High-speed four-port indirect-heating phase-change switch with a top microheater based on GeTe

Abstract

针对传统加热器中置间接加热型相变开关的固有切换速度缓慢难题，本文提出一种加热器顶置的射频开关新结构FIPCS-T，通过热传导过程自上而下的定向性，建立了更加有效的焦耳热能量利用方法。根据新结构中不同射频参数的仿真，表明FIPCS-T结构对升温过程和淬火过程均能缩短相变材料达到临界温度的时间，升温过程比淬火过程的缩短更加显著，相比于传统中置间接加热相变开关的升温-淬火环节时间缩短20%以上，这不仅可以有效提高间接加热相变开关的切换速度，同时还能够有效降低重结晶风险，并可在微波、毫米波、太赫兹等超大范围频段保持低反射、低插损和端口高隔离性能。虽然GeTe相变材料在存储等方面开展了多年研究，但其特殊相变特征能否解决射频开关面临的挑战，前所未有，本文探索研究结果表明：GeTe热相变机理与PIN、MEMS等其他原理相比，新射频开关的速度更快、工作频率更高、插入损耗更低。在射频开关特性验证的基础上，我们构建了由5个FIPCS-T单元组成的DGS可重构滤波器，实现了滤波器频率和带宽的重构，证明了开关状态组合对于滤波器媒质特性的调控能力；再通过5单元FIPCS-T开关状态的组合与电致热控制，实现了低通、带通滤波特征的可重构，为未来大规模天线、大规模电路等先进可重构无线电系统的智慧调控提供了全新的射频开关机理和方法。同时，引入类似相变存储器多值方案的控制方法，可有效提升相变开关的调控和选择维度，增加可调控的性能范围和参数，实现其他类型开关不能实现的更深层次调控优势。