CN101777677A - 基于mems技术的可调带通滤波器 - Google Patents

Abstract

基于MEMS(微电子机械系统)技术制作的可调带通滤波器属于RF MEMS(射频微电子机械系统)领域。共面波导的信号线被切断可以使大部分频率段阻断，共面波导信号线和地在厚度上满足一定不同值，且在被切断信号线上方加载MEMS开关是带通滤波器可调的关键所在，a)共面波导信号线特征，若信号线没有被切断，则不能构成带通滤波器；b)共面波导信号线和地厚度特征，若信号线和地的厚度没有满足一定不同值，则中心频率的调节范围将很小；c)MEMS开关高度的连续变化使得带通滤波器连续可调。

Description

基于MEMS技术的可调带通滤波器

技术领域：

本发明涉及一种能够适用于射频中不同频段的选择，主要应用在军事通信等，属于RFMEMS(射频微电子机械系统)器件制造领域。

背景技术：

基于MEMS技术的可调带通滤波器结构，目前应用的可调滤波器结构，技术方案和设计方法为本领域的技术人员所掌握。存在不足之处为，可调滤波器在射频段的可调范围不大，即使可调，其插入损耗和回波损耗以及滤波性能都不尽人意，很难实现连续可调。因此，很难实现在各种射频通信设备和军事等应用上的要求。

发明内容：

为了解决背景技术中存在的不足，本发明设计是基于MEMS技术的可调带通滤波器结构，满足了在不同的射频段选频的要求。所设计的可调带通滤波器实现了插入损耗小及射频段大范围连续可调。

为了实现这一目标，本发明利用MEMS技术和射频技术，设计出的可调带通滤波器，该滤波器的可调范围在6G左右，插入损耗小于1.5dB，回波损耗大于10dB。

在共面波导信号线的中间部位(3)切断，在切断部位的两边地上跨接一个MEMS开关(9)，MEMS开关(9)的面积必须大于被切断的信号线部分的面积，同时MEMS开关(9)对地(2)覆盖的面积必须大于MEMS开关(9)对信号线(1)和衬底(10)的覆盖面积，跨接在信号线(1)两边地上的MEMS开关(9)，其一端直接接地，另一端通过介质(8)隔离绝缘。MEMS开关高度(6)与地减信号线的厚度(5)的比值小于1.5，信号线的厚度(4)与地的厚度(11)比值不大于0.2。在信号线和地之间加载可调节的直流电压用于改变MEMS开关高度(6)的高度。同时MEMS开关(9)、信号线(1)和地(2)用的材料为电导率高的金属材料。技术方案：

基于MEMS技术的可调带通滤波器结构，主要的结构是共面波导(1)，信号线切断部分(3)，MEMS开关(9)，介质绝缘体(8)。对信号线中间部位(3)切断的作用在于，使大部分的频率信号被阻断，部分频率信号耦合通过；MEMS开关(9)的作用是加大耦合的强度，使更多的频率信号耦合通过，选择合适的尺寸，则可得到特定的滤波器；MEMS开关(9)的另一个用途是，通过MEMS开关高度(6)的连续调节，可使带通滤波器的通带中心频率连续变化，而MEMS开关高度(6)变化是通过加载在信号线和地之间的可调直流电压来控制的，这样就构成了一个通过改变直流电压来改变通带中心频率的滤波器，即可调带通滤波器。

如何使MEMS开关高度(6)的调节范围大，那么信号线(1)，地(2)及MEMS开关(9)又需要满足什么条件？首先必须考虑MEMS开关的下塌效应，即当开关上极板下拉高度超过开关两极板高度的1/3时，就会出现不稳定状态。所以在设计时，MEMS开关高度(6)与地减信号线的厚度(5)的比值小于1.5，这样MEMS开关在高度(6)的范围内可以实现至少一半高度范围的可控制，若MEMS开关高度(6)与地减信号线的厚度(5)的比值不大于0.5时，则MEMS开关在高度(6)的范围内可以实现全程可控。为了避免地(2)和信号线(1)的金属层厚度过厚，则信号线的厚度(4)与地的厚度(11)比值不大于0.2。

MEMS开关(9)的面积大于信号线中间部位切断部分的面积，这是为了使部分频率信号可以耦合通过，且MEMS开关(9)覆盖地的面积大于对信号线(1)和衬底(10)的覆盖面积。同时为了减小损耗，金属材料采用电阻率小的金属，衬底采用损耗小的材料，如高祖硅，石英玻璃等。

附图说明：

图1是切断信号线的共面波导俯视图，结构(1)为共面波导信号线，结构(2)为地，结构(3)为刻蚀掉的信号线部分，

图2是加载了MEMS开关可调带通滤波器的立体图，

图3是MEMS开关的剖面图，结构(4)为信号线，(5)为地厚度与信号线厚度之差，(6)为MEMS开关相对地的高度，(7)为MEMS开关相对信号线的高度，结构(8)介质绝缘层，结构(9)为MEMS开关，结构(10)为衬底，(11)为地的厚度。

图4为可调带通滤波器的插入损耗，1.5um，1um，0.7um分别表示MEMS开关高度(6)为不同值，及其对应的插入损耗曲线，

图5为可调带通滤波器的回波损耗，1.5um，1um，0.7um分别表示MEMS开关高度(6)为不同值，及其对应的回波损耗曲线。

具体实施方式：

在1-35Ghz的频段范围，基于MEMS技术的可调带通滤波器结构，中间信号线部位被切断，且在其上方跨接一个MEMS开关，通带的带宽和中心频点根据结构(9)和结构(3)的各个尺寸大小而定

a)在其他状态不变时，若按比例减小结构(9)的面积，则通带的中心频点向更低频率移动，增大结构(4)的面积，则通频带的中心频点向更高频率移动；

b)在其他状态不变时，若减小(6)的高度，则通频带的中心频点向更低频率移动，若增大(6)的高度，则通频带的中心频点向更高频率移动；

c)在其他状态不变时，若减小结构(3)的宽度，则被阻的频率段向更低频率移动，若增大结构(3)的宽度，则被阻的频率段向更高频率移动。

MEMS开关高度(6)与高度(5)的比例对带通的中心频点调节范围具有重要影响，具体为，

a)当比例为1.5时，MEMS开关高度(6)可半程可控，则带通的中心频点可以移动的范围为6G，比例大于1.5时中心频点移动范围小于6G，反之大于6G；

b)当比例不大于0.5时，MEMS开关高度(6)可全程可控，则带通的中心频点可以移动的范围为10G。

同时信号线的厚度(4)与地的厚度(11)比值不大于0.2，此目的是为了防止金属层厚度过厚。

所以不同的需求对应不同的结构。

结合附图1-3对本发明的实施例叙述如下。

基于MEMS技术的可调带通滤波器结构：主要的结构是共面波导(1)，信号线切断部分(3)，MEMS开关(9)，介质绝缘体(8)。以上的四种结构在这里选择一种尺寸组合进行实施例说明：

当图1结构的尺寸为(下面数据单位为微米)

a＝2000  b＝130  G＝20  S＝200

当图2构的尺寸为(下面数据单位为{微米^2})

MEMS开关面积为440×365

当图1结构的尺寸为(下面数据单位为微米)

衬底(石英玻璃)厚度(10)为380，地金属层厚度(11)为1.2，信号线厚度(4)为0.2，MEMS开关相对地的高度(6)为1.5

此时滤波器的仿真图为：

图4和图5中MEMS开关相对地的高度(6)为1.5微米时的仿真曲线，中心频点为19GHz，-3dB带宽为3GHz左右；

当其他结构尺寸不变，MEMS开关相对地的高度(6)改变为1微米时，其仿真图为图4和图5中MEMS开关相对地的高度(6)为1微米时的仿真曲线，中心频点为16GHz，-3dB带宽为2.9GHz左右；同理其他结构尺寸不变，MEMS开关相对地的高度(6)改变为0.7微米时，其仿真图为图4和图5中MEMS开关相对地的高度(6)为0.7微米时的仿真曲线，中心频点为13GHz，-3dB带宽为2.7GHz左右.

可见，通过MEMS开关高度(6)的调节可以是通带的中心频点发生移动。

上述仅为一个例子，若想得到不同带通滤波器，可以根据具体实施方式调整不同参数。

Claims (4)

1.基于MEMS(微电子机械系统)技术的可调带通滤波器结构，包括共面波导结构，MEMS开关，其特征在于共面波导信号线(1)的中间部位(3)被切断；在信号线部位(3)上方加载MEMS开关(9)；MEMS开关高度(6)通过加载在信号线和地之间的直流电压不同来调节。

2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS技术的可调带通滤波器结构，其特征在于信号线的厚度(4)与地的厚度(11)不相等；MEMS开关高度(6)与尺寸(5)的比值和MEMS开关(6)高度调节有关联，比值不大于0.5时可以使MEMS开关高度(6)全程可控，比值大于0.5时MEMS开关高度(6)不可全程可控；。

3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS技术的可调带通滤波器结构，其特征在于MEMS开关(9)跨接于信号线两边的地上，其中一端直接接地，另一端通过介质(8)与地隔离绝缘。

4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS技术的可调带通滤波器结构，其特征在于MEMS开关(9)的面积大于信号线中间部位切断部分的面积，且MEMS开关(9)对地覆盖的面积大于对信号线(1)和对衬底(10)的覆盖面积之和。

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