基于MEMS技術(shù)的微波濾波器研究進展

圖6 玻璃襯底上的6.5~10 GHz 頻段數(shù)字可調(diào)濾波器

利 用兩個λ/4 共面波導(dǎo)諧振器，E. Fourn 等人[15]還設(shè)計了一種兩階數(shù)字可調(diào)帶通濾波器。諧振器與終端開路的短截線間的可變串聯(lián)電容由懸臂梁式MEMS 開關(guān)實現(xiàn)。當懸臂梁被下拉的時候，由于諧振器的電容部分發(fā)生改變，諧振頻率也發(fā)生變化。MEMS 開關(guān)處于上拉狀態(tài)時，濾波器中心頻率是21.05 GHz，3 dB 帶寬為14%，插入損耗為3.5 dB；當開關(guān)下拉時，中心頻率移到18.5 GHz，3 dB 帶寬為13%，插入損耗為3.8 dB。

以上MEMS 可調(diào)濾波器，由于僅用一種可變?nèi)菪噪娍乖磉_到頻率調(diào)諧的目的，可調(diào)電感無法同時實現(xiàn)，也未能充分利用基于CPW周期性結(jié)構(gòu)的微波/毫米波的 慢波特性，因此其可調(diào)范圍有限。J. H. Park 等人報道了一種利用分形自相似結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的低損耗可重構(gòu)低通濾波器，將通帶頻段推向了毫米波段，它是通過同時利用可調(diào)電感和電容實現(xiàn)的。該濾波器 基于20 世紀80 年代美國科學(xué)家B. B. Mandelbrot 提出的分形理論，是一種按比例縮小/放大的自相似結(jié)構(gòu)，從而達到多頻段上實現(xiàn)可重構(gòu)濾波的目標。圖7 是制作的利用可調(diào)電感和電容獲得的RF MEMS 可調(diào)低通濾波器。該濾波器采用單一驅(qū)動的多觸點MEMS 開關(guān)實現(xiàn)濾波器重構(gòu)的控制，使總的開關(guān)數(shù)目得以減小，也有效地降低了器件的插入損耗，并使得器件的整體尺寸得以減小。制備的濾波器3 dB 截止頻率從67 GHz重構(gòu)到28 GHz。

圖7 分形可重構(gòu)低通MEMS 濾波器

另外，通過將傳輸線諧振器做成“U”形以減小器件尺寸，A. Ocera 等人制作了新穎的MEMS可調(diào)發(fā)夾線型濾波器，如圖8。該濾波器制作在525 μm 厚的高阻硅襯底上，通過10 個歐姆接觸式MEMS 懸臂梁開關(guān)給發(fā)夾型濾波器的諧振器U 型分支增加傳輸線長度，來改變諧振器的開路短截線的長度，從而得到濾波器諧振頻率的可調(diào)。濾波器在6.2 GHz 頻率上有15%的帶寬，并有著10%的調(diào)節(jié)范圍，插入損耗和回波損耗分別為4.5 dB 和17 dB。

圖8 MEMS 可調(diào)發(fā)夾型數(shù)字可調(diào)濾波器

除了上面的單刀單擲MEMS 開關(guān)實現(xiàn)的MEMS可調(diào)濾波器外，也有單刀多擲MEMS 開關(guān)實現(xiàn)的MEMS 可調(diào)濾波器的報道。I. C. Reines 等人利用單刀三擲開關(guān)設(shè)計了Ku 波段開關(guān)型可調(diào)帶通濾波器。濾波器可調(diào)中心頻率分別為14.9、16.2、17.8 GHz，在中間頻段插入損耗小于2 dB，帶寬約7.7%，三個頻段的回波損耗優(yōu)于10 dB。另外，為了適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境( 例如要求高的隔離度) ，B. Pillans等人設(shè)計制作了級聯(lián)的低通和高通濾波單元，實現(xiàn)了中心頻率和帶寬均可調(diào)的帶通濾波器。濾波器在6~15 GHz 內(nèi)實現(xiàn)了可調(diào)，帶外衰減快( 40 dB/GHz) ，隔離度大于50 dB。但它的插入損耗較大( 4~11 dB) 。

4、結(jié)語

基于MEMS技術(shù)的濾波器是現(xiàn)在RF系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵MEMS 器件。借助于MEMS 加工技術(shù)的進步及與射頻/微波技術(shù)的結(jié)合，MEMS 濾波器的研究得到了快速的發(fā)展。MEMS 濾波器從RF 到毫米波段有很高的Q值、插入損耗低、線性好，適應(yīng)現(xiàn)代日益復(fù)雜的RF 環(huán)境要求。其中，可調(diào)MEMS 濾波器的開發(fā)，有著更為迫切的現(xiàn)實意義，它有利于開發(fā)可調(diào)諧的收發(fā)模塊，以改善多信道收發(fā)系統(tǒng)的性能，從而為新一代無線通信系統(tǒng)的開發(fā)起著不可或缺的積極 作用。