CN101212076A - 微机械可调微波带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微机械可调微波带通滤波器。该微波带通滤波器为，在微波电路衬底上设置一梳状滤波器结构，所述梳状滤波器结构包括输入耦合单元、输出耦合单元以及在两个单元之间的、相互间平行排列的谐振器单元，所述谐振器单元由中等阻抗的传输线与高阻抗传输线串构成，其中，该谐振器单元的中等阻抗传输线的一端接地，而高阻抗传输线的一端开路，在所述高阻抗线上串连或者/和并连一个或一个以上微机械开关，所述微机械开关与外部电信号控制电路连接。本发明由于采用了谐振特性可调的梳状滤波器结构，故具有滤波特性可调节特性，且实现了电学上寄生效应小、电路稳定以及工艺简单，可广泛应用于无线通信和雷达电路技术领域。

Description

微机械可调微波带通滤波器

技术领域

本发明是关于，射频、微波等领域中，通带频率等滤波特性可调节的滤波器件，具体地说，是基于MEMS调控器件的微机械可调微波带通滤波器。

背景技术

滤波器在无线通信和雷达电路中是一种关键的射频器件。镜频干扰的滤除、噪声的抑制、频分复用及在高性能的振荡、放大、倍频、混频电路中的信号频率选择，都需要滤波器来实现。另外，有效的宽频带阻抗匹配网络和耦合结构也是在滤波器结构基础上实现的。无线通信设备(包括基站和终端)以及雷达、电子战装备的微型化、宽带化、可移动性和频率捷变能力的增强，以及高性能的收发机架构的演进，促使包括滤波器在内的射频元器件不断向着微型化和单片集成化方向发展，同时也催生了各种电路结构和性能水平不断提高、而且可根据周围环境进行调谐的射频/微波滤波器，使调射频/微波滤波器的通带/阻带特性和工作中心频率等都可以在计算机控制下进行快速调整，这可以大大提高射频收发机系统的灵活性和在复杂电磁环境中的适应性，并可望推动通信、雷达体制的变革。

目前国内外所使用的可调谐微波滤波器主要可以分为四类：1)基于电、磁介质参数可调节(主要是铁氧体元件)的控制结构的滤波器；2)基于常规伺服机构调节的滤波器；3)基于半导体调控器件(如起开关或者电容调节作用的PIN管、场效应晶体管)的滤波器；和4)基于微机电系统(以下简称MEMS)控制元件的滤波器。第一类器件可以承受高微波功率，微波损耗较低，但铁氧体控制器件难以微型化，相应的偏置电路复杂，需要保持静态偏置电流，因此控制功耗很大，第二类也可以承受较大微波功率，微波损耗很小，但调节需要复杂的伺服机构，控制功耗和器件体积均较大。因此，第一类和第二类滤波器的应用局限于对器件微型化要求低、电源供应稳定的、高功率的微波应用场合。第三类滤波器可以实现单片集成化，结构紧凑，但由于其中微波需要通过PN结和半导体材料传输，相应产生的微波损耗和非线性会显著影响其通带性能，而且所需的偏置电路比较复杂，往往需要由多个晶体管构成，控制功耗难以降低，因此目前没有得到推广。第四类滤波器是基于微机械开关控制元件的滤波器，具有微波损耗小、多功能、可单片集成等重要优点，是90年代末以来出现的新型微波器件，适合应用在移动通信、卫星通信等需要便携性、可移动性、高集成度和低功耗的应用领域。

在微电子技术的基础上发展而来的MEMS技术是一个多学科交叉的高新技术，它从已经广泛应用的半导体、集成电路技术延伸而来，但超越了其局限。相应的MEMS器件产品具有体积小、能耗和物耗低，制造方便、成本低、性能优良、便于与微观世界、特别是纳米世界接口等突出优点。整个技术将在国民经济建设、国家安全及多个学科领域研究等方面发挥越来越重要的作用，甚至有可能影响某些领域的发展走向。利用制作MEMS所用的微机械加工技术，可以制作出用于射频(包括微波、毫米波)领域的各种无源元件，包括电容、电感、开关控制器件、谐振器/滤波器等。这些元件具有插入损耗小、隔离度好、Q值高、非线性和互调失真度低、易于与有源电路集成等独特的优势，可望替代现有射频系统中的多个元件，降低整个系统的功耗，简化其体系结构。

目前人们利用MEMS技术开发出了基于微机械结构的微型可调滤波器。它们的主要控制元件是位于电磁波传输结构上(主要是微带线和共面波导等平面传输线)的微动平板电容机械结构，即微机械开关，其形状可以采用类似于MMIC(单片微波集成电路)中双端固定的空气桥结构，也可以采用可上下或水平运动的矩形平板。这些结构均由溅射或者电镀工艺所淀积的金、铝等金属材料所构成。在外部电控制信号(一般为电压控制信号)作用所产生的静电场作用下，这些电容桥膜结构会发生变形，形成机械开关特有的开合动作，其作用相当于一个可变的电容性阻抗，从而可以实现电路中元件的通断控制或加载电容的调节，改变滤波器的等效电路参数或电路结构，并改变滤波器的频率响应。

在目前现有的公开报道的研究结果中，文献(Brandon Pillans，Andrew Malczewski，RonAllison and Jim Brank.“6-15GHz RF MEMS Tunable Filters”.Raytheon-Space and AirborneSystems，Dallas，TX，75243，USA)介绍了一种可调带通滤波器的方法，其中带通是利用低通和高通滤波器组合来实现的，而每一个低通和高通都是椭圆型可调节滤波器，基本原理调节椭圆滤波器串联谐振回路的谐振频率，以此来改变该滤波器的截止频率。这是实现可调带通滤波器最简单和直接的方法，但存在电路面积占用大、需要使用多个开关、器件总损耗难以降低等问题。文献(Abbas Abbaapour-Tamijani，Laurent Dussopt，Gabriel M.Rebeiz.“A High Performance MEMS Miniature Tunable Bandpass Filter”.2003 IEEE MTT-S Digest)利用微机械开关加载电容来实现3极点滤波电路中传输线慢波结构性能的改变，从而实现滤波器性能的调谐；文献(B.Lakshminarayanan T.Weller.“Tunable Bandpass Filter UsingDistributerd MEMS Tranmission Lines”.2003 IEEE MTT-S Digest.)则通过改变不同的加载用DMTL(Distributed MEMS Transmission Line，分布MEMS传输线)上的微机械开关的电路特性来调节滤波器的通带频率等特性。这种方法的好处在于容性微机械开关体积小且易于控制，并可以方便的调节其电容值，但是同样需要用到多个开关，电路占用面积大。上述的方法都是基于传统的滤波器结构及调节方法来实现可调微波滤波器，即沿用常规滤波器结构，并利用MEMS实现某些元件的加载或者加载元件的量值，例如微机械开关本身可以是一个电容，开关闭合相当于加载了一个电容，以此来实现滤波器的调节，而且滤波器的电路结构在调节前后几乎没有变化。文献(Jae-Hyoung Park，Sanghyo Lee，Jung-Mu Kim，Hong-Teuk Kim，Youngwoo Kwon，and Yong-Kweon Kim.“Reconfigurable Millimeter-WaveFilters Using CPW-Based Periodic Structures With Novel Multiple-Contact MEMS Switches”.JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS，VOL.14，NO.3，JUNE 2005)中利用MEMS开关实现滤波器电路结构的改变，从而实现滤波器中心频率的调节，这种方法可以方便的改变滤波电路结构，是传统滤波器无法实现的。但缺点是要实现较大调节范围时，需要使用多个开关(数量高于滤波器阶次的两倍)，而且各个电路状态的带宽并不一致。

现有的梳状传输线滤波器(以下简称梳状滤波器)由制作在微波衬底上的平面传输线、集总参数加载电容和接地结构构成，具体包括输入耦合单元、输出耦合单元以及在两个单元之间的、相互间平行排列的谐振器单元。其中输入、输出耦合单元由特征阻抗为系统所需量值的平面传输线构成，谐振器单元由具有中等阻抗值的传输线与集总参数加载电容串连构成，其两端接地。谐振器单元的数量n≥2，n与谐振器单元的阶数相等。各谐振器单元的中等阻抗传输线之间存在电容耦合关系。平面传输线可以为在衬底上制作的微带线(分为在衬底上表面的信号线和衬底下表面的地平面)、带线(包括两层平行地平面以及分布在地平面之间的信号线)或者共面波导线(波导线分为共平面的地线和信号线)等具有特定形状的平面传输线。目前现有的梳状滤波器的基本电路结构如图1所示。图中所示滤波器为5阶滤波器，其他阶数的滤波器的电路结构与之类似。图1所示的滤波器包括输入耦合单元1a、输出耦合单元1b，以及相互之间存在电磁波耦合(电容性耦合)关系的5个谐振器单元2a、2b、2c、2d、2e。待滤波的微波信号从输入耦合单元1a处输入，经过滤波的微波信号从输出耦合单元1b处输出。谐振器单元2a-e由一端接地的、具有中等阻抗的传输线3(以下简称中等阻抗传输线3)与一端接地的加载电容4串联后构成，其中中等阻抗传输线3的未接地端和加载电容4的未接地端连接到一起。中等阻抗传输线3的等效电长度和阻抗分别为θ₀和Y_a。中等阻抗传输线3和电容4实际上构成并联接地关系。中等阻抗传输线3的几何长度可根据滤波器的通带中频对应的导波波长λ_g决定(一般不长于λ_g/2)，电长度为θ₀、特征阻抗为Y_a，中等阻抗传输线3和加载电容4可以形成谐振。另外各个谐振器单元2a、2b、2c、2d、2e中的中等阻抗传输线3长度相等，呈平行排列，相互间形成电容耦合关系。从中等阻抗传输线3与电容4的连接点来看，中等阻抗传输线3与接地的加载电容4并联后接地，由此可以计算出该谐振器单元的输入导纳和斜率参数。现有的梳状传输线滤波器结构不具有滤波特性可调的能力。

另外，上述4篇有代表性的文献所报道的研究成果，都采用了基于表面工艺的微机械开关，其优点是插入损耗小(无半导体损耗)、控制功耗耗低(静电控制，几乎为零)、可在多种衬底上制作、易于与有源电路实现单片集成。其存在的缺点是：1)由于桥模都使用电镀或者溅射的纯金属构成，而其通断是依靠桥膜的变形实现的，故桥膜容易出现疲劳、蠕变等现象，这影响了其可靠性，2)金属与高阻的衬底间存在热膨胀性能相差大、温度变化较大时结构尺寸和可靠性都受到很大影响；3)其桥模结构设计以双端固支为主，驱动阈值高(需要采用复杂的电荷泵等升压电路)、尺寸与传统MIC(微波集成电路)滤波器接近，其加工工艺步骤多，有结构释放中易粘附的问题，而且可承受功率不高；4)用户常常需要在同一器件上制作隔离高频/DC控制驱动电路间的电隔离结构，防止射频信号的泄漏，目前的这些器件是以金属和硅的合金构成的导线来制作隔离电阻，加工时需要单独制作一块光刻版，增加了工艺难度和成本。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种微机械可调微波带通滤波器。该微机械可调滤波器采用了谐振特性可调的梳状滤波器结构，具有滤波特性可调节特性，且实现了电学上寄生效应小、电路稳定以及工艺简单。

本发明的技术方案是：一种微机械可调微波带通滤波器，在微波电路衬底上设有一梳状滤波器结构，该梳状滤波器结构包括输入耦合单元、输出耦合单元以及在两个单元之间的、相互间平行排列的谐振器单元，所述谐振器单元由中等阻抗传输线与高阻抗传输线串构成，其中，该谐振器单元的中等阻抗传输线的一端接地，而高阻抗传输线的一端开路，在所述高阻抗线上串连或者并连一个或一个以上微机械开关，所述微机械开关与外部信号控制电路连接。

所述高阻抗传输线与中等阻抗传输线之间可串连一集总参数或半集总参数的加载电容，所述加载电容两端并连一微机械开关，该微机械开关与外部信号控制电路连接。

所述微机械开关的结构可为，包括一衬底，所述高阻抗传输线固定在该衬底上，所述高阻抗传输线呈断开状，由相互之间存在间隙的高阻抗传输线段组成，在位于高阻抗传输线段之间的间隙处固定一桥膜，在所述桥膜和所述衬底上设置一对电极，所述电极与外部电信号控制电路连接。

所述桥膜的两侧可分别设置若干个弹簧硅梁，所述弹簧硅梁的一端连接所述桥膜，所述弹簧硅梁的另一端与桥膜和衬底的固定锚点连接。

所述桥膜可为镜像对称的蝶形硅结构，其中间部分可嵌入高阻抗传输线段之间的间隙中，其两侧的硅侧翼为桥膜电极。

所述硅桥膜的中间部分为层状结构，从上至下具体为单晶硅层、氧化硅层和金属层。所述硅桥膜的侧翼部分也为层状结构，从上至下具体为单晶硅层和氧化硅层。

所述硅桥膜的厚度为10～40μm。

所述中等阻抗传输线和高阻抗传输线为可在微波电路衬底上制作的微带线、带线或者共面波导线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)与现有的梳状滤波器相比，本发明所提出的滤波器具有调节滤波特性的能力；且采用由中等阻抗的传输线与高阻抗传输线串构成的谐振器单元代替原有的接地传输线并接电容的谐振器单元，与现有的梳状滤波器和微机械可调带通滤波器相比，可以最大限度减少甚至避免通孔的使用，电学上减少了寄生效应，增加了电路的稳定性，工艺上减少了复杂度，且使滤波器的谐振器单元具有较高的Q值，有利于减小通带损耗，而且高边带具有陡峭的边缘。

2)采用了微机械开关来控制滤波器的特性，该微机械开关基本结构可以利用体型硅基微机械加工工艺制作而成的、以单晶硅层为骨架的多层复合膜，其单晶骨架厚度可达到10～40μm，能提供较高的回复力，因此可以防止承受大功率微波信号时出现的较大的吸合静电力作用而造成滤波器的误调节(也称误动作)，因此与现有的基于半导体开关和微机械开关的可调滤波器相比，本发明所述的微机械可调微波滤波器可以承受大功率。该开关的微波损耗小，因此与采用了半导体开关的可调滤波器相比，有利于降低滤波器的通带损耗。可以实现滤波器中心频率的精确调节。

3)利用微机械开关实现调节电容和传输线的加载，理论上滤波器调节前后的电路结构不变，所以调节前后均有良好的滤波器响应。与现有的微机械可调带通滤波器相比，本发明所述的滤波器在阶次相同的情况下所需使用的微机械开关数量更少(不超过2n个)，这有利于减少开关引入的微波损耗，提出器件加工的成品率，降低器件长期工作时因单个开关失效而带来的滤波器失效的概率。

附图说明

图1现有的5阶梳状滤波器的基本结构；

图2本发明微机械可调微波带通滤波器所采用的改进的谐振器单元；

图3本发明微机械可调微波带通滤波器所采用的、高阻传输线上串连微机械开关的谐振器特性调节结构；

图4本发明微机械可调微波带通滤波器的结构示意图；

图5本发明微机械可调微波带通滤波器所采用的、高阻传输线上并连微机械开关的谐振器特性调节结构；

图6本发明微机械可调微波带通滤波器所采用的、高阻传输线上串连、并连微机械开关的谐振器特性调节结构；

图7a本发明微机械可调微波带通滤波器所采用的微机械开关结构示意图；

图7b为图7a的剖视图；

图8a本发明微机械可调微波带通滤波器的一基于微带传输线和微机械开关的实施例；

图8b为图8a的A-A剖视图；

图9a本发明微机械可调微波带通滤波器的另一基于微带传输线和微机械开关的实施例；

图9b为图9a的A-A剖视图；

图10本发明微机械可调微波带通滤波器的实施例的微波特性调节能力仿真结果；

图11本发明微机械可调微波带通滤波器的实施例在通带中心频率为18GHz时的回波损耗特性。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明所述的微机械可调微波带通滤波器采用了谐振特性可调的梳状滤波器结构。下面以5阶滤波器为例来说明其结构和工作原理。

首先，参考图2，在本发明谐振器单元电路结构中，图1所示的谐振器单元2a、2b、2c、2d、2e中的电容4被替换为一端开路的高阻抗传输线5(电长度和特征阻抗分别为θ₁和Y₁)，于是中等阻抗传输线3和高阻传输线5串连后构成图2所示的S谐振器单元结构，其中，中等阻抗传输线3的阻抗为40～60Ω，高阻传输线5的阻抗为大于80Ω，梳状滤波器中的谐振器单元的谐振频率和斜率是决定滤波器特性的关键参数。考虑到耦合结构部分(即中等阻抗传输线3)的等效电长度等效电长度θ₀保持不变，则输入电纳和斜率参数分别为

B_in＝Y₁tanθ₁-Y_acotθ₀：                                      (1)

$l_i=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2}\frac{{\mathrm{dB}}_{\mathrm{in}}}{\mathrm{d\ω}}=\frac{1}{2}(Y_1{\mathrm{\θ}}_1{\sec }^2{\mathrm{\θ}}_1+Y_a{\mathrm{\θ}}_0{\csc }^2{\mathrm{\θ}}_0)---\left(2\right)$

各参数如图2所示。

谐振器单元谐振时导纳为0，所以谐振条件为B_in＝0，即：

${\tan \mathrm{\θ}}_0\tan {\mathrm{\θ}}_1=\frac{Y_a}{Y_1}=\frac{1}{R_z}---\left(3\right)$

其中R_z为谐振腔单元的阻抗比，一般取Z_a＝1/Y_a，且Z_a＝55Ω，R_z＝0.5，则ΩZ₁＝110Ω。如果取θ₀＝π/4，则有θ₁＝arctan 2＝67°θ₁＝arctan 2.67°。

基于上述图2所示的谐振特性参数可以调节的谐振器单元，本发明提供一微机械可调微波滤波器，其结构如图4所示，滤波器包括了输入耦合单元1a、输出耦合单元1b，以及相互之间存在电磁波耦合(电容性耦合)关系的5个谐振器单元9a、9b、9c、9d、9e。有待滤波的微波从输入耦合单元1a处输入，经过滤波后的微波信号从输出耦合单元1b处输出。谐振器单元9a-e即为图3所示的谐振器单元。另外各个谐振器单元9a、9b、9c、9d、9e中的中等阻抗传输线3长度相等，呈平行排列，相互间形成电容耦合关系。从中等阻抗传输线3与高阻抗传输线5的连接点处可以计算出该谐振器单元的输入导纳和斜率参数。

本发明谐振器单元中的微机械开关6与高阻抗线5a和高阻抗线5b串连，其结构如图3所示，高阻抗传输线5被分为两段，高阻抗线5a和高阻抗线5b之间接有微机械开关6。微机械开关6断开时，谐振器单元上高阻线的等效电长度θ₁等于高阻抗线5a的电长度；微机械开关6闭合时，谐振器单元上高阻抗传输线的等效电长度θ₁等于高阻抗线5a和高阻抗线5b的电长度之和。本发明谐振器单元中的微机械开关6也可以与高阻抗线5b并连，如图5所示。微机械开关6断开时，谐振器单元上高阻抗传输线的等效电长度θ₁等于高阻抗线5a和高阻抗线5b的电长度之和。因此，在外部信号控制电路向微机械开关6的控制信号输入端8施加的控制信号作用下，微机械开关6发生断开或者闭合，可以相应改变谐振器单元中高阻抗传输线5的等效长度，改变谐振器的谐振频率和斜率参数，并最终改变滤波器的通带频率等参数，实现滤波器的滤波特性(包括通带中心频率、通带边缘特性等)的调节。

本发明谐振器单元中的高阻抗传输线5可以分为3段或者4段，各段传输线之间可以串连微机械开关6，或者各段传输线两端可以并连微机械开关6，如图6所示。在图6中，高阻抗传输线5被分为3段，即高阻抗线5a、高阻抗线5b和高阻抗线5c。这样一来，谐振器单元上高阻抗传输线的等效电长度θ₁的最小变化范围可以缩短，滤波器单元的特性的调节将更为精细。在外信号控制电路向微机械开关6的控制信号输入端8施加的控制信号作用下，各微机械开关6发生断开或者闭合，可以相应改变谐振器单元中高阻抗传输线的等效长度，改变谐振器的谐振频率和斜率参数，并最终改变滤波器的通带频率等参数，实现滤波器的滤波特性(包括通带中心频率、通带边缘特性等)的调节。一般来说高阻抗传输线5所细分的段数不应超过4，否则所需的微机械开关数量较多，器件的加工工艺难度较大，可靠性较低。

参考图4，本发明微机械可调微波带通滤波器的外部信号控制电路11通过总线10向滤波器中微机械开关的控制信号输入端8施加不同的控制信号，使得各微机械开关处于不同的通断状态，则滤波器的滤波特性可以发生变化，例如使其中心频率平移到一个较低或者较高的频率点上。该滤波器所用的微机械开关数量与谐振器单元的数量(也是滤波器的阶数)n相同，与现有技术相比大大减少，这可以降低整个滤波器的损耗、加工工艺难度和因开关失效而出现失效的概率。

本发明微机械可调微波带通滤波器所用的、基于微带传输线的微机械开关的结构如图7所示，该微机械开关制作在微波电路衬底12上，在衬底上设置金属膜微带传输线以及以硅为骨架的复合桥膜，衬底12还可以同时作为滤波器的衬底；衬底12下表面上制作一层形状与衬底12的形状相同的金属膜地线层13，该地线层作为微带传输线的地线层；衬底上表面设有由金属膜构成的两段微带传输线14a和金属膜微带传输线14b，该金属膜微带传输线14a和金属膜微带传输线14b相互间存在一定间隙；衬底的表面还同时制作有由金属膜或者多晶硅构成的下吸引电极15a和15b，对称分布在金属膜微带传输线14a和金属膜微带传输线14b两侧；用于对微带线所传输的微波信号起到通断控制作用的微机械桥膜的上、下运动，硅桥膜是由单晶硅膜层16、氧化硅膜层17、金接触层18构成；桥膜平面形状为镜像对称的蝶形结构，该桥膜可以分为三部分，即桥膜中段19、侧翼20a和侧翼20b，中段19包含单晶硅层16、氧化硅层17和金属层18，侧翼包含单晶硅层16和氧化硅层17；桥膜的悬挂结构采用刚度较低(图中所示的悬挂结构为4条直的细梁，但也可以为蛇行状的细梁)的四只弹簧梁21a、21b、21c、21d，桥膜的两端各两个弹簧梁，每个弹簧梁的一端接于桥膜，另一端与键合到衬底1上的固定锚点22相连接，固定锚点22a或22b也为单晶硅层。另外，桥膜的锚点22a和锚点22b可以进行高掺杂并在衬底上延伸，形成具有细截面和大的等效长度(可以通过使之具有蛇行状线的平面形状来实现)的单晶硅电阻线23，作为微波信号与静电直流驱动间的隔离结构。

微机械开关处于断开状态时，无需施加偏置电压，桥膜处于悬空状态，金属膜微带传输线14a和金属膜微带传输线14b之间仅有很微弱的电容耦合，因此信号不能通过两者之间的间隔进行传输。需要让微机械开关闭合导通时，可以让外部控制电路通过电阻线23向桥膜施加一个直流高电位V，此时桥膜侧翼20a和桥膜侧翼20b的单晶硅层也具有相同的电位V，与下方的吸引电极15a和吸引电极15b之间分别形成静电场和静电引力。相应的静电力增大到超过一定阈值V_th后，桥膜发生吸合现象，与衬底接触，此时桥膜中段下方的金层同时与信号线14a和14b接触，形成低阻抗的通道，信号可以以很低的损耗通过。相应的滤波器处于调节后的状态。阈值电压V_th也称为驱动电压。

数值计算和有限元仿真表明，由于桥膜采用大面积的侧翼结构，在施加偏置电压时可以产生较大的静电吸引力，因此，若在弹簧梁22a、弹簧梁22b、弹簧梁22c、弹簧梁22d的宽度为2～20μm的情况下，如果水平向有效长度选择500～1000μm(可以采用蛇行折叠结构来实现)，则这些弹簧梁22a、弹簧梁22b、弹簧梁22c和弹簧梁22d可以保证结构的驱动电压＜10V(属于低阈值驱动)，这一阈值与常用的微波有源控制电路和有源信号处理电路的偏置电压相近，为本发明的微机械微波可调滤波器与有源电路实现单片集成创造了条件。

本发明微机械开关的优点在于，1)调节用的微机械开关基本结构为利用体型硅基微机械加工工艺制作而成的、以单晶硅层为骨架的多层复合膜，其单晶骨架厚度可以轻松地达到为10～40μm的情况下，如果水平向有效长度选择500～1000μm，能提供较高的回复力，因此可以防止承受大功率微波信号时出现的较大的等效吸合静电力作用而造成滤波器的误调节(也称误动作)，从而可以轻松地制作出承受大功率的微波滤波器；2)在调节滤波器特性时，微机械开关桥膜将发生多次开关吸合动作，而采用机械性能好(无蠕变、内耗小、抗疲劳特性好)的单晶硅材料作为悬挂结构，可以防止因悬挂疲劳失效而导致的器件失效；3)桥膜是通过单晶硅锚点与微波材料固定的，一般来说单晶硅材料与绝大多数属于电介质的微波衬底(如石英、玻璃、低温共烧陶瓷等)之间的热膨胀系数差异较小，所以可以避免采用金属骨架时因温度变化造成结构开裂，从而影响器件可靠性的问题；4)微波/偏置电压之间的隔离结构单晶硅电阻线可以在加工桥膜的工艺步骤中同步完成加工，而避免了采用常规的金属-硅合金电阻线作为隔离结构时另外需要的相应的淀积、刻蚀和让其从下方穿越传输线信号线时所对应的工艺；5)桥膜的平面结构采用了镜像对称的蝶形结构，其具有大面积侧翼，因此可以产生较大的静电吸引力，故与目前采用的常规桥膜平面结构相比，可以有效降低驱动电压。

采用微带传输线结构和实施例4所述的微机械开关时，本发明所述的微机械可调微波滤波器的一具体实施例的结构如图8所示。该滤波器制作在微波电路衬底12上。微波电路衬底12可以是石英、玻璃、氧化铝陶瓷或者低温共烧陶瓷等材料制作的微波电路衬底；衬底12下表面制作有作为微带线地线的金属膜地线层13，衬底12的上表面则制作有微带线的信号线，这些信号线具有特定形状，与金属膜地线层13一起构成滤波器的输入耦合单元1a、输出耦合单元1b和谐振器单元结构(包括中等阻抗传输线3和高阻抗传输线5)；滤波器的传输接地通过通孔24实现；其中的微机械开关6通过控制总线10与外部信号控制电路11相连，采用实施例所示结构的采用体硅微机械加工工艺制作的、以硅为层为骨架的微机械开关，也可以是以表面微机械加工工艺制作的、基于金属薄膜材料的微机械开关。

由滤波器的指标要求和(2)式可以得到导纳斜率参数，可以计算梳状滤波器结构中多耦合的中等阻抗传输线3的自电容C_i和互电容C_i，i+1。由自电容和互电容得到中等阻抗传输线的具体几何尺寸数值，其数值可以通过共形变换得到的关于几何尺寸和电介质参数的解析表达式算出，或者通过有限元方法求出。

该示例中滤波器为5阶滤波器，而本设计亦可适用于阶数更高或者更低的滤波器，此时，阶数n将等于谐振器单元的个数。由于高阻抗传输线之间的间距比中等阻抗传输线宽大很多，线间耦合很弱，所以一般在设计时可以不考虑它们之间的耦合效应。高频有限元或矩量法全波仿真分析结果表明，高阻线之间实际存在一定的耦合，这会增大谐振器单元之间的耦合强度，因此，若采用有限元或者矩量法全波仿真技术进行滤波器性能分析，则这一耦合现象可以用于增大滤波器带宽。在一定频率范围内可以实现滤波器中心频率的精确调节。

本发明在谐振器单元9b和谐振器单元9d中，在高阻抗线5和中等阻抗线3之间可串连MIM(金属-绝缘体-金属)集总参数电容25，具体结构如图9所示，在该电容两端并连一个微机械开关6，通过调节该电容两端的微机械开关6的通断，可以调节高阻线的电容加载情况，从而能进一步优化谐振器单元的谐振特性和滤波器的滤波特性。

以下提供一在18～20GHz间调节的5阶梳状可调带通滤波器：

本实施例设计通带中心频率可以在18～20GHz范围内调节、具有25％通带带宽的5阶梳状带通滤波器，衬底采用氧化铝陶瓷，相对介电常数为10.2，介质厚度为200微米。滤波器的结构如图9所示，经过设计，并对MIM电容值并进行优化后，得到具体尺寸和MIM电容值，其结果列于表1中。由于滤波器结构的对称性，而且其滤波特性主要取决于各个谐振器单元的传输线尺寸和各个谐振器之间的间距，故只需列出其中谐振器的中等阻抗传输线的宽度、长度以及两端高阻抗传输线的宽度、长度，以及各谐振器之间的间距。图10显示了该滤波器的通带特性的调节能力的仿真结果。从频率响应看，滤波器通带内插入损耗在1dB以下，高边带具有陡峭的边沿，滤波器设计带宽为10％，但实际性能分析得到的带宽达到了25％，其原因是高阻线之间的耦合可以被用来增加谐振器单元之间的耦合强度，进而增大滤波器带宽。图11显示了该滤波器在通带中心频率为18GHz时的回波损耗特性。

                    表1滤波器的基本几何参数和MIM电容25的量值

wMI(μm)	lMI(μm)	wHI(μm)	lHI，a(μm)	lHI，b(μm)	Sc(μm)	MIM电容值(pF)
							95	731	17.1	864	242	143.6	0.267

以上通过详细实施例描述了本发明所提供的微机械可调微波带通滤波器，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。

Claims (9)

1.一种微机械可调微波带通滤波器，其特征在于：在微波电路衬底上设有一梳状滤波器结构，该梳状滤波器结构包括输入耦合单元、输出耦合单元以及在上述两个单元之间的相互间平行排列的多个谐振器单元，所述谐振器单元由中等阻抗传输线与高阻抗传输线串连构成，其中，所述中等阻抗传输线的一端接地，而所述高阻抗传输线的一端开路，在所述高阻抗传输线上串连或者/和并连一个或一个以上微机械开关，所述微机械开关与外部电信号控制电路连接。

2.如权利要求1所述的微机械可调微波带通滤波器，其特征在于：所述高阻抗传输线与中等阻抗传输线之间串连一集总参数或半集总参数的加载电容，所述加载电容两端并连一微机械开关，该微机械开关通过一反相器与外部电信号控制电路连接。

3.如权利要求1或2所述的微机械可调微波带通滤波器，其特征在于：所述微机械开关的结构为，包括一衬底，所述高阻抗传输线固定在该衬底上，所述高阻抗传输线呈断开状，由相互之间存在间隙的高阻抗传输线段构成，在位于高阻抗传输线段之间的间隙处固定一桥膜，在所述桥膜和所述衬底上设置一对电极，所述电极与外部电信号控制电路连接。

4.如权利要求3所述的微机械可调微波带通滤波器，其特征在于：所述桥膜为镜像对称的蝶形硅结构，其中间部分可嵌入高阻抗传输线段之间的间隙中，其两侧的硅侧翼为桥膜电极。

5.如权利要求3或4所述的微机械可调微波带通滤波器，其特征在于：所述桥膜的两侧分别设置若干个弹簧硅梁，所述弹簧硅梁的一端连接所述桥膜，所述弹簧硅梁的另一端与桥膜和衬底的固定锚点连接。

6.如权利要求4所述的微机械可调微波带通滤波器，其特征在于：所述桥膜的中间部分为层状结构，从上至下具体为单晶硅层、氧化硅层和金属层。

7.如权利要求4或6所述的微机械可调微波带通滤波器，其特征在于：所述桥膜的侧翼部分为层状结构，从上至下具体为单晶硅层和氧化硅层。

8.如权利要求4所述的微机械可调微波带通滤波器，其特征在于：所述硅桥膜的厚度为10μm-40μm。

9.如权利要求1或2所述的微机械可调微波带通滤波器，其特征在于：所述中等阻抗传输线和高阻传输线为可在微波电路衬底上制作的微带线、带线或者共面波导线。

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