基于MEMS技術(shù)的微波濾波器研究進(jìn)展

2、LIGA 平面?zhèn)鬏斁€和濾波器

LIGA 一詞來(lái)源于德語(yǔ)lithographie、galvanoformung和abformung 三個(gè)詞語(yǔ)的縮寫，表示深層光刻、電鍍、模鑄三種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。LIGA技術(shù)是實(shí)現(xiàn)MEMS 微加工的一個(gè)重要手段。它借鑒了平面IC 工藝中的光刻技術(shù)，但是它對(duì)材料加工的深寬比遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)IC 生產(chǎn)中的平面工藝和薄膜的亞微米光刻技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高深寬比3D 微結(jié)構(gòu)，且加工的厚度也遠(yuǎn)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(shè)定所要求的模型。由X 射線作為光刻的光源，它的波長(zhǎng)短，對(duì)光刻膠有較強(qiáng)的穿透力，能獲得高的分辨率和高的深寬比。利用LIGA技術(shù)，T. L. Willke 等人在石英襯底上設(shè)計(jì)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(gè)開(kāi)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(shí)有最小的插入損耗，為0.15 dB。

3、MEMS 可調(diào)濾波器

近年來(lái)由于微波、毫米波波段的多頻段、寬帶無(wú)線通信系 統(tǒng)的迫切需要，基于MEMS 技術(shù)的可調(diào)諧濾波器逐漸引起了人們很大關(guān)注。這種濾波器由MEMS 開(kāi)關(guān)、共平面?zhèn)鬏斁€、可變電抗元件等構(gòu)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(diào)頻率點(diǎn)功率性能。根據(jù)已有文獻(xiàn)報(bào)道，微波MEMS 可調(diào)諧濾波器按調(diào)諧方式可分為連續(xù)可調(diào)型和數(shù)字可調(diào)型兩類。

3.1、連續(xù)可調(diào)濾波器

模擬可調(diào)濾波器的調(diào)節(jié)范圍比較小，一般為5%～15%，其可調(diào)元件為MEMS 可變?nèi)菪栽?/p>

圖5 (a) 是H. T. Kim 等人用MEMS 技術(shù)設(shè)計(jì)和制作的兩種微型V 波段MEMS 模擬可調(diào)濾波器。濾波器在高頻段，用MEMS 技術(shù)把模擬集總可調(diào)濾波器模型與橋式金屬-空氣-金屬( metal-air-metal，MAM) 電容結(jié)合以增強(qiáng)頻率可調(diào)，用石英來(lái)減小襯底損耗，用MAM電容來(lái)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(guò)直流電壓控制可變電容的高度來(lái)調(diào)節(jié)濾波器的截止頻率，其可調(diào)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(diào)電容，在石英玻璃襯底上實(shí)現(xiàn)了一種小型可調(diào)三級(jí)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(diào)諧器結(jié)構(gòu)。N.S. Barker 等人[13]首先報(bào)道了這種分布式MEMS 傳輸線(DMTL) 結(jié)構(gòu)，即在共面波導(dǎo)傳輸線上周期性加載MEMS 電容式開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)相速和電長(zhǎng)度的改變。小型可調(diào)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(diào)濾波器的中頻插入損耗主要由CPW 結(jié)構(gòu)的歐姆損耗和介質(zhì)損耗決定，與CPW 的標(biāo)準(zhǔn)帶通濾波器相比有更好的性能。通帶中心頻率從18.6 GHz 調(diào)節(jié)到21.44 GHz，帶寬為7.5%，插損約為4 dB，Δf >150 kHz 時(shí)IIP3 優(yōu)于50 dBm。

圖5 模擬可調(diào)帶通濾波器

3.2、數(shù)字可調(diào)濾波器

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