專利名稱:微機械可調(diào)微波帶通濾波器的制作方法
技術(shù)領域:
本發(fā)明是關于,射頻、微波等領域中,通帶頻率等濾波特性可調(diào)節(jié)的濾波器件,具體 地說,是基于MEMS調(diào)控器件的微機械可調(diào)微波帶通濾波器。
背景技術(shù):
濾波器在無線通信和雷達電路中是一種關鍵的射頻器件。鏡頻干擾的濾除、噪聲的抑 制、頻分復用及在高性能的振蕩、放大、倍頻、混頻電路中的信號頻率選擇,都需要濾波 器來實現(xiàn)。另外,有效的寬頻帶阻抗匹配網(wǎng)絡和耦合結(jié)構(gòu)也是在濾波器結(jié)構(gòu)基礎上實現(xiàn)的。 無線通信設備(包括基站和終端)以及雷達、電子戰(zhàn)裝備的微型化、寬帶化、可移動性和 頻率捷變能力的增強,以及高性能的收發(fā)機架構(gòu)的演進,促使包括濾波器在內(nèi)的射頻元器 件不斷向著微型化和單片集成化方向發(fā)展,同時也催生了各種電路結(jié)構(gòu)和性能水平不斷提 高、而且可根據(jù)周圍環(huán)境進行調(diào)諧的射頻/微波濾波器,使調(diào)射頻/微波濾波器的通帶/阻帶 特性和工作中心頻率等都可以在計算機控制下進行快速調(diào)整,這可以大大提高射頻收發(fā)機 系統(tǒng)的靈活性和在復雜電磁環(huán)境中的適應性,并可望推動通信、雷達體制的變革。目前國內(nèi)外所使用的可調(diào)諧微波濾波器主要可以分為四類l)基于電、磁介質(zhì)參數(shù)可 調(diào)節(jié)(主要是鐵氧體元件)的控制結(jié)構(gòu)的濾波器;2)基于常規(guī)伺服機構(gòu)調(diào)節(jié)的濾波器;3) 基于半導體調(diào)控器件(如起開關或者電容調(diào)節(jié)作用的PIN管、場效應晶體管)的濾波器; 和4)基于微機電系統(tǒng)(以下簡稱MEMS)控制元件的濾波器。第一類器件可以承受高微波功率,微波損耗較低,但鐵氧體控制器件難以微型化,相應的偏置電路復雜,需要保持 靜態(tài)偏置電流,因此控制功耗很大,第二類也可以承受較大微波功率,微波損耗很小,但 調(diào)節(jié)需要復雜的伺服機構(gòu),控制功耗和器件體積均較大。因此,第一類和第二類濾波器的 應用局限于對器件微型化要求低、電源供應穩(wěn)定的、高功率的微波應用場合。第三類濾波器可以實現(xiàn)單片集成化,結(jié)構(gòu)緊湊,但由于其中微波需要通過PN結(jié)和半導體材料傳輸,相應產(chǎn)生的微波損耗和非線性會顯著影響其通帶性能,而且所需的偏置電路比較復雜,往 往需要由多個晶體管構(gòu)成,控制功耗難以降低,因此目前沒有得到推廣。第四類濾波器是 基于微機械開關控制元件的濾波器,具有微波損耗小、多功能、可單片集成等重要優(yōu)點, 是卯年代末以來出現(xiàn)的新型微波器件,適合應用在移動通信、衛(wèi)星通信等需要便攜性、 可移動性、高集成度和低功耗的應用領域。
在微電子技術(shù)的基礎上發(fā)展而來的MEMS技術(shù)是一個多學科交叉的高新技術(shù),它從已 經(jīng)廣泛應用的半導體、集成電路技術(shù)延伸而來,但超越了其局限。相應的MEMS器件產(chǎn)品 具有體積小、能耗和物耗低,制造方便、成本低、性能優(yōu)良、便于與微觀世界、特別是納 米世界接口等突出優(yōu)點。整個技術(shù)將在國民經(jīng)濟建設、國家安全及多個學科領域研究等方 面發(fā)揮越來越重要的作用,甚至有可能影響某些領域的發(fā)展走向。利用制作MEMS所用的 微機械加工技術(shù),可以制作出用于射頻(包括微波、毫米波)領域的各種無源元件,包括 電容、電感、開關控制器件、諧振器/濾波器等。這些元件具有插入損耗小、隔離度好、Q 值高、非線性和互調(diào)失真度低、易于與有源電路集成等獨特的優(yōu)勢,可望替代現(xiàn)有射頻系 統(tǒng)中的多個元件,降低整個系統(tǒng)的功耗,簡化其體系結(jié)構(gòu)。目前人們利用MEMS技術(shù)開發(fā)出了基于微機械結(jié)構(gòu)的微型可調(diào)濾波器。它們的主要控 制元件是位于電磁波傳輸結(jié)構(gòu)上(主要是微帶線和共面波導等平面?zhèn)鬏斁€)的微動平板電 容機械結(jié)構(gòu),即微機械開關,其形狀可以采用類似于MMIC (單片微波集成電路)中雙端 固定的空氣橋結(jié)構(gòu),也可以釆用可上下或水平運動的矩形平板。這些結(jié)構(gòu)均由濺射或者電 鍍工藝所淀積的金、鋁等金屬材料所構(gòu)成。在外部電控制信號(一般為電壓控制信號)作 用所產(chǎn)生的靜電場作用下,這些電容橋膜結(jié)構(gòu)會發(fā)生變形,形成機械開關特有的開合動作, 其作用相當于一個可變的電容性阻抗,從而可以實現(xiàn)電路中元件的通斷控制或加載電容的 調(diào)節(jié),改變?yōu)V波器的等效電路參數(shù)或電路結(jié)構(gòu),并改變?yōu)V波器的頻率響應。在目前現(xiàn)有的公開報道的研究結(jié)果中,文獻(Brandon Pillans, Andrew Malczewski, Ron Allison and Jim Brank. "6-15 GHz RF MEMS Tunable Filters". Raytheon - Space and Airborne Systems, Dallas, TX, 75243, USA)介紹了一種可調(diào)帶通濾波器的方法,其中帶通是利用低 通和高通濾波器組合來實現(xiàn)的,而每一個低通和高通都是橢圓型可調(diào)節(jié)濾波器,基本原理 調(diào)節(jié)橢圓濾波器串聯(lián)諧振回路的諧振頻率,以此來改變該濾波器的截止頻率。這是實現(xiàn)可 調(diào)帶通濾波器最簡單和直接的方法,但存在電路面積占用大、需要使用多個開關、器件總 損耗難以降低等問題。文獻(Abbas Abbaapour-Tamijani, Laurent Dussopt, Gabriel M.Rebeiz. "A High Performance MEMS Miniature Tunable Bandpass Filter". 2003 IEEE MTT-S Digest) 利用微機械開關加載電容來實現(xiàn)3極點濾波電路中傳輸線慢波結(jié)構(gòu)性能的改變,從而實現(xiàn) 濾波器性能的調(diào)諧;文獻(B丄akshminarayanan T.Weller. "Tunable Bandpass Filter Using Distributed MEMS Tranmission Lines". 2003 IEEE MTT-S Digest.)則通過改變不同的加載用 DMTL (Distributed MEMS Transmission Line,分布MEMS傳輸線)上的微機械開關的電路 特性來調(diào)節(jié)濾波器的通帶頻率等特性。這種方法的好處在于容性微機械開關體積小且易于
控制,并可以方便的調(diào)節(jié)其電容值,但是同樣需要用到多個開關,電路占用面積大。上述 的方法都是基于傳統(tǒng)的濾波器結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)方法來實現(xiàn)可調(diào)微波濾波器,即沿用常規(guī)濾波器 結(jié)構(gòu),并利用MEMS實現(xiàn)某些元件的加載或者加載元件的量值,例如微機械開關本身可以是一個電容,開關閉合相當于加載了一個電容,以此來實現(xiàn)濾波器的調(diào)節(jié),而且濾波器的電路結(jié)構(gòu)在調(diào)節(jié)前后幾乎沒有變化。文獻(Jae-Hyoung Park, Sanghyo Lee, Jung-Mu Kim, Hong-Teuk Kim, Youngwoo Kwon, and Yong-Kweon Kim. "Reconfigurable Millimeter-Wave Filters Using CPW-Based Periodic Structures With Novel Multiple-Contact MEMS Switches". JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL. 14, NO. 3, JUNE 2005)中利用MEMS開關實現(xiàn)濾波器電路結(jié)構(gòu)的改變,從而實現(xiàn)濾波器中心頻率的調(diào)節(jié),這種方 法可以方便的改變?yōu)V波電路結(jié)構(gòu),是傳統(tǒng)濾波器無法實現(xiàn)的。但缺點是要實現(xiàn)較大調(diào)節(jié)范 圍時,需要使用多個開關(數(shù)量高于濾波器階次的兩倍),而且各個電路狀態(tài)的帶寬并不 一致。現(xiàn)有的梳狀傳輸線濾波器(以下簡稱梳狀濾波器)由制作在微波襯底上的平面?zhèn)鬏斁€、 集總參數(shù)加載電容和接地結(jié)構(gòu)構(gòu)成,具體包括輸入耦合單元、輸出耦合單元以及在兩個單 元之間的、相互間平行排列的諧振器單元。其中輸入、輸出耦合單元由特征阻抗為系統(tǒng)所 需量值的平面?zhèn)鬏斁€構(gòu)成,諧振器單元由具有中等阻抗值的傳輸線與集總參數(shù)加載電容串 連構(gòu)成,其兩端接地。諧振器單元的數(shù)量m^2,"與諧振器單元的階數(shù)相等。各諧振器單 元的中等阻抗傳輸線之間存在電容耦合關系。平面?zhèn)鬏斁€可以為在襯底上制作的微帶線 (分為在襯底上表面的信號線和襯底下表面的地平面)、帶線(包括兩層平行地平面以及 分布在地平面之間的信號線)或者共面波導線(波導線分為共平面的地線和信號線)等具 有特定形狀的平面?zhèn)鬏斁€。目前現(xiàn)有的梳狀濾波器的基本電路結(jié)構(gòu)如圖l所示。圖中所示 濾波器為5階濾波器,其他階數(shù)的濾波器的電路結(jié)構(gòu)與之類似。圖l所示的濾波器包括輸 入耦合單元la、輸出耦合單元lb,以及相互之間存在電磁波耦合(電容性耦合)關系的5 個諧振器單元2a、 2b、 2c、 2d、 2e。待濾波的微波信號從輸入耦合單元la處輸入,經(jīng)過 濾波的微波信號從輸出耦合單元lb處輸出。諧振器單元2a—e由一端接地的、具有中等阻 抗的傳輸線3 (以下簡稱中等阻抗傳輸線3)與一端接地的加載電容4串聯(lián)后構(gòu)成,其中 中等阻抗傳輸線3的未接地端和加載電容4的未接地端連接到一起。中等阻抗傳輸線3的 等效電長度和阻抗分別為沐和r。。中等阻抗傳輸線3和電容4實際上構(gòu)成并聯(lián)接地關系。 中等阻抗傳輸線3的幾何長度可根據(jù)濾波器的通帶中頻對應的導波波長;ig決定(一般不長 于Ag/2),電長度為沐、特征阻抗為y。,中等阻抗傳輸線3和加載電容4可以形成諧振。
另外各個諧振器單元2a、 2b、 2c、 2d、 2e中的中等阻抗傳輸線3長度相等,呈平行排列, 相互間形成電容耦合關系。從中等阻抗傳輸線3與電容4的連接點來看,中等阻抗傳輸線 3與接地的加載電容4并聯(lián)后接地,由此可以計算出該諧振器單元的輸入導納和斜率參數(shù)。 現(xiàn)有的梳狀傳輸線濾波器結(jié)構(gòu)不具有濾波特性可調(diào)的能力。另外,上述4篇有代表性的文獻所報道的研究成果,都采用了基于表面工藝的微機械 開關,其優(yōu)點是插入損耗小(無半導體損耗)、控制功耗耗低(靜電控制,幾乎為零)、 可在多種襯底上制作、易于與有源電路實現(xiàn)單片集成。其存在的缺點是1)由于橋模都 使用電鍍或者濺射的純金屬構(gòu)成,而其通斷是依靠橋膜的變形實現(xiàn)的,故橋膜容易出現(xiàn)疲 勞、蠕變等現(xiàn)象,這影響了其可靠性,2)金屬與高阻的襯底間存在熱膨脹性能相差大、 溫度變化較大時結(jié)構(gòu)尺寸和可靠性都受到很大影響;3)其橋模結(jié)構(gòu)設計以雙端固支為主, 驅(qū)動閾值高(需要采用復雜的電荷泵等升壓電路)、尺寸與傳統(tǒng)MIC (微波集成電路)濾 波器接近,其加工工藝步驟多,有結(jié)構(gòu)釋放中易粘附的問題,而且可承受功率不高;4) 用戶常常需要在同一器件上制作隔離高頻/DC控制驅(qū)動電路間的電隔離結(jié)構(gòu),防止射頻信 號的泄漏,目前的這些器件是以金屬和硅的合金構(gòu)成的導線來制作隔離電阻,加工時需要 單獨制作一塊光刻版,增加了工藝難度和成本。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足,提供了一種微機械可調(diào)微波帶通濾波器。該微機械 可調(diào)濾波器采用了諧振特性可調(diào)的梳狀濾波器結(jié)構(gòu),具有濾波特性可調(diào)節(jié)特性,且實現(xiàn)了 電學上寄生效應小、電路穩(wěn)定以及工藝簡單。本發(fā)明的技術(shù)方案是 一種微機械可調(diào)微波帶通濾波器,在微波電路襯底上設有一梳 狀濾波器結(jié)構(gòu),該梳狀濾波器結(jié)構(gòu)包括輸入耦合單元、輸出耦合單元以及在兩個單元之間 的、相互間平行排列的諧振器單元,所述諧振器單元由中等阻抗傳輸線與高阻抗傳輸線串 構(gòu)成,其中,該諧振器單元的中等阻抗傳輸線的一端接地,而高阻抗傳輸線的一端開路, 在所述高阻抗線上串連或者并連一個或一個以上微機械開關,所述微機械開關與外部信號 控制電路連接。所述高阻抗傳輸線與中等阻抗傳輸線之間可串連一集總參數(shù)或半集總參數(shù)的加載電 容,所述加載電容兩端并連一微機械開關,該微機械開關與外部信號控制電路連接。所述微機械開關的結(jié)構(gòu)可為,包括一襯底,所述高阻抗傳輸線固定在該襯底上,所述 高阻抗傳輸線呈斷開狀,由相互之間存在間隙的高阻抗傳輸線段組成,在位于高阻抗傳輸 線段之間的間隙處固定一橋膜,在所述橋膜和所述襯底上設置一對電極,所述電極與外部 電信號控制電路連接。所述橋膜的兩側(cè)可分別設置若干個彈簧硅梁,所述彈簧硅梁的一端連接所述橋膜,所 述彈簧硅梁的另一端與橋膜和襯底的固定錨點連接。所述橋膜可為鏡像對稱的蝶形硅結(jié)構(gòu),其中間部分可嵌入高阻抗傳輸線段之間的間隙 中,其兩側(cè)的硅側(cè)翼為橋膜電極。所述硅橋膜的中間部分為層狀結(jié)構(gòu),從上至下具體為單晶硅層、氧化硅層和金屬層。 所述硅橋膜的側(cè)翼部分也為層狀結(jié)構(gòu),從上至下具體為單晶硅層和氧化硅層。 所述硅橋膜的厚度為10 40pm。所述中等阻抗傳輸線和高阻抗傳輸線為可在微波電路襯底上制作的微帶線、帶線或者 共面波導線。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果是-1) 與現(xiàn)有的梳狀濾波器相比,本發(fā)明所提出的濾波器具有調(diào)節(jié)濾波特性的能力;且采 用由中等阻抗的傳輸線與高阻抗傳輸線串構(gòu)成的諧振器單元代替原有的接地傳輸線并接 電容的諧振器單元,與現(xiàn)有的梳狀濾波器和微機械可調(diào)帶通濾波器相比,可以最大限度減 少甚至避免通孔的使用,電學上減少了寄生效應,增加了電路的穩(wěn)定性,工藝上減少了復 雜度,且使濾波器的諧振器單元具有較高的Q值,有利于減小通帶損耗,而且高邊帶具有 陡峭的邊緣。2) 采用了微機械開關來控制濾波器的特性,該微機械開關基本結(jié)構(gòu)可以利用體型硅 基微機械加工工藝制作而成的、以單晶硅層為骨架的多層復合膜,其單晶骨架厚度可達到 10 40pm,能提供較高的回復力,因此可以防止承受大功率微波信號時出現(xiàn)的較大的吸合 靜電力作用而造成濾波器的誤調(diào)節(jié)(也稱誤動作),因此與現(xiàn)有的基于半導體開關和微機 械開關的可調(diào)濾波器相比,本發(fā)明所述的微機械可調(diào)微波濾波器可以承受大功率。該開關 的微波損耗小,因此與采用了半導體開關的可調(diào)濾波器相比,有利于降低濾波器的通帶損 耗??梢詫崿F(xiàn)濾波器中心頻率的精確調(diào)節(jié)。3) 利用微機械開關實現(xiàn)調(diào)節(jié)電容和傳輸線的加載,理論上濾波器調(diào)節(jié)前后的電路結(jié) 構(gòu)不變,所以調(diào)節(jié)前后均有良好的濾波器響應。與現(xiàn)有的微機械可調(diào)帶通濾波器相比,本 發(fā)明所述的濾波器在階次相同的情況下所需使用的微機械開關數(shù)量更少(不超過2"個), 這有利于減少開關引入的微波損耗,提出器件加工的成品率,降低器件長期工作時因單個
開關失效而帶來的濾波器失效的概率。
圖1現(xiàn)有的5階梳狀濾波器的基本結(jié)構(gòu); 圖2本發(fā)明微機械可調(diào)微波帶通濾波器所采用的改進的諧振器單元; 圖3本發(fā)明微機械可調(diào)微波帶通濾波器所采用的、高阻傳輸線上串連微機械開關的諧 振器特性調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu);圖4本發(fā)明微機械可調(diào)微波帶通濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖;圖5本發(fā)明微機械可調(diào)微波帶通濾波器所采用的、高阻傳輸線上并連微機械開關的諧 振器特性調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu);圖6本發(fā)明微機械可調(diào)微波帶通濾波器所采用的、高阻傳輸線上串連、并連微機械開 關的諧振器特性調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu);圖7a本發(fā)明微機械可調(diào)微波帶通濾波器所采用的微機械開關結(jié)構(gòu)示意圖; 圖7b為圖7a的剖視圖;圖8a本發(fā)明微機械可調(diào)微波帶通濾波器的一基于微帶傳輸線和微機械開關的實施例;圖8b為圖8a的A—A剖視圖;圖9a本發(fā)明微機械可調(diào)微波帶通濾波器的另一基于微帶傳輸線和微機械開關的實施例;圖9b為圖9a的A—A剖視圖;圖10本發(fā)明微機械可調(diào)微波帶通濾波器的實施例的微波特性調(diào)節(jié)能力仿真結(jié)果; 圖11本發(fā)明微機械可調(diào)微波帶通濾波器的實施例在通帶中心頻率為18GHz時的回波 損耗特性。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述本發(fā)明所述的微機械可調(diào)微波帶通濾波器采用了諧振特性可調(diào)的梳狀濾波器結(jié)構(gòu)。下 面以5階濾波器為例來說明其結(jié)構(gòu)和工作原理。首先,參考圖2,在本發(fā)明諧振器單元電路結(jié)構(gòu)中,圖l所示的諧振器單元2a、 2b、 2c、 2d、 2e中的電容4被替換為一端開路的高阻抗傳輸線5 (電長度和特征阻抗分別為A和K ),于是中等阻抗傳輸線3和高阻傳輸線5串連后構(gòu)成圖2所示的S諧振器單元結(jié)構(gòu), 其中,中等阻抗傳輸線3的阻抗為40 60Q,高阻傳輸線5的阻抗為大于80Q,梳狀濾波 器中的諧振器單元的諧振頻率和斜率是決定濾波器特性的關鍵參數(shù)??紤]到耦合結(jié)構(gòu)部分 (即中等阻抗傳輸線3)的等效電長度等效電長度《保持不變,則輸入電納和斜率參數(shù)分別為<formula>formula see original document page 9</formula>
各參數(shù)如圖2所示。諧振器單元諧振時導納為0,所以諧振條件為^ =0,即: y 1<formula>formula see original document page 9</formula>
其中及z為諧振腔單元的阻抗比, 一般取Za二l/;Fa, iZa=55Q,i z=0.5,則QZ,"10Q。如果取(9。 = " / 4 ,則有《=arctan 2丄67°《=arctan 2.67。?;谏鲜鰣D2所示的諧振特性參數(shù)可以調(diào)節(jié)的諧振器單元,本發(fā)明提供一微機械可調(diào) 微波濾波器,其結(jié)構(gòu)如圖4所示,濾波器包括了輸入耦合單元la、輸出耦合單元lb,以及 相互之間存在電磁波耦合(電容性耦合)關系的5個諧振器單元9a、 9b、 9c、 9d、 9e。有 待濾波的微波從輸入耦合單元la處輸入,經(jīng)過濾波后的微波信號從輸出耦合單元lb處輸 出。諧振器單元9a—e即為圖3所示的諧振器單元。另外各個諧振器單元9a、 9b、 9c、 9d、 9e中的中等阻抗傳輸線3長度相等,呈平行排列,相互間形成電容耦合關系。從中等阻抗 傳輸線3與高阻抗傳輸線5的連接點處可以計算出該諧振器單元的輸入導納和斜率參數(shù)。本發(fā)明諧振器單元中的微機械開關6與高阻抗線5a和高阻抗線5b串連,其結(jié)構(gòu)如圖 3所示,高阻抗傳輸線5被分為兩段,高阻抗線5a和高阻抗線5b之間接有微機械開關6。 微機械開關6斷開時,諧振器單元上高阻線的等效電長度^等于高阻抗線5a的電長度;微 機械開關6閉合時,諧振器單元上高阻抗傳輸線的等效電長度A等于高阻抗線5a和高阻抗 線5b的電長度之和。本發(fā)明諧振器單元中的微機械開關6也可以與高阻抗線5b并連,如 圖5所示。微機械開關6斷開時,諧振器單元上高阻抗傳輸線的等效電長度A等于高阻抗 線5a和高阻抗線5b的電長度之和。因此,在外部信號控制電路向微機械開關6的控制信
號輸入端8施加的控制信號作用下,微機械開關6發(fā)生斷開或者閉合,可以相應改變諧振 器單元中高阻抗傳輸線5的等效長度,改變諧振器的諧振頻率和斜率參數(shù),并最終改變?yōu)V 波器的通帶頻率等參數(shù),實現(xiàn)濾波器的濾波特性(包括通帶中心頻率、通帶邊緣特性等) 的調(diào)節(jié)。本發(fā)明諧振器單元中的高阻抗傳輸線5可以分為3段或者4段,各段傳輸線之間可以串 連微機械開關6,或者各段傳輸線兩端可以并連微機械開關6,如圖6所示。在圖6中,高 阻抗傳輸線5被分為3段,即高阻抗線5a、高阻抗線5b和高阻抗線5c。這樣一來,諧振 器單元上高阻抗傳輸線的等效電長度A的最小變化范圍可以縮短,濾波器單元的特性的調(diào) 節(jié)將更為精細。在外信號控制電路向微機械開關6的控制信號輸入端8施加的控制信號作 用下,各微機械開關6發(fā)生斷開或者閉合,可以相應改變諧振器單元中高阻抗傳輸線的等 效長度,改變諧振器的諧振頻率和斜率參數(shù),并最終改變?yōu)V波器的通帶頻率等參數(shù),實現(xiàn) 濾波器的濾波特性(包括通帶中心頻率、通帶邊緣特性等)的調(diào)節(jié)。 一般來說高阻抗傳輸 線5所細分的段數(shù)不應超過4,否則所需的微機械開關數(shù)量較多,器件的加工工藝難度較大, 可靠性較低。參考圖4,本發(fā)明微機械可調(diào)微波帶通濾波器的外部信號控制電路11通過總線10向濾 波器中微機械開關的控制信號輸入端8施加不同的控制信號,使得各微機械開關處于不同 的通斷狀態(tài),則濾波器的濾波特性可以發(fā)生變化,例如使其中心頻率平移到一個較低或者 較高的頻率點上。該濾波器所用的微機械開關數(shù)量與諧振器單元的數(shù)量(也是濾波器的階 數(shù))n相同,與現(xiàn)有技術(shù)相比大大減少,這可以降低整個濾波器的損耗、加工工藝難度和因 開關失效而出現(xiàn)失效的概率。本發(fā)明微機械可調(diào)微波帶通濾波器所用的、基于微帶傳輸線的微機械開關的結(jié)構(gòu)如圖 7所示,該微機械開關制作在微波電路襯底12上,在襯底上設置金屬膜微帶傳輸線以及以 硅為骨架的復合橋膜,襯底12還可以同時作為濾波器的襯底;襯底12下表面上制作一層 形狀與襯底12的形狀相同的金屬膜地線層13,該地線層作為微帶傳輸線的地線層;襯底 上表面設有由金屬膜構(gòu)成的兩段微帶傳輸線14a和金屬膜微帶傳輸線14b,該金屬膜微帶 傳輸線14a和金屬膜微帶傳輸線14b相互間存在一定間隙;襯底的表面還同時制作有由金 屬膜或者多晶硅構(gòu)成的下吸引電極15a和15b,對稱分布在金屬膜微帶傳輸線14a和金屬膜 微帶傳輸線14b兩側(cè);用于對微帶線所傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘柶鸬酵〝嗫刂谱饔玫奈C械橋膜的 上、下運動,硅橋膜是由單晶硅膜層16、氧化硅膜層17、金接觸層18構(gòu)成;橋膜平面形 狀為鏡像對稱的蝶形結(jié)構(gòu),該橋膜可以分為三部分,即橋膜中段19、側(cè)翼20a和側(cè)翼20b,
中段19包含單晶硅層16、氧化硅層17和金屬層18,側(cè)翼包含單晶硅層16和氧化硅層17; 橋膜的懸掛結(jié)構(gòu)采用剛度較低(圖中所示的懸掛結(jié)構(gòu)為4條直的細梁,但也可以為蛇行狀 的細梁)的四只彈簧梁21a、 21b、 21c、 21d,橋膜的兩端各兩個彈簧梁,每個彈簧梁的一 端接于橋膜,另一端與鍵合到襯底1上的固定錨點22相連接,固定錨點22a或22b也為單 晶硅層。另外,橋膜的錨點22a和錨點22b可以進行高摻雜并在襯底上延伸,形成具有細 截面和大的等效長度(可以通過使之具有蛇行狀線的平面形狀來實現(xiàn))的單晶硅電阻線23, 作為微波信號與靜電直流驅(qū)動間的隔離結(jié)構(gòu)。微機械開關處于斷開狀態(tài)時,無需施加偏置電壓,橋膜處于懸空狀態(tài),金屬膜微帶傳 輸線14a和金屬膜微帶傳輸線14b之間僅有很微弱的電容耦合,因此信號不能通過兩者之 間的間隔進行傳輸。需要讓微機械開關閉合導通時,可以讓外部控制電路通過電阻線23向 橋膜施加一個直流高電位r,此時橋膜側(cè)翼20a和橋膜側(cè)翼20b的單晶硅層也具有相同的 電位r,與下方的吸引電極15a和吸引電極15b之間分別形成靜電場和靜電引力。相應的 靜電力增大到超過一定閾值Fth后,橋膜發(fā)生吸合現(xiàn)象,與襯底接觸,此時橋膜中段下方的 金層同時與信號線14a和14b接觸,形成低阻抗的通道,信號可以以很低的損耗通過。相 應的濾波器處于調(diào)節(jié)后的狀態(tài)。閾值電壓^h也稱為驅(qū)動電壓。數(shù)值計算和有限元仿真表明,由于橋膜采用大面積的側(cè)翼結(jié)構(gòu),在施加偏置電壓時可 以產(chǎn)生較大的靜電吸引力,因此,若在彈簧梁22a、彈簧梁22b、彈簧梁22c、彈簧梁22d 的寬度為2 20|am的情況下,如果水平向有效長度選擇500 1000pm (可以采用蛇行折疊 結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)),則這些彈簧梁22a、彈簧梁22b、彈簧梁22c和彈簧梁22d可以保證結(jié)構(gòu)的 驅(qū)動電壓〈10V (屬于低閾值驅(qū)動),這一閾值與常用的微波有源控制電路和有源信號處理 電路的偏置電壓相近,為本發(fā)明的微機械微波可調(diào)濾波器與有源電路實現(xiàn)單片集成創(chuàng)造了 條件。本發(fā)明微機械開關的優(yōu)點在于,1)調(diào)節(jié)用的微機械開關基本結(jié)構(gòu)為利用體型硅基微機 械加工工藝制作而成的、以單晶硅層為骨架的多層復合膜,其單晶骨架厚度可以輕松地達 到為10 4(Vm的情況下,如果水平向有效長度選擇500 1000)iim,能提供較高的回復力, 因此可以防止承受大功率微波信號時出現(xiàn)的較大的等效吸合靜電力作用而造成濾波器的誤 調(diào)節(jié)(也稱誤動作),從而可以輕松地制作出承受大功率的微波濾波器;2)在調(diào)節(jié)濾波器 特性時,微機械開關橋膜將發(fā)生多次開關吸合動作,而釆用機械性能好(無蠕變、內(nèi)耗小、 抗疲勞特性好)的單晶硅材料作為懸掛結(jié)構(gòu),可以防止因懸掛疲勞失效而導致的器件失效; 3)橋膜是通過單晶硅錨點與微波材料固定的, 一般來說單晶硅材料與絕大多數(shù)屬于電介質(zhì) 的微波襯底(如石英、玻璃、低溫共燒陶瓷等)之間的熱膨脹系數(shù)差異較小,所以可以避 免采用金屬骨架時因溫度變化造成結(jié)構(gòu)開裂,從而影響器件可靠性的問題;4)微波/偏置 電壓之間的隔離結(jié)構(gòu)單晶硅電阻線可以在加工橋膜的工藝步驟中同步完成加工,而避免了 采用常規(guī)的金屬一硅合金電阻線作為隔離結(jié)構(gòu)時另外需要的相應的淀積、刻蝕和讓其從下 方穿越傳輸線信號線時所對應的工藝;5)橋膜的平面結(jié)構(gòu)采用了鏡像對稱的蝶形結(jié)構(gòu),其 具有大面積側(cè)翼,因此可以產(chǎn)生較大的靜電吸引力,故與目前采用的常規(guī)橋膜平面結(jié)構(gòu)相 比,可以有效降低驅(qū)動電壓。采用微帶傳輸線結(jié)構(gòu)和實施例4所述的微機械開關時,本發(fā)明所述的微機械可調(diào)微波 濾波器的一具體實施例的結(jié)構(gòu)如圖8所示。該濾波器制作在微波電路襯底12上。微波電路 襯底12可以是石英、玻璃、氧化鋁陶瓷或者低溫共燒陶瓷等材料制作的微波電路襯底;襯 底12下表面制作有作為微帶線地線的金屬膜地線層13,襯底12的上表面則制作有微帶線 的信號線,這些信號線具有特定形狀,與金屬膜地線層13—起構(gòu)成濾波器的輸入耦合單元 la、輸出耦合單元lb和諧振器單元結(jié)構(gòu)(包括中等阻抗傳輸線3和高阻抗傳輸線5);濾 波器的傳輸接地通過通孔24實現(xiàn);其中的微機械開關6通過控制總線10與外部信號控制 電路11相連,采用實施例所示結(jié)構(gòu)的釆用體硅微機械加工工藝制作的、以硅為層為骨架的 微機械開關,也可以是以表面微機械加工工藝制作的、基于金屬薄膜材料的微機械開關。由濾波器的指標要求和(2)式可以得到導納斜率參數(shù),可以計算梳狀濾波器結(jié)構(gòu)中多耦 合的中等阻抗傳輸線3的自電容C,和互電容C,,,w 。由自電容和互電容得到中等阻抗傳輸線的具體幾何尺寸數(shù)值,其數(shù)值可以通過共形變換得到的關于幾何尺寸和電介質(zhì)參數(shù)的解析 表達式算出,或者通過有限元方法求出。該示例中濾波器為5階濾波器,而本設計亦可適用于階數(shù)更高或者更低的濾波器,此 時,階數(shù)n將等于諧振器單元的個數(shù)。由于高阻抗傳輸線之間的間距比中等阻抗傳輸線寬 大很多,線間耦合很弱,所以一般在設計時可以不考慮它們之間的耦合效應。高頻有限元 或矩量法全波仿真分析結(jié)果表明,高阻線之間實際存在一定的耦合,這會增大諧振器單元 之間的耦合強度,因此,若采用有限元或者矩量法全波仿真技術(shù)進行濾波器性能分析,則 這一耦合現(xiàn)象可以用于增大濾波器帶寬。在一定頻率范圍內(nèi)可以實現(xiàn)濾波器中心頻率的精 確調(diào)節(jié)。本發(fā)明在諧振器單元9b和諧振器單元9d中,在高阻抗線5和中等阻抗線3之間可串 連MIM (金屬一絕緣體一金屬)集總參數(shù)電容25,具體結(jié)構(gòu)如圖9所示,在該電容兩端 并連一個微機械開關6,通過調(diào)節(jié)該電容兩端的微機械開關6的通斷,可以調(diào)節(jié)高阻線的
電容加載情況,從而能進一步優(yōu)化諧振器單元的諧振特性和濾波器的濾波特性。 以下提供一在18 20GHz間調(diào)節(jié)的5階梳狀可調(diào)帶通濾波器-本實施例設計通帶中心頻率可以在18 20GHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)、具有25%通帶帶寬的5階 梳狀帶通濾波器,襯底采用氧化鋁陶瓷,相對介電常數(shù)為10.2,介質(zhì)厚度為200微米。濾波 器的結(jié)構(gòu)如圖9所示,經(jīng)過設計,并對MIM電容值并進行優(yōu)化后,得到具體尺寸和MIM電 容值,其結(jié)果列于表l中。由于濾波器結(jié)構(gòu)的對稱性,而且其濾波特性主要取決于各個諧振 器單元的傳輸線尺寸和各個諧振器之間的間距,故只需列出其中諧振器的中等阻抗傳輸線的寬度、長度以及兩端高阻抗傳輸線的寬度、長度,以及各諧振器之間的間距。圖10顯示了 該濾波器的通帶特性的調(diào)節(jié)能力的仿真結(jié)果。從頻率響應看,濾波器通帶內(nèi)插入損耗在ldB 以下,高邊帶具有陡峭的邊沿,濾波器設計帶寬為10%,但實際性能分析得到的帶寬達到 了25%,其原因是高阻線之間的耦合可以被用來增加諧振器單元之間的耦合強度,進而增大 濾波器帶寬。圖11顯示了該濾波器在通帶中心頻率為18GHz時的回波損耗特性。表1濾波器的基本幾何參數(shù)和MIM電容25的量值wmi (pm)/mi (nm)whi (fxm)/hu (pm)/Hi,b (|um)MIM電容 值(pF)9573117.1864242143.60.267以上通過詳細實施例描述了本發(fā)明所提供的微機械可調(diào)微波帶通濾波器,本領域 的技術(shù)人員應當理解,在不脫離本發(fā)明實質(zhì)的范圍內(nèi),可以對本發(fā)明做一定的變形或修改;其制備方法也不限于實施例中所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1、一種微機械可調(diào)微波帶通濾波器,其特征在于在微波電路襯底上設有一梳狀濾波器結(jié)構(gòu),該梳狀濾波器結(jié)構(gòu)包括輸入耦合單元、輸出耦合單元以及在上述兩個單元之間的相互間平行排列的多個諧振器單元,所述諧振器單元由中等阻抗傳輸線與高阻抗傳輸線串連構(gòu)成,其中,所述中等阻抗傳輸線的一端接地,而所述高阻抗傳輸線的一端開路,在所述高阻抗傳輸線上串連或者/和并連一個或一個以上微機械開關,所述微機械開關與外部電信號控制電路連接。
2、 如權(quán)利要求1所述的微機械可調(diào)微波帶通濾波器,其特征在于所述高阻抗傳輸 線與中等阻抗傳輸線之間串連一集總參數(shù)或半集總參數(shù)的加載電容,所述加載電容兩端并 連一微機械開關,該微機械開關通過一反相器與外部電信號控制電路連接。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的微機械可調(diào)微波帶通濾波器,其特征在于所述微機械 開關的結(jié)構(gòu)為,包括一襯底,所述高阻抗傳輸線固定在該襯底上,所述高阻抗傳輸線呈斷 開狀,由相互之間存在間隙的高阻抗傳輸線段構(gòu)成,在位于高阻抗傳輸線段之間的間隙處 固定一橋膜,在所述橋膜和所述襯底上設置一對電極,所述電極與外部電信號控制電路連 接。
4、 如權(quán)利要求3所述的微機械可調(diào)微波帶通濾波器,其特征在于所述橋膜為鏡像 對稱的蝶形硅結(jié)構(gòu),其中間部分可嵌入高阻抗傳輸線段之間的間隙中,其兩側(cè)的硅側(cè)翼為 橋膜電極。
5、 如權(quán)利要求3或4所述的微機械可調(diào)微波帶通濾波器,其特征在于所述橋膜的 兩側(cè)分別設置若干個彈簧硅梁,所述彈簧硅梁的一端連接所述橋膜,所述彈簧硅梁的另一 端與橋膜和襯底的固定錨點連接。
6、 如權(quán)利要求4所述的微機械可調(diào)微波帶通濾波器,其特征在于所述橋膜的中間 部分為層狀結(jié)構(gòu),從上至下具體為單晶硅層、氧化硅層和金屬層。
7、 如權(quán)利要求4或6所述的微機械可調(diào)微波帶通濾波器,其特征在于所述橋膜的側(cè)翼部分為層狀結(jié)構(gòu),從上至下具體為單晶硅層和氧化硅層。
8、 如權(quán)利要求4所述的微機械可調(diào)微波帶通濾波器,其特征在于所述硅橋膜的厚度為lOpm—40)am。
9、 如權(quán)利要求1或2所述的微機械可調(diào)微波帶通濾波器,其特征在于所述中等阻抗傳輸線和高阻傳輸線為可在微波電路襯底上制作的微帶線、帶線或者共面波導線。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微機械可調(diào)微波帶通濾波器。該微波帶通濾波器為,在微波電路襯底上設置一梳狀濾波器結(jié)構(gòu),所述梳狀濾波器結(jié)構(gòu)包括輸入耦合單元、輸出耦合單元以及在兩個單元之間的、相互間平行排列的諧振器單元,所述諧振器單元由中等阻抗的傳輸線與高阻抗傳輸線串構(gòu)成,其中,該諧振器單元的中等阻抗傳輸線的一端接地,而高阻抗傳輸線的一端開路,在所述高阻抗線上串連或者/和并連一個或一個以上微機械開關,所述微機械開關與外部電信號控制電路連接。本發(fā)明由于采用了諧振特性可調(diào)的梳狀濾波器結(jié)構(gòu),故具有濾波特性可調(diào)節(jié)特性,且實現(xiàn)了電學上寄生效應小、電路穩(wěn)定以及工藝簡單,可廣泛應用于無線通信和雷達電路技術(shù)領域。
文檔編號H01P1/212GK101212076SQ20071030376
公開日2008年7月2日 申請日期2007年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月21日
發(fā)明者卜景鵬, 旻 繆, 趙立葳 申請人:北京信息工程學院