CN101777882A - X波段三位mems可调带通滤波器 - Google Patents

Abstract

X波段三位MEMS可调带通滤波器，属于电子科学技术领域，涉及MMIC和MEMS。包括两个输入或输出端口、两个匹配电容网络C_M和两个LC谐振器；整个滤波器相对于两个LC谐振器的耦合中心线呈镜面对称结构；LC谐振器由正方形微带开口环和嵌入到开口中的谐振电容网络C_L构成；电容网络采用RF-MEMS工艺实现，采用三个直流偏压控制的MEMS开关来改变电容网络三条支路的电容大小，进而实现滤波器中心工作频率的改变。本发明可实现8个可调中心频率点，具有插入损耗小、Q值大、结构紧凑体积小，而且下拉电压低的特点，可应用于各种X波段通信设备中。

Description

X波段三位MEMS可调带通滤波器

技术领域

本发明属于电子科学技术领域，涉及微波毫米波集成电路(MMIC)和微机电系统(MEMS)，具体是指一种X波段可调带通滤波器。

背景技术

滤波器在微波通信、微波导航、遥测遥控、卫星通信以及军事电子对抗领域的需求量不断增大，对于通信系统而言，滤波器更是一种至关重要的射频器件。传统的可调滤波器一般用YIG(钇铁石榴石)振荡器或固态可调电抗元件作为调谐元件。YIG振荡器Q值高，而且有很宽的频率调谐范围，但是它的体积很大，功率消耗大(0.75-3W)，线性度不高(IIP3≈23-26dBm)；固态可调电抗元件有很宽的频率调谐范围，体积也可以做得很小，但固态可调电抗元件在微波、毫米波段损耗大，这是由于二极管的串联电阻大而造成的，另外固态可调电抗元件的线性度也不够高。

基于MEMS技术的可调谐滤波器因为引入了MEMS开关或MEMS可变电抗元件，所以与传统的可调滤波器相比，MEMS可调滤波器往往具有较小的体积、较低的功率损耗和插入损耗、较高的Q值和线性度(IIP3＞40dBm)。MEMS可调滤波器按调谐方式可分为连续可调型和数字可调型两类。连续可调型MEMS滤波器利用MEMS连续可调电抗元件实现，所以滤波器中心频率连续可调。它的缺点是频率调谐范围受限，一般为5％-15％。数字可调型MEMS滤波器利用MEMS数字可调电抗元件实现，所以只能实现有限个离散中心频率(带宽)。但它的频率调谐范围大，一般为20％-60％。另外，数字可调型MEMS滤波器对偏置、布朗噪声不敏感；滤波器的中心频率容易确定，而且温漂小。但目前已有的MEMS可调滤波器所实现的可调中心频率点没有规律，没有明确的应用方向。Q值不够高，结构不紧凑导致体积仍然难以满足雷达接收机、无线通信系统的要求。而且下拉电压过大(20V～80V)，难以和电子通信系统兼容。

发明内容

本发明提供一种X波段三位MEMS可调滤波器，该滤波器可实现8个可调中心频率点，具有插入损耗小、Q值大、结构紧凑体积小，而且下拉电压低的特点，可应用于各种X波段通信设备中。

本发明技术方案如下：

一种X波段三位MEMS可调滤波器，如图1、2所示，包括集成于同一芯片上的两个输入或输出端口、两个匹配电容网络C_M和两个LC谐振器；第一输入或输出端口通过第一匹配电容网络C_M与第一LC谐振器相连；第二输入或输出端口通过第二匹配电容网络C_M与第二LC谐振器相连；第一LC谐振器与第二LC谐振器耦合相连；整个滤波器相对于两个LC谐振器的耦合中心线呈镜面对称结构。

所述输入或输出端口为渐变式微带线。

所述LC谐振器由一个正方形微带开口环和一个谐振电容网络C_L构成；其中，正方形微带开口环的一端在水平方向上与匹配电容网络C_M相连、在垂直方向上与正方形微带开口环另一端之间形成开口，开口中嵌入谐振电容网络C_L。

所述匹配电容网络C_M和谐振电容网络C_L的电路结构相同，包括三条并联支路，第一支路由固定电容C₁₁和MEMS开关K₁串联，第二支路由固定电容C₂₁、C₂₂并联后与MEMS开关K₂串联，第三支路由固定电容C₃₁、C₃₂、C₃₃并联后与MEMS开关K₃串联；第一直流偏置电压Vb1施加于MEMS开关K₁上，第二直流偏置电压Vb2施加于MEMS开关K₂上，第三直流偏置电压Vb3施加于MEMS开关K₃上。

所述匹配电容网络C_M和谐振电容网络C_L采用MEMS工艺制作于衬底13上，每个电容网络包括三条相互平行的下电极板4；第一下电极板4上方横跨一条电容上电极板5和一条MEMS开关上电极板3；第二下电极板4上方横跨两条电容上电极板5和一条MEMS开关上电极板3；第三下电极板4上方横跨三条电容上电极板5和一条MEMS开关上电极板3；所有电容上电极板5两端固定连接在上电极板支撑金属结构6上；所有MEMS开关上电极板3两端通过弹性弯曲金属梁11连接在MEMS开关上电极板支撑金属结构7上。

第一、第二和第三下电极板4分别通过一根直流偏置线14输入第一、第二和第三直流偏置电压Vb1、Vb2和Vb3；MEMS开关上电极板3通过一根直流偏置线14与直流偏置电压地电位相连；电容上电极板5和MEMS开关上电极板3作为电容网络的输入输出端连接交流信号。

电容网络中的下电极板4的上表面具有绝缘介质层12(如图5所示)；所述绝缘介质层12为二氧化硅介质层。

本发明工作原理是：

该可调滤波器通过两个加载了可调电容的二分之一波长微带谐振器相互耦合而构成。该滤波器的拓扑结构如图1所示。调整谐振电容网络C_L的容值大小即可改变滤波器的中心频率。在改变谐振电容网络C_L容值大小的同时必须调整匹配电容网络C_M的容值大小，以保证滤波器输入输出端口一直保持良好的匹配状态。谐振电容网络C_L和匹配电容网络C_M都是采用RF-MEMS电容网络来实现。通过给偏置线加载不同的直流电压，来改变电容网络中可调电容C₁₀、C₂₀和C₃₀的大小，进而改变电容网络的电容值的大小。

该滤波器的等效电路如图6所示。图1中的两个二分之一波长微带谐振器分别用两个LC并联谐振网络表示，调整谐振电容网络C_L的容值的大小即可改变并联谐振网络的谐振频率，进而改变滤波器的中心频率。两个并联谐振网络之间的间隙耦合结构用导纳转换器J12表示。输入端和输出端的匹配电容网络C_M和馈线分别构成了J01和J23。调整匹配电容网络C_M的容值大小即可改变谐振网络与外部电路的匹配程度。Ga和Gb表示源和负载导纳。三个导纳变换器的导纳分别为

$J_{01}=\sqrt{\frac{\mathrm{Ga}{B}_{1}W}{g_0{g}_1}}$

$J_{12}=W\sqrt{\frac{B_1{B}_2}{g_1{g}_2}}$

$J_{23}=\sqrt{\frac{\mathrm{Gb}{B}_{2}W}{g_2{g}_3}}$

其中相对带宽 $W=\frac{w_2-w_1}{w_0}.$ 第j(j＝1、2)个谐振器的电钠斜率参数为 $B_j=\frac{w_0}{2}\frac{d\left(\mathrm{lm}{Y}_j\right)}{\mathrm{dw}}{|}_{w=w0}.$

定义滤波器的外界Q值为Q_e，耦合系数为k₁₂，则滤波器正常工作时需满足以下条件：

${\left(\mathrm{Qe}\right)}_a=\frac{B_1}{{J_{01}}^2/\mathrm{Ga}}=\frac{g_0{g}_1}{W}$

${\left(\mathrm{Qe}\right)}_b=\frac{B_2}{{J_{23}}^2/\mathrm{Gb}}=\frac{g_2{g}_3}{W}$

$k_{12}=\frac{J_{12}}{\sqrt{B_1{B}_2}}$

以上公式中，电钠斜率参数B1和B2由微带耦合谐振器的物理尺寸和C_L和C_M共同决定。

电容网络中，可变电容的下电极板4加载直流偏置电压时，下拉电压公式可以表述为： $V_p=\sqrt{\frac{8k}{27{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{Ww}}{h}^3},$ 其中，k为上电极板5和弹性弯曲结构11组成的复合结构的弹性系数，ε₀为真空介电常数，W为下电极板4的宽度，w为上电极板5的宽度，h为上下电极板之间的初始距离。

本发明具有以下创新点：

1.采用三位电容网络实现X波段8个中心频率点的可调带通滤波器。传统MEMS可调滤波器中心频率点任意分布，没有明确的应用方向。本发明通过设计实现8个中心频率点8GHz，8.5GHz，9.0GHz，9.5GHz，10.0GHz，10.5GHz，11GHz和11.5GHz可调。带内插损小，带外衰减大。

2.设计加载MEMS电容网络的微带谐振环，使结构更为紧凑。

3.采用的三位电容网络中，可调电容采用MEMS开关实现，由于MEMS开关插入损耗非常小使得本发明具有很高的Q值。

4.采用弹性弯曲结构11。传统固支梁结构的弹性系数较大，故而下拉电压过高，本发明采用弹性弯曲结构11，降低了弹性系数。

弹性系数可以表述为： $k=\frac{2\mathrm{Ew}{\left(\frac{t}{a}\right)}^3}{1+\left[\frac{b}{a}({\left(\frac{b}{a}\right)}^2+\frac{12(1+v)}{1+{\left(\frac{w}{t}\right)}^2})\right]}$

其中，E为上电极板5的杨氏模量，t为上电极板5的厚度，

是上电极板5的泊松比，a、b和w分别为弹性弯曲结构11弯曲的跨度、长度和宽度。

附图说明

图1是本发明所提供的X波段三位MEMS可调滤波器拓扑结构示意图。

图2是本发明所提供的X波段三位MEMS可调滤波器的结构示意。

图3是本发明所提供的X波段三位MEMS可调滤波器中电容网络结构图。

图4是本发明所提供的X波段三位MEMS可调滤波器中电容网络的电路原理图。

图5是图3中A-B截面结构剖面图。

图6是本发明所提供的X波段三位MEMS可调滤波器的等效电路图。

图7是本发明所提供的X波段三位MEMS可调滤波器的前四个中心频点的S参数曲线。

图8是本发明所提供的X波段三位MEMS可调滤波器的后四个中心频点的S参数曲线。

具体实施方式

一种X波段三位MEMS可调滤波器，如图1、2所示，包括集成于同一芯片上的两个输入或输出端口、两个匹配电容网络C_M和两个LC谐振器；第一输入或输出端口通过第一匹配电容网络C_M与第一LC谐振器相连；第二输入或输出端口通过第二匹配电容网络C_M与第二LC谐振器相连；第一LC谐振器与第二LC谐振器耦合相连；整个滤波器相对于两个LC谐振器的耦合中心线呈镜面对称结构。

所述输入或输出端口为渐变式微带线。

所述LC谐振器由一个正方形微带开口环和一个谐振电容网络C_L构成；其中，正方形微带开口环的一端在水平方向上与匹配电容网络C_M相连、在垂直方向上与正方形微带开口环另一端之间形成开口，开口中嵌入谐振电容网络C_L。

所述匹配电容网络C_M和谐振电容网络C_L的电路结构相同，包括三条并联支路，第一支路由固定电容C₁₁和MEMS开关K₁串联，第二支路由固定电容C₂₁、C₂₂并联后与MEMS开关K₂串联，第三支路由固定电容C₃₁、C₃₂、C₃₃并联后与MEMS开关K₃串联；第一直流偏置电压Vb1施加于MEMS开关K₁上，第二直流偏置电压Vb2施加于MEMS开关K₂上，第三直流偏置电压Vb3施加于MEMS开关K₃上。

所述匹配电容网络C_M和谐振电容网络C_L采用MEMS工艺制作于衬底13上，每个电容网络包括三条相互平行的下电极板4；第一下电极板4上方横跨一条电容上电极板5和一条MEMS开关上电极板3；第二下电极板4上方横跨两条电容上电极板5和一条MEMS开关上电极板3；第三下电极板4上方横跨三条电容上电极板5和一条MEMS开关上电极板3；所有电容上电极板5两端固定连接在上电极板支撑金属结构6上；所有MEMS开关上电极板3两端通过弹性弯曲金属梁11连接在MEMS开关上电极板支撑金属结构7上。

第一、第二和第三下电极板4分别通过一根直流偏置线14输入第一、第二和第三直流偏置电压Vb1、Vb2和Vb3；MEMS开关上电极板3通过一根直流偏置线14与直流偏置电压地电位相连；电容上电极板5和MEMS开关上电极板3作为电容网络的输入输出端连接交流信号。

电容网络中的下电极板4的上表面具有绝缘介质层12(如图5所示)；所述绝缘介质层12为二氧化硅介质层。

上述方案中，各部分具体尺寸如下：

渐变式微带线线宽0.8mm，直线部分长1mm，渐变部分长0.3mm。LC谐振器中，正方形微带开口环线宽0.8mm，两个正方形微带开口环相距0.5mm。电容网络中，上电极板5的宽度为70μm，下电极板宽度为70μm，上电极板厚度为1.5μm，下电极板厚度为2μm。绝缘层12厚度为0.1μm，上下电极板之间的距离为2μm。弹性弯曲结构11的跨度为25μm，长度为70μm，线宽为5μm。

性能参数图片如图7和图8所示，图中实线表示S₂₁，虚线表示S₁₁。S参数的具体数值见下表。该可调滤波器在8～11.5GHz内完成了8频点相互切换的功能，在整个频段内带内插入损耗小于1dB，回波损耗小于-20dB，相对带宽很小，且基本保持不变(5％～7％)。由此可见该可调滤波器实现了优异的性能。

中心频率(GHz)	8.0	8.5	9.0	9.5	10.0	10.5	11.0	11.5
									带内插损(dB)	＞-0.05	＞-0.03	＞-0.15	＞-0.24	＞-0.47	＞-0.62	＞-0.87	＞-0.93
回波损耗(dB)	＜-32	＜-32	＜-33	＜-25	＜-30	＜-22	＜-22	＜-20

Claims (3)

1.一种X波段三位MEMS可调滤波器，包括集成于同一芯片上的两个输入或输出端口、两个匹配电容网络C_M和两个LC谐振器；第一输入或输出端口通过第一匹配电容网络C_M与第一LC谐振器相连；第二输入或输出端口通过第二匹配电容网络C_M与第二LC谐振器相连；第一LC谐振器与第二LC谐振器耦合相连；整个滤波器相对于两个LC谐振器的耦合中心线呈镜面对称结构；

所述输入或输出端口为渐变式微带线；

所述LC谐振器由一个正方形微带开口环和一个谐振电容网络C_L构成；其中，正方形微带开口环的一端在水平方向上与匹配电容网络C_M相连、在垂直方向上与正方形微带开口环另一端之间形成开口，开口中嵌入谐振电容网络C_L；

所述匹配电容网络C_M和谐振电容网络C_L的电路结构相同，包括三条并联支路，第一支路由固定电容C₁₁和MEMS开关K₁串联，第二支路由固定电容C₂₁、C₂₂并联后与MEMS开关K₂串联，第三支路由固定电容C₃₁、C₃₂、C₃₃并联后与MEMS开关K₃串联；第一直流偏置电压Vb1施加于MEMS开关K₁上，第二直流偏置电压Vb2施加于MEMS开关K₂上，第三直流偏置电压Vb3施加于MEMS开关K₃上；

所述匹配电容网络C_M和谐振电容网络C_L采用MEMS工艺制作于衬底(13)上，每个电容网络包括三条相互平行的下电极板(4)；第一下电极板(4)上方横跨一条电容上电极板(5)和一条MEMS开关上电极板(3)；第二下电极板(4)上方横跨两条电容上电极板(5)和一条MEMS开关上电极板(3)；第三下电极板(4)上方横跨三条电容上电极板(5)和一条MEMS开关上电极板(3)；所有电容上电极板(5)两端固定连接在上电极板支撑金属结构(6)上；所有MEMS开关上电极板(3)两端通过弹性弯曲金属梁(11)连接在MEMS开关上电极板支撑金属结构(7)上；

第一、第二和第三下电极板(4)分别通过一根直流偏置线(14)输入第一、第二和第三直流偏置电压Vb1、Vb2和Vb3；MEMS开关上电极板(3)通过一根直流偏置线(14)与直流偏置电压地电位相连；电容上电极板(5)和MEMS开关上电极板(3)作为电容网络的输入输出端连接交流信号。

2.根据权利要求1所述的X波段三位MEMS可调滤波器，其特征在于，电容网络中的下电极板(4)的上表面具有绝缘介质层(12)。

3.根据权利要求2所述的X波段三位MEMS可调滤波器，其特征在于，所述绝缘介质层(12)为二氧化硅介质层。

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