适用于编码超材料的低启动电压高隔离MEMS射频开关

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作   者：

林铭团;  陈柏池;  龙世新;  袁博秋;  郭志清;  丁浩;  查淞;  吴学忠; 

关键词：

MEMS开关;  高隔离度;  低启动电压;  编码超材料; 

期刊名称：

中国科学(技术科学)

i s s n：

1674-7259

年卷期：

2023 年 53 卷 008 期

页   码：

1411-1418

摘   要：

电磁编码超材料利用可调控器件如二极管、微机电(micro-electro-mechanical system,MEMS)开关、液晶材料等可实现对空间电磁波的操控,在智能通信、雷达、无线电能传输等方面具有重要的应用价值.然而,目前主流的PIN(positive-intrinsic-negative)二极管、MEMS开关等调控器件,存在寄生电容大、非线性效应严重、电压控制复杂等缺点,限制了电磁编码超材料的广泛应用.文中首先分析了单悬臂梁MEMS开关启动电压和端口隔离度的矛盾问题.进一步,提出了双悬臂梁MEMS射频开关设计,其由两个悬臂梁串联而成.通过减少悬臂梁与驱动电极的间隙距离,可将启动电压降低至5 V以兼容常用的TTL(transistor-transistor logic)输出电平,降低了电压控制电路的复杂度.由于采用双臂串联的方式,隔离度得以保证,在全频段内达到20dB以上.所提MEMS开关的机电性能经过COMSOL软件仿真,验证了可行性.随后的电磁仿真结果表明,双悬臂梁MEMS结构在电极间隙为1.5 μm时的隔离性能优于间隙为2.5 μm的单悬梁臂MEMS开关.最后将所设计的MEMS开关应用于典型的能量选择线条型超材料结构.结果表明,通过控制MEMS开关闭合或断开,超材料结构呈现出了典型的透波和屏蔽两种状态,验证了所提MEMS开关应用于超材料结构的可行性.相比PIN二极管,所提的MEMS开关电磁性能更接近于理想开关.本文提出的MEMS设计可推动MEMS编码超材料的进一步推广和应用.