MEMS 可调滤波器 - 基于MEMS技术的微波滤波器研究进展

　　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 dB 带宽为13%，插入损耗为3.8 dB。

　　以上MEMS 可调滤波器，由于仅用一种可变容性电抗元件来达到频率调谐的目的，可调电感无法同时实现，也未能充分利用基于CPW周期性结构的微波/毫米波的 慢波特性，因此其可调范围有限。J. H. Park 等人报道了一种利用分形自相似结构来实现的低损耗可重构低通滤波器，将通带频段推向了毫米波段，它是通过同时利用可调电感和电容实现的。该滤波器 基于20 世纪80 年代美国科学家B. B. Mandelbrot 提出的分形理论，是一种按比例缩小/放大的自相似结构，从而达到多频段上实现可重构滤波的目标。图7 是制作的利用可调电感和电容获得的RF MEMS 可调低通滤波器。该滤波器采用单一驱动的多触点MEMS 开关实现滤波器重构的控制，使总的开关数目得以减小，也有效地降低了器件的插入损耗，并使得器件的整体尺寸得以减小。制备的滤波器3 dB 截止频率从67 GHz重构到28 GHz。

　　图7 分形可重构低通MEMS 滤波器

　　另外，通过将传输线谐振器做成“U”形以减小器件尺寸，A. Ocera 等人制作了新颖的MEMS可调发夹线型滤波器，如图8。该滤波器制作在525 μm 厚的高阻硅衬底上，通过10 个欧姆接触式MEMS 悬臂梁开关给发夹型滤波器的谐振器U 型分支增加传输线长度，来改变谐振器的开路短截线的长度，从而得到滤波器谐振频率的可调。滤波器在6.2 GHz 频率上有15%的带宽，并有着10%的调节范围，插入损耗和回波损耗分别为4.5 dB 和17 dB。

　　图8 MEMS 可调发夹型数字可调滤波器

　　除了上面的单刀单掷MEMS 开关实现的MEMS可调滤波器外，也有单刀多掷MEMS 开关实现的MEMS 可调滤波器的报道。I. C. Reines 等人利用单刀三掷开关设计了Ku 波段开关型可调带通滤波器。滤波器可调中心频率分别为14.9、16.2、17.8 GHz，在中间频段插入损耗小于2 dB，带宽约7.7%，三个频段的回波损耗优于10 dB。另外，为了适应复杂环境（ 例如要求高的隔离度） ，B. Pillans等人设计制作了级联的低通和高通滤波单元，实现了中心频率和带宽均可调的带通滤波器。滤波器在6~15 GHz 内实现了可调，带外衰减快（ 40 dB/GHz） ，隔离度大于50 dB。但它的插入损耗较大（ 4~11 dB） 。

　　4、结语

　　基于MEMS技术的滤波器是现在RF系统中的一个关键MEMS 器件。借助于MEMS 加工技术的进步及与射频/微波技术的结合，MEMS 滤波器的研究得到了快速的发展。MEMS 滤波器从RF 到毫米波段有很高的Q值、插入损耗低、线性好，适应现代日益复杂的RF 环境要求。其中，可调MEMS 滤波器的开发，有着更为迫切的现实意义，它有利于开发可调谐的收发模块，以改善多信道收发系统的性能，从而为新一代无线通信系统的开发起着不可或缺的积极 作用。