طراحي و شبيه‌سازي يك سوئيچ خازنيِ موازيِ RF MEMS با ولتاژ تحريك كم، تلفات پايين و ايزولاسيون بالا

Design and simulation of a RF MEMS shunt capacitive switch with low actuation voltage, low loss and high isolation

بطوركلي سوئيچ‌­هاي RF MEMS از نظر نوع اتصال شامل دو دسته سوئيچ‌هاي‌ خازني و فلز به فلز مي‌شوند. سوئيچ‌هاي خازني RF MEMS بدليل توانايي انتقال سيگنال با فركانس بيشتر و توان بيشتر، سوئيچ‌هاي بهتري نسبت به سوئيچ‌هاي فلز-به-فلز محسوب مي‌شوند. اين مقاله يك سوئيچ RF MEMS خازنيِ موازيِ معلق را با ولتاژ تحريك پايين، نسبت خازني بالا، زمان سوئيچينگ خوب و ايزولاسيون بالا ارائه مي‌دهد. در اين سوئيچ از پلِ آلومنيومي بدليل داشتن مدول يانگ بالا و چگالي پايين استفاده شده است كه به كاهش زمان سوئيچينگ كمك مي‌كند. همچنين آلومنيوم رسانايي الكتريكي خوبي دارد كه منجر به افزايش ايزولاسيون مي‌شود. سوئيچ ارائه شده بر روي يك خط CPW با امپدانس 50 اُهم طراحي شده است و از ZrO2 به عنوان لايه دي‌الكتريك استفاده شده است. روي سطح پل، 24 حفره قرار داده شده است كه منجر به كاهش ضريب دَمپينگ و افزايش سرعت سوئيچينگ مي‌شود. ولتاژ تحريك براي اين سوئيچ برابر 5.7 ولت است و نسبت خازني 231 مي‌باشد. تجزيه و تحليل فركانس راديويي با استفاده از نرم‌افزار HFSS انجام شده است. نتايج بدست آمده، ايزولاسيون 27- دسي‌بل، تلفات ورودي0.2- دسي‌بل و تلفات بازگشتي 22- دسي‌بل در فركانس 17 گيگاهرتز را نشان مي‌دهد. همچنين زمان سوئيچينگ 32 ميكروثانيه بدست آمده است.

According to contact type, RF MEMS switches are generally classified into two categories: Capacitive switches and Metal-to-Metal ones. The capacitive switches are capable to tolerate a higher frequency range and more power than M-to-M switches. This paper presents a cantilever shunt capacitive RF MEMS switch with characteristics such as low trigger voltage, high capacitive ratio, short switching time and high isolation. In this switch, aluminum bridge is used because of its high Young’s modulus and low density which help reduction of switching time. Also aluminum has a good electrical conductivity which increases isolation. The proposed switch is designed on a Coplanar Waveguide line (CPW) with impedance of 50Ω. Also, is used as dielectric layer. 24 holes have been placed on the bridge surface to reduce the squeeze film damping and to increase the switching speed. Actuation voltage is 5.2v and capacitive ratio (CR) is 231. RF analysis is done in HFSS Software. The results show the isolation level as -27dB, insertion loss as -0.2dB and return loss as -22dB at 17GHz. Also, the switching time is 32us.