基于MEMS技術(shù)的微波濾波器研究進(jìn)展

圖6 玻璃襯底上的6.5~10 GHz 頻段數字可調濾波器

利 用兩個(gè)λ/4 共面波導諧振器，E. Fourn 等人[15]還設計了一種兩階數字可調帶通濾波器。諧振器與終端開(kāi)路的短截線(xiàn)間的可變串聯(lián)電容由懸臂梁式MEMS 開(kāi)關(guān)實(shí)現。當懸臂梁被下拉的時(shí)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(kāi)關(guān)處于上拉狀態(tài)時(shí)，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(kāi)關(guān)下拉時(shí)，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 可調濾波器，由于僅用一種可變容性電抗元件來(lái)達到頻率調諧的目的，可調電感無(wú)法同時(shí)實(shí)現，也未能充分利用基于CPW周期性結構的微波/毫米波的 慢波特性，因此其可調范圍有限。J. H. Park 等人報道了一種利用分形自相似結構來(lái)實(shí)現的低損耗可重構低通濾波器，將通帶頻段推向了毫米波段，它是通過(guò)同時(shí)利用可調電感和電容實(shí)現的。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/放大的自相似結構，從而達到多頻段上實(shí)現可重構濾波的目標。圖7 是制作的利用可調電感和電容獲得的RF MEMS 可調低通濾波器。該濾波器采用單一驅動(dòng)的多觸點(diǎn)MEMS 開(kāi)關(guān)實(shí)現濾波器重構的控制，使總的開(kāi)關(guān)數目得以減小，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重構到28 GHz。

圖7 分形可重構低通MEMS 濾波器

另外，通過(guò)將傳輸線(xiàn)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可調發(fā)夾線(xiàn)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(guò)10 個(gè)歐姆接觸式MEMS 懸臂梁開(kāi)關(guān)給發(fā)夾型濾波器的諧振器U 型分支增加傳輸線(xiàn)長(cháng)度，來(lái)改變諧振器的開(kāi)路短截線(xiàn)的長(cháng)度，從而得到濾波器諧振頻率的可調。濾波器在6.2 GHz 頻率上有15%的帶寬，并有著(zhù)10%的調節范圍，插入損耗和回波損耗分別為4.5 dB 和17 dB。

圖8 MEMS 可調發(fā)夾型數字可調濾波器

除了上面的單刀單擲MEMS 開(kāi)關(guān)實(shí)現的MEMS可調濾波器外，也有單刀多擲MEMS 開(kāi)關(guān)實(shí)現的MEMS 可調濾波器的報道。I. C. Reines 等人利用單刀三擲開(kāi)關(guān)設計了Ku 波段開(kāi)關(guān)型可調帶通濾波器。濾波器可調中心頻率分別為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(gè)頻段的回波損耗優(yōu)于10 dB。另外，為了適應復雜環(huán)境( 例如要求高的隔離度) ，B. Pillans等人設計制作了級聯(lián)的低通和高通濾波單元，實(shí)現了中心頻率和帶寬均可調的帶通濾波器。濾波器在6~15 GHz 內實(shí)現了可調，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、結語(yǔ)

基于MEMS技術(shù)的濾波器是現在RF系統中的一個(gè)關(guān)鍵MEMS 器件。借助于MEMS 加工技術(shù)的進(jìn)步及與射頻/微波技術(shù)的結合，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(xiàn)性好，適應現代日益復雜的RF 環(huán)境要求。其中，可調MEMS 濾波器的開(kāi)發(fā)，有著(zhù)更為迫切的現實(shí)意義，它有利于開(kāi)發(fā)可調諧的收發(fā)模塊，以改善多信道收發(fā)系統的性能，從而為新一代無(wú)線(xiàn)通信系統的開(kāi)發(fā)起著(zhù)不可或缺的積極 作用。