RF MEMS悬臂梁开关的设计与仿真

利用有限元软件HFSS和ANSYS系统研究了串联MEMS开关的微波性能和力学性能与其结构参数之间的关系,并在此基础上优化出悬臂梁开关的几何结构参数,设计了RF MEMS开关,实验表明：在外施电压为10V左右时,悬臂梁的挠度可达3μm左右,5GHz时,回波损耗小于0．2dB,隔离度大于35dB。     

宽带直接接触式RF MEMS开关

本文提出一种静电驱动直接接触式宽带MEMS开关,包含CPW传输线、双U型金属悬臂梁、触点和锚区,兼顾了开关接触可靠、克服微结构粘连和低驱动电压三大结构可靠性设计因素。本开关为三端口开关,使用低温表面微机械工艺,制作在400μm厚的高阻硅衬底上,芯片尺寸0.8mm×0.9mm。样品在片测试结果表明,在6GHz频点,开关本征损耗0.1dB,隔离度24.8dB,等效开关接触电阻0.6Ω,关态电容6.4fF,开关时间47μs,开关驱动电压为20-60V。     

悬臂梁接触式RF MEMS开关的关键工艺研究

采用厚度为2μm的Au制作成共平面波导（CPW）、聚酰亚胺作为牺牲层、PECVD法淀积Si3N4薄膜作为悬臂梁,制作成悬臂梁接触式RF MEMS开关。着重对开关的关键工艺-CPV的Au剥离工艺和悬臂梁制作工艺进行研究,讨论了工艺中存在的问题及其解决方法。通过实验获得较佳的工艺参数,并制作出驱动电压为12-20V的悬臂梁接触式RF MEMS开关。     

基于共平面波导的可调低通滤波器的设计和制作

介绍了一种使用多触点MEMS开关实现的新型可调微波MEMS低通滤波器,应用MEMS制作工艺在石英衬底上实现滤波器结构.滤波器基于慢波共平面波导周期性结构,具有尺寸小、插损低、可与单片微波集成电路工艺兼容等优点.滤波器截止频率的大小取决于MEMS开关的状态.实验结果表明,当MEMS开关受到激励时,低通滤波器的3-dB截止频率从12.5GHz转换至6.1GHz,带内纹波小于0.5dB,带外抑制大于40dB,开关的驱动电压在25V左右.     

基于八悬臂梁-中心质量块结构MEMS压电振动能量采集器

高能量密度输出、低频范围响应、环境适应性强的自供电振动能量采集器已成为微能源技术领域的一个重要发展方向。提出一种d31型工作模式下MEMS压电式振动能量采集器,设计八悬臂梁-中心质量块结构代替传统的单悬臂梁结构,利用溶胶-凝胶（Sol-Gel）技术在每个悬臂梁上异质集成制备锆钛酸铅（Pb（Zr0.53Ti0.47）O3,PZT）压电功能厚膜层,通过MEMS工艺和引线键合技术完成器件础结构制造。输出性能测试结果表明,器件一阶谐振频率为41 Hz,3 gn加速度激励下输出电压峰峰值为264.00 mV;在器件两端加载3.00 MΩ负载时输出功率最大,为0.72 nW。     

Ka波段MEMS共面定向耦合器的模型研究

本文提出一种基于GaAs MMIC技术的Ka波段MEMS定向耦合器结构,并基于微波网络理论对其建立集总S参数模型,从而实现超宽频带的耦合应用.该耦合器在结构上采用全共面传输线形式以易串并联其他元器件,并采用MEMS空气桥以实现地线互连,而无需片外键合线.在模型上,首先对MEMS共面定向耦合器进行各部件结构划分,并提取出相应等效电路模型,其次利用微波级联理论对各部件进行级联,可解出其整体的S参数.利用该模型分析与优化耦合器的关键尺寸参数,优化后MEMS共面定向耦合器在Ka波段S11小于-20 dB、S21在-0.84 dB～-0.89 dB之间、S31在-10.5 dB～-11.3 dB之间、S41小于-25 dB.利用HFSS软件对在该尺寸结构下定向耦合器进行仿真,在Ka波段其S11小于-25 dB、S21在-0.70 dB～-0.79 dB之间、S31在-9.4 dB～-11.5 dB之间、S41小于-25 dB.通过比较发现数学解析模型和HFSS仿真结果显示了较好的吻合,在Ka波段中心频率处S参数误差小于20％,从而验证了解析模型的合理性和有效性.此外,该Ka波段MEMS定向耦合器的设计和模型可作为研究该类MEMS器件的参考.     

E类射频功率放大器设计

基于0.18μm CMOS工艺,采用包含增益驱动级在内的两级电路结构,设计了一个工作频率为2.4GHz的E类开关模式功率放大器,并实现了全片集成.电路通过负载牵引技术获得最佳输出负载,在2V电源电压下经ADS2005A仿真,当输入信号功率为-10dBm时,获得约21.5dBm的输出功率,功率增益为31dB,功率附加效率达到57.69%的较好结果.     

基于改进粒子群算法的阶梯波调制功率均衡控制策略

针对级联型多电平逆变器阶梯波调制时各级联单元输出功率不均衡问题,提出采用调整脉冲开关角的阶梯波调制功率均衡控制策略,该策略以1/4输出周期为单位互换各级联单元的输出电压波形,从而实现各级联单元在1个输出周期内的功率均衡。同时将一种基于惯性权重动态调整的粒子群算法引入到对阶梯波调制功率均衡控制策略下开关角的求解中,该算法不需要开关角初值,随着迭代次数的增加而动态减小惯性权重,能快速有效地求解出开关角最优解。仿真结果验证了基于改进粒子群算法的阶梯波调制功率均衡控制策略的可行性及有效性。     

圆片级低真空封装的MEMS压电振动能量收集器结构设计

MEMS低真空封装技术能为MEMS器件的可动部分提供低阻尼环境,降低能量损耗,有效提高器件的能量转换效率,具有重要的研究意义和应用前景,是MEMS技术的研究热点和难点。为了进一步提高MEMS压电振动能量收集器的输出性能,提出了圆片级低真空封装的共质量块MEMS压电悬臂梁阵列振动能量收集器新结构,通过有限元分析方法对器件结构参数进行了优化设计,在优化结构参数下仿真器件输出性能：在610 Hz、2 gn加速度下,器件的输出电压为8.88 V,输出功率为1220μW,能满足实际应用需求;根据器件结构设计了加工工艺流程,对低真空封装结构的实现和封装工艺探索具有重要意义。     

宽频带微型压电式振动发电机的设计

针对压电式振动发电机频带宽度过窄的问题,设计了多悬臂梁-单质量块结构的微型压电式振动发电机。建立了多悬臂梁-单质量块结构微型压电式振动发电机的仿真模型,分析了微型发电机的谐振频率与结构参数的关系、输出电压与结构频率的关系等性能参数。组装了多悬臂梁-单质量块结构发电机实验模型,实验结果表明,设计的多悬臂梁-单质量块结构微型发电机在振动频率为113Hz～155Hz的环境中可以有效地将振动能转换为电能,在频带范围内最小输出功率37.56μW,最大输出功率155.71μW,发电机的频带宽度扩展到42Hz。     

带自适应控制的直放站线性功率放大器

线性功率放大器是CDMA直放站的核心模块.本文设计的带自适应控制的线性功放,其功率增益G为48 0.8dB,1db压缩点输出功率≥37dBm,带内渡动≤0.8dB,互调失真IMD3≤-15dBm,IMD5≤-25dBm,输入输出端口驻波比VSWR≤1.3,增益步进衰减ATT范围为31dB,自动电平控制ALC范围为20dB,符合直放站的应用要求.     

一种微波附件组合的设计与实现

在综合测试与诊断领域,随着被测系统复杂性的提高,对测试系统准确度要求进一步提高。文中设计实现了一种微波附件组合,主要由微波开关、衰减器、功率放大器和电源组成。该设备实现了各项技术指标要求,其中微波开关的驻波比在DC-1GHz时不大于1.3,在1GHz-18GHz时不大于1.5;衰减器的衰减量是40dB,精度是±3.5dB,驻波比不大于1.6;功率放大器的频率范围在0.9GHz～1.3GHz范围之内,输出功率不小于5W。该微波附件组合结合信号源、频谱仪、功率计及各类模拟器等射频仪器资源来实现射频测量通道的资源扩展、大功率信号的衰减调理、微波功率合成等功能。以满足被测试对象飞机系统中的微波射频系统、部件等微波信号性能测试的测试需求。     

一种新型三端口变换器的研究

在独立新能源发电系统中,采用三端口变换器具有效率高、功率密度高、可靠性高和体积成本低等优点。文中提出一种新型三端口变换器(TPC),应用于独立可再生能源发电系统,且具有高电压增益。该三端口变换器只使用3个开关来实现功率流控制,双输入源共用一个电感,因此,可以减小体积。此外,该变换器的转化率也高于其他三端口变换器。给出了该三端口变换器的工作原理、稳态分析和控制方法。为了验证理论分析的可行性,实现了以光伏电源电压24 V、电池端口电压48 V和一个输出电压400 V为原型的仿真。验证了理论分析的正确性和可控制策略的有效性。     

双晶悬臂梁式压电换能器建模与结构参数分析

针对如何提高悬臂梁压电发电效率的问题,通过对压电换能器进行力学分析并建立了一个电路等效模型,从而得到了悬臂梁谐振角振频率和输出功率的计算公式。通过代入数值进行计算仿真得出结构参数对输出功率的影响的曲线。通过分析得出:在设计悬臂梁的结构参数时尽量在结构强度允许的条件下选择更重的附加质量块,电极长度和梁的长度比值为0.8,压电陶瓷和金属层厚度比为0.25,能提高换能效率等结论。     

MEMS压电阵列振动能量收集器

近年来,随着微能源的发展,微型压电振动能量收集器得到了广泛关注,但传统d31模式PZT薄膜微型压电振动能量收集器输出电压普遍较低,难以满足应用需求。为提高微型压电振动能量收集器的输出电压,论文提出了共质量块悬臂梁阵列压电振动能量收集器新结构,该结构包含压电悬臂梁单元组成的阵列和一个质量块,悬臂梁阵列共用质量块。采用有限元方法对该结构进行了优化设计,得到压电悬臂梁单元优化尺寸为3 mm×2.4 mm×0.05 mm,硅质量块优化尺寸为8 mm×12.4mm×0.5 mm。设计了MEMS压电阵列振动能量收集器加工工艺流程,加工出原理样件。在1 gn加速度,239.7 Hz谐振频率激励下,测试得到样件输出开路电压有效值为9.16 V;在最优化负载200 kΩ下,负载输出电压有效值为5.51 V,输出功率为151.8μW。     

采用新型电流舵结构的增益可调UWBLNA

基于TSMC 0.18μm CMOS工艺,设计了一款工作在3 GHz⁵ GHz频段的增益可调超宽带低噪声放大器(LNA)。LNA输入级采用局部反馈的共栅结构,实现了超宽带输入匹配和良好的噪声性能;放大电路级采用提出的新型电流舵结构,实现了放大器增益连续可调;输出级采用源极跟随器,获得了良好的输出匹配。利用ADS2009进行仿真验证,结果表明,在3 GHz5 GHz频段的增益可调超宽带低噪声放大器(LNA)。LNA输入级采用局部反馈的共栅结构,实现了超宽带输入匹配和良好的噪声性能;放大电路级采用提出的新型电流舵结构,实现了放大器增益连续可调;输出级采用源极跟随器,获得了良好的输出匹配。利用ADS2009进行仿真验证,结果表明,在3 GHz⁵ GHz工作频段内,LNA获得了25 dB的增益可调范围,最高增益达到24 dB,输入端口反射系数小于-11 dB,输出端口反射系数小于-14 dB,最小噪声系数为2.3 dB,三阶交调点(IIP3)为4 dBm,在1.2 V电压下,电路功耗仅为8.8 mW。     

基于平面肖特基二极管的300GHz平衡式二倍频器

设计了肖特基二极管的结构和尺寸,采用点支撑空气桥结构降低器件在高频下的损耗,根据二极管测试结果和实际结构,分别建立了肖特基结的非线性模型和三维电磁场模型。依据此模型,采用平衡式电路设计,将二极管放置在波导内,利用模式正交性很好地实现输入与输出信号的隔离,简化了电路结构,降低了损耗,成功设计并制作出300 GHz二倍频器,在312～319 GHz的倍频效率大于5%,最大倍频效率为10.1%@316 GHz,在307 GHz～318 GHz的输出功率大于4 mW,最大输出功率为8.7 mW@316 GHz。采用较高掺杂浓度材料二极管的倍频器最大效率为13. 7%,最大输出功率为11. 8 mW。该倍频器的输出功率与已报道水平相当,验证了国产肖特基二极管的设计、工艺以及高频工作等方面的能力。     

全叉指电极d33模式压电悬臂梁俘能器研究

为了克服表面叉指电极d33模式微机电系统(MEMS)悬臂梁振动俘能器中存在的压电材料极化不完全、存在弯曲电场等问题,提出了一种电极贯穿于整个压电层的全d33模式MEMS悬臂梁振动俘能器.根据机电耦合模型,分析了电极尺寸与材料厚度对压电俘能器输出功率的影响.优化结果表明:当硅基底厚度为20μm、电极宽度1μm时,电极间距最优范围为25～75 μm,PZT材料最优厚度为7μm,归一化后得到功率密度为34.5mWcm-3gn-2.通过在表面叉指电极d33模式俘能器的基础上增加电镀电极工艺,设计了不锈钢基底的全d33模式MEMS俘能器的工艺流程,完成了部分单元工艺.     

一种频率可重构圆极化微带天线的设计

提出了一种新型频率可重构圆极化微带贴片天线的设计。采用一种方环形贴片结构,在贴片对称缝隙中添加4个RF MEMS开关,通过调节开关的通断来实现对天线频率的可重构。同时天线采用4馈点馈电来实现右旋圆极化波,并利用仿真软件HFSS 13.0对天线特性进行了仿真验证。仿真结果表明,在开关断开时,天线可接收GPS L1、GLONASS L1和BDS B1信号,在开关闭合时,天线可接收BDS B3信号,且天线的回波损耗和轴比都能满足要求。     

评《MCS-51单片微机端口结构图示中的一个普遍错误》

本刊1991年第4期刊出了王修才同志的《MCS-51单片微机端口结构图示中的一个普遍错误》(以下简称“《错误》”)一文。笔者认为王修才同志的分析和结论是错误的。我们先来阐述如图1的原文端口结构图基本原理。为了更清楚地说明P3口的变异功能,先看图2所示P1端口的结构图。不难看出P3口与P1口的差别在于多了图1的虚框部分,正是这两个虚框部分,使得P3端除了具有P1口和P2口同样的准双向功能(即用作一般I/O口)接口之外,还具有特殊的变异功能。因此,首先分析P3端口的输出电路,从图1中可以看到,输出电路由一个O触发器,H与非门和一个场效应管组成,H与非门的作用实际是一个开关,它决定是输出触发器上的数据还是输出变异功能的信号。即:当变异功能输出端置“1”时,输出信号取决于D触发器Q端的值,实现一般的I/O输出;反之若