基于MEMS技術的微波濾波器研究進展

2、LIGA 平面?zhèn)鬏斁€和濾波器

LIGA 一詞來源于德語lithographie、galvanoformung和abformung 三個詞語的縮寫，表示深層光刻、電鍍、模鑄三種技術的有機結合。LIGA技術是實現(xiàn)MEMS 微加工的一個重要手段。它借鑒了平面IC 工藝中的光刻技術，但是它對材料加工的深寬比遠大于標準IC 生產(chǎn)中的平面工藝和薄膜的亞微米光刻技術，可以實現(xiàn)高深寬比3D 微結構，且加工的厚度也遠大于平面工藝的典型值2 μm。該工藝是利用深層輻射X 射線光刻，在厚的光刻膠層上設定所要求的模型。由X 射線作為光刻的光源，它的波長短，對光刻膠有較強的穿透力，能獲得高的分辨率和高的深寬比。利用LIGA技術，T. L. Willke 等人在石英襯底上設計制作了耦合線型帶通濾波器( 圖4) 。其中，LIGA 傳輸線為200 μm 厚的鎳，有兩個開路端口的!/4 平行線部分用作耦合單元，耦合氣隙深寬比大于6.75。與傳統(tǒng)的薄金屬相比，LIGA 傳輸線和諧振器之間有更好的耦合系數(shù)。帶通濾波器在14.6 GHz 時有最小的插入損耗，為0.15 dB。

3、MEMS 可調濾波器

近年來由于微波、毫米波波段的多頻段、寬帶無線通信系 統(tǒng)的迫切需要，基于MEMS 技術的可調諧濾波器逐漸引起了人們很大關注。這種濾波器由MEMS 開關、共平面?zhèn)鬏斁€、可變電抗元件等構成，它們具有低插入損耗，高線性度、高Q 值和更好的三階交調頻率點功率性能。根據(jù)已有文獻報道，微波MEMS 可調諧濾波器按調諧方式可分為連續(xù)可調型和數(shù)字可調型兩類。

3.1、連續(xù)可調濾波器

模擬可調濾波器的調節(jié)范圍比較小，一般為5%～15%，其可調元件為MEMS 可變容性元件。

圖5 (a) 是H. T. Kim 等人用MEMS 技術設計和制作的兩種微型V 波段MEMS 模擬可調濾波器。濾波器在高頻段，用MEMS 技術把模擬集總可調濾波器模型與橋式金屬-空氣-金屬( metal-air-metal，MAM) 電容結合以增強頻率可調，用石英來減小襯底損耗，用MAM電容來代替弱耦合從而減小高頻下的輻射損耗。兩種濾波器的中心頻率分別為50 GHz 和65 GHz，通過直流電壓控制可變電容的高度來調節(jié)濾波器的截止頻率，其可調范圍為10%，插入損耗約為3.3 dB。濾波器的芯片尺寸分別只有780 μm×1 970 μm 和670 μm×1 900 μm。

A. Abbaspour-Tamijani 等人提出了一種MEMS高Q 橋式可調電容，在石英玻璃襯底上實現(xiàn)了一種小型可調三級帶通濾波器，如圖5 (b) 所示。其核心則是周期性加載的CPW 慢波調諧器結構。N.S. Barker 等人[13]首先報道了這種分布式MEMS 傳輸線(DMTL) 結構，即在共面波導傳輸線上周期性加載MEMS 電容式開關，實現(xiàn)相速和電長度的改變。小型可調濾波器用CPW MEMS 慢波諧振器電感耦合得到，由于MEMS 橋的高Q 值，小型可調濾波器的中頻插入損耗主要由CPW 結構的歐姆損耗和介質損耗決定，與CPW 的標準帶通濾波器相比有更好的性能。通帶中心頻率從18.6 GHz 調節(jié)到21.44 GHz，帶寬為7.5%，插損約為4 dB，Δf >150 kHz 時IIP3 優(yōu)于50 dBm。

圖5 模擬可調帶通濾波器

3.2、數(shù)字可調濾波器

數(shù)字型MEMS 可調濾波器相比于模擬型MEMS 可調濾波器，它的調節(jié)范圍比較大，性能也比較穩(wěn)定。數(shù)字可調型濾波器可以采用一個MEMS電容陣列，通過將大小不同的電容在濾波電路中分別接入和斷開，實現(xiàn)離散的中心頻率。