MEMS射频开关和可变电容设计与仿真

在过去的十年中,射频MEMS开关已被用于航空航天、国防、电信和射频自动化测试设备市场的小批量应用。现在,在大容量移动设备市场上,人们对使用射频MEMS开关越来越感兴趣,以克服射频设计挑战,并改善当今无线电技术的功能和性能。RF MEMS器件可以实现不同基带和可调谐功率放大器的低衰减天线调谐。RF-MEMS开关和继电器还提供宽带宽,低插入损耗,良好的隔离和出色的线性。

RF MEMS可以使用标准半导体处理设备制造,并通过片上系统(SoC)、CMOS上的MEMS或集成无源器件(IPD)技术与周围电路实现大容量、低成本集成。

RF MEMS市场预测

RF MEMS市场预测

设计的挑战

静电驱动RF MEMS开关和可变电容器使用“拉入”不稳定性实现低功率驱动和锁定。高度非线性,再加上机械接触和制造效应(如薄膜应力梯度),使得创建高屈服和可靠的设计尤其具有挑战性。因此,这些设备中的许多是在经过多年昂贵的硅学习周期后才推向市场的。在制造之前对这些器件进行快速、准确的模拟,可以消除许多耗时的设计周期。

建模这些非线性RF MEMS组件的行为并不简单。这些器件的复杂物理和瞬态行为无法用解析公式精确建模。不幸的是,由于设备打开和关闭状态之间的气隙发生了巨大变化,因此使用基于体积的传统有限元工具模拟这些设备的打开和关闭瞬态也非常困难。任何有限元分析(FEA)模拟都需要在每次迭代解算器时进行复杂的网格变形或重新网格划分。FEA工具中开关的静态模拟可能需要数小时的计算时间,而瞬态模拟几乎不可行。这严重限制了用于设计探索和优化的传统有限元工具的价值。微机电系统+科文托瓦解决这些挑战,共同为设计射频开关和变容器提供一个全面的平台。

基于遗传算法的快速设计探索与优化微机电系统+

使用微机电系统+,设计师可以很容易地从少量高阶元素(如伯努利光束)构建一个3D设备模型,如下图所示。在建立模型后,就可以对全范围的耦合、复杂的多物理现象进行模拟微机电系统+本身,或结合MATLAB®,仿真软件®或节奏®设计环境。结果实现的数量级比使用传统的有限元模拟。

MEMS+中的IHP纳米技术RF开关四分之一模型,显示机械元件。该模型还包含静电和流体元素,为清楚起见,未对其进行说明[1]。

MEMS+中的IHP纳米技术RF开关四分之一模型,显示机械元件。该模型还包含静电和流体元素(为清楚起见,未对其进行说明)[1]。

由于其速度和精度,MEMS+允许设计师在合理的时间框架内执行大量模拟,并充分探索设计空间。这种深入的分析可以用来优化设计和调查对工艺变化的敏感性。例如,MEMS射频开关(或变容器)的拉入、释放和亚稳定状态对工艺变化非常敏感。理解这些变化的影响是实现预期性能和产量的关键。为了理解这种敏感性,设计师需要在有限元建模期间改变许多参数。使用传统的有限元工具,这种方法可能需要数周的模拟时间。与MEMS +,这些模拟可以在数小时内完成,每个单独的模拟只需要几分钟来执行。

射频开关还表现出复杂的瞬态行为,如触点弹跳和触点粘滞。这些现象,连同接触力和电阻,必须精确建模,并包括多层薄膜和支架凹坑设计的支持。微机电系统+模型完全有能力解决这些挑战。

用CoventorWare进行验证和详细分析

在微机电系统+设计流程并不排除使用常规有限元分析。微机电系统+可以导出广泛使用的二维和三维格式的设计,以便在其他工具中进行进一步分析。科文图瓦可直接进口MEMS+建模,并为CoventorWare Analyzer软件生成网格。然后可以进行特定的模拟,以验证准静态结果,如拉入和提升电压,或调查其他设计结果,如应力集中。

CoventorWare分析仪的详细设计和验证

CoventorWare分析仪的详细设计和验证

MEMS+IC电路及系统仿真

射频开关和变容器通常组合在阵列中,必须与周围的控制电子集成。需要对MEMS器件与电子器件进行联合仿真,以确定总体性能,并确保最终产品符合设计规范。与传统的有限元模型不同,微机电系统+模型可以很容易地包括在Simulink流程图和Cadence电路设计原理图中。与手工模型,微机电系统+模型准确地捕捉开关和变容器的复杂物理特性。理解这种物理原理是至关重要的,因为它对最终的电子设计有重大影响。

基于双平行板可调电容配置[2]的MEMS+变容器模型在Cadence中实现的压控振荡器

采用Cadence软件设计的压控振荡器,采用基于双平行板可调电容配置[2]的MEMS+变容器模型

一个完整的射频开关和变容器设计平台

微机电系统+是快速开发RF MEMS产品的独特环境,包括欧姆开关、变容器及其相关控制电路。bob娱乐官网入口微机电系统+仿真模型是参数化的,以计算效率的方式精确捕捉RF MEMS器件的复杂物理特性。这种计算效率能够在其控制电路内快速模拟MEMS设计。微机电系统+模型可以通过改变制造规范(如材料特性和薄膜应力梯度)以及设计的几何特性进行参数化探索。MEMS+模型的复杂性和准确性使RF MEMS和IC设计能够共同优化,以实现最佳性能和产量。CoventorWare的现场解算器补充了微机电系统+模型,并可用于验证设计细节微机电系统+模型结果。

工具书类

  • A.Mehdaoui、S.Rouvillois、G.Schröpfer、G.Lorenz、M.Kaynak、M.Wietstruck。“使用先进机电模型对BiCMOS嵌入式RF MEMS开关的残余应力和开关瞬态研究”,《第14届RF MEMS和RF微系统国际研讨会》(MEMSWAVE 2013),德国,2013年7月。
  • 邹军,刘畅,“一种用于集成无线通信系统的宽调谐范围双平行板可调谐电容器的研制”,电子学报。J.射频微波计算辅助工程。,第11卷,第5期,322-329页,2001年9月。
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