CN101359760A - 一种应用于k波段的mems电磁带隙可调带阻滤波器 - Google Patents
一种应用于k波段的mems电磁带隙可调带阻滤波器 Download PDFInfo
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Abstract
一种应用于K波段的MEMS电磁带隙可调带阻滤波器，共面波导中心传输线位于共面波导地平面的纵向中心线上，两者位于衬底上，且与共面波导中心传输线相垂直的方向上刻有刻槽；一对T型线横向端分别平行共面波导中心传输线并对称分布其两侧，纵向端分别位于共面波导中心传输线两侧的刻槽中；一对空气桥两端横跨在刻槽靠近共面波导中心传输线的边缘开口上方；一对MEMS直接接触式开关组两端横跨在沿远离共面波导中心传输线方向的刻槽的两个末端；由上述结构构成的单元谐振电路沿共面波导中心传输线方向周期性排列构成应用于K波段的MEMS电磁带隙可调带阻滤波器；本发明通过MEMS开关实现对滤波器中心频率大范围的调谐，并引入电磁带隙结构获得了阻带内良好的隔离性能。
Description
技术领域
本发明涉及射频微机电系统(RF MEMS)技术领域，特别涉及一种适用于K波段的基于MEMS和电磁带隙结构的中心频率可调带阻滤波器。
背景技术
在多带无线通信、宽带雷达系统、宽带跟踪接收机等现代微波/毫米波应用领域中，可调滤波器有着广泛的应用。传统可调滤波器通常利用YIG谐振器、有源谐振器或者变容器作为可调谐元件，但是往往获得较低的Q值，同时还有制造成本高、体积大、功耗高等缺点。随着MEMS技术的发展，MEMS开关以其低损耗、高线性度、极低功耗、体积小等优点逐渐在可调滤波器领域获得了广泛的研究和利用。电磁带隙结构(EBG)是一种周期性结构，可以阻止某一频率的电磁波传播，这种选频特性及其简单的结构非常适合制造高集成度微波滤波器。但是在现有的MEMS电磁带隙可调带阻滤波器中，由于MEMS开关电容的pull-in现象使其电容变化量较小，从而造成滤波器的调谐范围比较窄。以上因素限制了可调带阻滤波器在宽频带的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种性能优良的适合宽频段应用可调带阻滤波器，该滤波器通过MEMS开关对谐振单元的控制实现了滤波器中心频率大范围的调谐，并引入电磁带隙(EBG)结构获得了阻带内良好的隔离性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种应用于K波段的MEMS电磁带隙可调带阻滤波器，其特征是：共面波导中心传输线与共面波导地平面位于衬底上，其中共面波导中心传输线位于共面波导地平面的纵向中心线上，在共面波导地平面上与共面波导中心传输线相垂直的方向上刻有刻槽；一对T型线的横向端分别平行于共面波导中心传输线并对称的位于其两侧；一对T型线的纵向端分别位于共面波导中心传输线两侧的刻槽中，并沿远离共面波导中心传输线的方向延伸至与共面波导地平面相连接；一对空气桥两端横跨在刻槽靠近共面波导中心传输线的边缘开口上方，并与共面波导地平面相连；一对MEMS直接接触式开关组两端分别横跨在沿远离共面波导中心传输线方向的刻槽的两个末端，并与共面波导地平面相连；由所述的对称于共面波导中心传输线两侧的T型线、空气桥、MEMS直接接触式开关组构成的单元谐振电路沿共面波导中心传输线方向呈周期性排列。
所述的MEMS组直接接触式开关组包含有一个到十个MEMS直接接触式开关。
所述的MEMS组直接接触式开关组的每一个MEMS直接接触式开关在刻槽末端上方间隔排列，并且每一个MEMS直接接触式开关正下方有一对开关下电极位于刻槽中T型线纵向的两侧；每一个MEMS直接接触式开关通过其下方对应的开关下电极进行单独控制。
所述的开关下电极的材料为TaN或者SiCr，并通过高阻抗偏置线引出。
所述的MEMS组直接接触式开关组是有孔或者无孔结构。
所述的衬底为硅材料或者砷化镓材料。
所述的衬底与共面波导地平面、共面波导中心传输线以及刻槽之间有二氧化硅绝缘层。
所述的T型线、共面波导地平面、共面波导中心传输线、空气桥和MEMS直接接触式开关组的材料为金或者铜。
本发明与现有技术相比所具有的优点：
1、本发明所设计的MEMS电磁带隙可调带阻滤波器，MEMS直接接触式开关通过改变T型线的电长度进而改变谐振电感，从而改变滤波器的谐振频率，可以实现大范围的调谐功能；
2、本发明所设计的MEMS电磁带隙可调带阻滤波器，谐振单元由T型线的分布电感和电容构成，不需要额外设计电感和电容，降低了设计难度；
3、本发明所设计的MEMS电磁带隙可调带阻滤波器，谐振单元周期性排列所构成的电磁带隙结构有利于进一步提高滤波器的带阻性能，在阻带范围内实现更好的隔离性能；
4、本发明所设计的MEMS电磁带隙可调带阻滤波器，通过在刻槽靠近共面波导中心传输线的边缘开口处加入空气桥结构，在大于阻带谐振频率的通带范围内实现了对信号更小的衰减；
5、本发明所设计的MEMS电磁带隙可调带阻滤波器采用共面波导电路结构，电磁带隙结构也为平面紧凑型结构，通过微细加工制作，相对于微带线结构，本发明所设计的滤波器体积小、重量轻，更易于单片集成。
6、本发明所设计的MEMS电磁带隙可调带阻滤波器通过微细加工方法制备，相比于传统滤波器，具有体积小、可重复批量制造、成本低等优势。
附图说明
图1是本发明的电路结构立体图；
图2是本发明的电路结构俯视图；
图3是开关截面图；
图中：1为刻槽；2为空气桥；3为MEMS直接接触式开关组；4为共面波导地平面；5为共面波导中心传输线；6为衬底；7为二氧化硅绝缘层；8为T型线；9为开关下电极。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。
如图1和图2所示，分别为本发明实施例的一种应用于K波段的MEMS电磁带隙(EBG)可调带阻滤波器的立体图和俯视图；本实施例的衬底6选用相对介电系数11.9、厚度675μm的硅材料；共面波导中心传输线5和共面波导地平面4由厚度为2μm金属金层构成，并位于硅衬底6上，2μm金层的厚度大于K波段微波信号的趋肤深度，有利于降低传输线的导体损耗；其中面波导中心传输线5位于共面波导地平面4的纵向中心线上，本实施例选取共面波导中心传输线5的宽度为70μm，其两侧与共面波导地平面4的间隙宽度为115μm，该共面波导传输线结构在22GHz时的特征阻抗约为66.5Ω；共面波导地平面4、共面波导中心传输线5与硅衬底6之间通过热氧化或CVD形成的二氧化硅绝缘层7厚度为1μm，可以有利于减小衬底损耗；在共面波导地平面4上与共面波导中心传输线5相垂直的方向上刻有刻槽1，本实施例选取刻槽1长805μm宽115μm；一对T型线8的纵向端分别位于共面波导中心传输线5两侧的刻槽1中，并沿远离共面波导中心传输线5的方向延伸至与共面波导地平面4相连接；本实施例选取T型线8的纵向端部分长815μm宽30μm，该部分可以适当地引入串联电感；一对T型线8的横向端分别平行于共面波导中心传输线5并对称的位于其两侧；T型线8的横向端的部分长520μm宽20μm，该部分可以引入对传输线的分布电容，从而与以上引入的电感形成谐振回路，在以上结构尺寸基础上，单元谐振电路获得了22.4GHz的谐振频率。
一对MEMS直接接触式开关组3两端分别横跨在沿远离共面波导中心传输线5方向的刻槽1的两个末端，并与共面波导地平面4相连；本实施例中MEMS直接接触式开关组3距离T型线8的高度为2μm，长260μm宽50μm，MEMS直接接触式开关组3中可以包含一个到十个MEMS直接接触式开关，本实施例中优选取MEMS直接接触式开关组3包含有3个MEMS直接接触式开关；三个开关的排列间距为50μm；一对空气桥2两端横跨在刻槽1靠近共面波导中心传输线5的边缘开口正上方，并与共面波导地平面4相连；本实施例中空气桥2的高度为2μm，长260μm宽10μm；对称于共面波导中心传输线5两侧的T型线8、空气桥2、MEMS直接接触式开关组3构成单元谐振电路，这里取三个单元谐振电路沿共面波导中心传输线5方向以2740μm的周期进行排列，构成电磁带隙结构。
图3为MEMS直接接触式开关组3的截面图；在MEMS直接接触式开关组3中的每一个MEMS直接接触式开关的正下方有一对开关下电极9位于刻槽1中T型线8纵向的两侧；当直流偏置电压加于下电极9，MEMS直接接触式开关组3在静电力作用下被下拉至T型线8，从而在该开关位置处造成T型线8与共面波导地平面4短路，从而改变了T型线8沿刻槽1延伸部分的电长度，改变电感值从而改变谐振频率，电长度越短，电感值就越小，谐振频率就越高。
在该实施例中，当没有MEMS直接接触式开关组3被下拉时，谐振频率22.6GHz处的隔离度为-30.4dB，当MEMS直接接触式开关组3以离开共面波导中心传输线5由远到近的顺序依次下拉时，谐振频率依次为24.7GHz、26.4GHz和28.7GHz，谐振频率处的隔离度依次为-39.2dB、-53.1dB和-54.5dB；本实施例的滤波器可以实现大范围的调谐功能；且谐振单元通过周期性排列构成电磁带隙结构有利于进一步提高滤波器的带阻性能，在阻带范围内实现更好的隔离性能。
本实施例中所涉及的组件的尺寸不对组件起限制作用，只起解释说明的作用，本发明所保护的范围以权利要求的内容为准。
Claims (8)
1、一种应用于K波段的MEMS电磁带隙可调带阻滤波器，其特征是：共面波导中心传输线(5)与共面波导地平面(4)位于衬底(6)上，其中共面波导中心传输线(5)位于共面波导地平面(4)的纵向中心线上，在共面波导地平面(4)上与共面波导中心传输线(5)相垂直的方向上刻有刻槽(1)；一对T型线(8)的横向端分别平行于共面波导中心传输线(5)并对称的位于其两侧；一对T型线(8)的纵向端分别位于共面波导中心传输线(5)两侧的刻槽(1)中，并沿远离共面波导中心传输线(5)的方向延伸至与共面波导地平面(4)相连接；一对空气桥(2)两端横跨在刻槽(1)靠近共面波导中心传输线(5)的边缘开口上方，并与共面波导地平面(4)相连；一对MEMS直接接触式开关组(3)两端分别横跨在沿远离共面波导中心传输线(5)方向的刻槽(1)的两个末端，并与共面波导地平面(4)相连；由所述的对称于共面波导中心传输线(5)两侧的T型线(8)、空气桥(2)、MEMS直接接触式开关组(3)构成的单元谐振电路沿共面波导中心传输线(5)方向呈周期性排列。
2、根据权利要求1所述的一种K波段MEMS电磁带隙可调带阻滤波器，其特征在于：所述的MEMS组直接接触式开关组(3)包含有一个到十个MEMS直接接触式开关。
3、根据权利要求1所述的一种K波段MEMS电磁带隙可调带阻滤波器，其特征在于：所述的MEMS组直接接触式开关组(3)的每一个MEMS直接接触式开关在刻槽(1)末端上方间隔排列，并且每一个MEMS直接接触式开关正下方有一对开关下电极(9)位于刻槽(1)中T型线(8)纵向的两侧；每一个MEMS直接接触式开关通过其下方对应的开关下电极(9)进行单独控制。
4、根据权利要求3所述的开关下电极，其特征在于：所述的开关下电极(9)的材料为TaN或者SiCr，并通过高阻抗偏置线引出。
5、根据权利要求1所述的一种K波段MEMS电磁带隙可调带阻滤波器，其特征在于：所述的MEMS组直接接触式开关组(3)是有孔或者无孔结构。
6、根据权利要求1所述的一种K波段MEMS电磁带隙可调带阻滤波器，其特征在于：所述的衬底(6)为硅材料或者砷化镓材料。
7、根据权利要求1所述的一种K波段MEMS电磁带隙可调带阻滤波器，其特征在于：在所述的衬底(6)与共面波导地平面(4)、共面波导中心传输线(5)以及刻槽(1)之间有二氧化硅绝缘层(7)。
8、根据权利要求1所述的一种K波段MEMS电磁带隙可调带阻滤波器，其特征在于：所述的T型线(8)、共面波导地平面(4)、共面波导中心传输线(5)、空气桥(2)和MEMS直接接触式开关组(3)的材料为金或者铜。
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| CN101359760B (zh) | 2012-04-18 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120418 Termination date: 20150918 |
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