  65-71
    3-3-1 空气压膜阻尼对运动的影响  66-68
    3-3-2 外加电压对运动的影响  68-69
    3-3-3 运动极板可能存在的三种运动情况  69-71
  3-4 双稳态现象分析  71-73
    3-4-1 双稳态现象讨论  71-72
    3-4-2 双稳态现象出现的原因  72-73
  3-5 RF MEMS可变电容的调节范围讨论  73-74
  3-6 小结  74-75
第四章 RF MEMS可变电容的制备与测试  75-89
  4-1 RF MEMS可变电容的制备  75-79
    4-1-1 RF MEMS开关的工艺流程  75-77
    4-1-2 RF MEMS可变电容的工艺流程  77-78
    4-1-3 工艺改进  78-79
  4-2 RF MEMS可变电容的版图设计与实现  79-82
  4-3 RF MEMS可变电容的测试与分析  82-88
    4-3-1 微波特性测试  83-86
    4-3-2 C-V特性测试  86-87
    4-3-3 测试结果分析  87-88
  4-4 小结  88-89
第五章压控振荡器及其相位噪声研究  89-111
  5-1 压控振荡器的数学模型  89-91
  5-2 振荡器的工作原理  91-95
    5-2-1 反馈振荡器的工作原理  91-94
      5-2-1-1平衡条件  92
      5-2-1-2 起振条件  92-93
      5-2-1-3 稳定条件  93-94
    5-2-2 负阻振荡器的工作原理  94-95
  5-3 振荡器的相位噪声特性  95-96
  5-4 振荡器的相位噪声分析模型  96-104
    5-4-1 线性时不变(LTI)相位噪声模型  97-101
      5-4-1-1 Lesson相位噪声模型  97-99
      5-4-1-2 Craninckx和 Razavi相位噪声模型  99-101
    5-4-2 线性时变(LTV)相位噪声模型  101-104
      5-4-2-1 Demir和 Mehrotra的非线性扰动模型  101
      5-4-2-2 Hajimiri和 Lee的相位噪声模型  101-104
  5-5 MEMS VCO的相位噪声模型  104-110
    5-5-1 位移功率谱密度分析  105-106
    5-5-2 机械热噪声计算  106-107
    5-5-3 机械热噪声优化  107-109
    5-5-4 MEMSVCO的相位噪声讨论  109-110
  5-6 小结  110-111
第六章 RF MEMS 压控振荡器的研制  111-123
  6-1 微波薄膜混合集成电路工艺简介  111-112
  6-2 RF MEMS压控振荡器的低相位噪声设计  112-113
  6-3 RF MEMS压控振荡器的电路设计  113-117
    6-3-1 设计原理  113
    6-3-2 电路设计  113-117
  6-4 RF MEMS压控振荡器的制作与测试  117-122
    6-4-1 RF MEMS压控振荡器的制作  117-118
    6-4-2 RF MEMS压控振荡器的测试  118-122
  6-5 小结  122-123
第七章结论  123-124
参考文献  124-130
附录  130-136
致谢  136-137
攻读学位期间所取得的相关科研成果  137

RF MEMS可变电容及压控振荡器的研究

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