基于MEMS技术的微波滤波器研究进展

声波滤波器

对于硅体微加工工艺来讲，硅的化学刻蚀由于依赖于晶向，使得器件的结构形状和尺寸的进一步缩小都受到了限制。另外，衬底硅的大量刻蚀也会降低器件的机械强度。

2、LIGA 平面传输线和滤波器

LIGA 一词来源于德语lithographie、galvanoformung和abformung 三个词语的缩写，表示深层光刻、电镀、模铸三种技术的有机结合。LIGA技术是实现MEMS 微加工的一个重要手段。它借鉴了平面IC 工艺中的光刻技术，但是它对材料加工的深宽比远大于标准IC 生产中的平面工艺和薄膜的亚微米光刻技术，可以实现高深宽比3D 微结构，且加工的厚度也远大于平面工艺的典型值2 μm[9]。该工艺是利用深层辐射X 射线光刻，在厚的光刻胶层上设定所要求的模型。由X 射线作为光刻的光源，它的波长短，对光刻胶有较强的穿透力，能获得高的分辨率和高的深宽比。利用LIGA技术，T. L. Willke 等人在石英衬底上设计制作了耦合线型带通滤波器( 图4) [10]。其中，LIGA 传输线为200 μm 厚的镍，有两个开路端口的!/4 平行线部分用作耦合单元，耦合气隙深宽比大于6.75。与传统的薄金属相比，LIGA 传输线和谐振器之间有更好的耦合系数。带通滤波器在14.6 GHz 时有最小的插入损耗，为0.15 dB。

图4 LIGA 耦合线带通滤波器

3、MEMS 可调滤波器

近年来由于微波、毫米波波段的多频段、宽带无线通信系统的迫切需要，基于MEMS 技术的可调谐滤波器逐渐引起了人们很大关注。这种滤波器由MEMS 开关、共平面传输线、可变电抗元件等构成，它们具有低插入损耗，高线性度、高Q 值和更好的三阶交调频率点功率性能。根据已有文献报道，微波MEMS 可调谐滤波器按调谐方式可分为连续可调型和数字可调型两类。

3.1、连续可调滤波器

模拟可调滤波器的调节范围比较小，一般为5%～15%，其可调元件为MEMS 可变容性元件。

图5 (a) 是H. T. Kim 等人[11]用MEMS 技术设计和制作的两种微型V 波段MEMS 模拟可调滤波器。滤波器在高频段，用MEMS 技术把模拟集总可调滤波器模型与桥式金属-空气-金属( metal-air-metal，MAM) 电容结合以增强频率可调，用石英来减小衬底损耗，用MAM电容来代替弱耦合从而减小高频下的辐射损耗。两种滤波器的中心频率分别为50 GHz 和65 GHz，通过直流电压控制可变电容的高度来调节滤波器的截止频率，其可调范围为10%，插入损耗约为3.3 dB。滤波器的芯片尺寸分别只有780 μm×1 970 μm 和670 μm×1 900 μm。

A. Abbaspour-Tamijani 等人[12]提出了一种MEMS高Q 桥式可调电容，在石英玻璃衬底上实现了一种小型可调三级带通滤波器，如图5 (b) 所示。其核心则是周期性加载的CPW 慢波调谐器结构。N.S. Barker 等人[13]首先报道了这种分布式MEMS 传输线(DMTL) 结构，即在共面波导传输线上周期性加载MEMS 电容式开关，实现相速和电长度的改变。小型可调滤波器用CPW MEMS 慢波谐振器电感耦合得到，由于MEMS 桥的高Q 值，小型可调滤波器的中频插入损耗主要由CPW 结构的欧姆损耗和介质损耗决定，与CPW 的标准带通滤波器相比有更好的性能。通带中心频率从18.6 GHz 调节到21.44 GHz，带宽为7.5%，插损约为4 dB，Δf >150 kHz 时IIP3 优于50 dBm。

图5 模拟可调带通滤波器

3.2、数字可调滤波器

数字型MEMS 可调滤波器相比于模拟型MEMS 可调滤波器，它的调节范围比较大，性能也比较稳定。数字可调型滤波器可以采用一个MEMS电容阵列，通过将大小不同的电容在滤波电路中分别接入和断开，实现离散的中心频率。

K. Entesari 等人[14]利用MEMS 电容式开关和微带线，在玻璃衬底上制作了小型化4 位数字可调滤波器( 图6) 。为了实现高的调谐分辨率，将电容式MEMS 开关与高Q 值MAM电容相串联形成电容库。器件在6.5~10 GHz 频段实现了数字调谐，较多MEMS 开关的使用使得其滤波特性又接近于连续可调。在整个调谐范围内，滤波器的相对带宽为(5.1±0.4) %，回波损耗优于16 dB，插入损耗在9.8GHz、6.5 GHz 时分别为4.1 dB 和5.6 dB。滤波器的整体尺寸为5 mm×4 mm。

图6 玻璃衬底上的6.5~10 GHz 频段数字可调滤波器

利用两个λ/4 共面波导谐振器，E. Fourn 等人[15]还设计了一种两阶数字可调带通滤波器。谐振器与终端开路的短截线间的可变串联电容由悬臂梁式MEMS 开关实现。当悬臂梁被下拉的时候，由于谐振器的电容部分发生改变，谐振频率也发生变化。MEMS 开关处于上拉状态时，滤波器中心频率是21.05 GHz，3 dB 带宽为14%，插入损耗为3.5 dB；当开关下拉时，中心频率移到18.5 GHz，3