CN209016239U - 一种基于射频mems开关的可调滤波器 - Google Patents

一种基于射频mems开关的可调滤波器 Download PDF

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吴倩楠
李孟委
刘秋慧
郭欣榕
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本实用新型属于电子元器件技术领域,具体涉及一种基于射频MEMS开关的可调滤波器,至少三个射频MEMS开关,所述射频MEMS开关包括衬底、微波传输线、驱动电极、固定锚点及上电极,所述衬底一侧面上设置所述微波传输线,并在所述微波传输线上通过固定锚点设置所述上电极,在所述上电极下方设置所述驱动电极;至少三个带通滤波器,所述上电极与所述微波传输线连接的一端上设置所述带通滤波器,并通过可调中心频率,限定所述射频MEMS开关的工作频率。本实用新型可实现三个可调中心频率点,具有结构简单、体积小、易集成、应用范围广的特点,可应用于多频带的通信设备中。

Description

一种基于射频MEMS开关的可调滤波器
技术领域
本实用新型属于电子元器件技术领域,具体涉及一种基于射频MEMS开关的可调滤波器。
背景技术
在现代通信系统中,基于射频MEMS开关的可调滤波器是关键的射频器件之一,可以有效滤除各频段的噪声和各种无用信号、降低频道间干扰,保障通信设备正常工作,实现高质量通信。因此,基于射频MEMS开关的可调滤波器广泛应用于包括雷达、智能弹药、卫星、单兵作战系统、舰船及广播电视上的射频前端。
在欧美、日本等国家,已经制造出了可以商用的一些可调滤波器产品,实现带通滤波器2中心频率在特定范围内可调。国内起步较晚但发展较快,基于射频MEMS开关的可调滤波器研究主要集中在清华大学、北京大学、北京邮电大学、东南大学、中北大学、中电13所、中科院微电子所等,许多设计理论、仿真方法、制造工艺技术和器件的测试方法等技术的研究和开发工作得到世界同行的承认。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,但YIG振荡器的体积很大,功率消耗大,线性度不高,而固态可调电抗元件在微波、毫米波段虽然体积小,但损耗大,线性度也不够高。基于射频MEMS技术的可调带通滤波器2,由于其体积小、集成度高、调节方便、选择性好,因此基于射频MEMS开关的可调滤波器在远距离通信及各种信号处理方面具有重要应用价值。目前已有的MEMS可调滤波器插入损耗较差,结构不紧凑,体积大,难以和电子通信系统兼容,无法满足雷达接收机、无线通信系统等的要求。例如加拿大滑铁卢大学利用0.35μm CMOS工艺设计的RF MEMS可调带通滤波器2通过偏置电压控制MEMS可变电容器的高度来从而调节滤波器的中心频率,设计的中心频率为9.5GHz,插入损耗为5.66dB。Reid J R等人设计的基于CPW的RF MEMS可调滤波器的尺寸为6.55mm×2.8mm×0.8mm。
一种基于射频MEMS开关的可调滤波器,可实现三个可调中心频率点,具有结构简单、体积小、易集成、应用范围广的特点,可应用于多频带的通信设备中。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对背景技术的不足,设计一种基于射频MEMS开关的可调滤波器,以实现三个可调中心频率点,具有结构简单、体积小、易集成、应用范围广的特点,可应用于多频带的通信设备中。
本实用新型的具体技术方案如下:一种基于射频MEMS开关的可调滤波器,所述可调滤波器包括:
至少三个射频MEMS开关,所述射频MEMS开关包括衬底、微波传输线、驱动电极、固定锚点及上电极,所述衬底一侧面上设置所述微波传输线,并在所述微波传输线上通过固定锚点设置所述上电极,在所述上电极下方设置所述驱动电极;
至少三个带通滤波器,所述上电极与所述微波传输线连接的一端上设置所述带通滤波器,并通过可调中心频率,限定所述射频MEMS开关的工作频率。
进一步地,所述微波传输线包括至少一条信号线、至少两条共面波导地线,所述信号线两侧对称平行设置所述共面波导地线;
所述上电极一端与所述共面波导地线连通,另一端横跨过所述信号线后,位于另一所述共面波导地线上方位置。
进一步地,所述信号线上设有至少三处缺口,在所述三次缺口内分别设置有对应的驱动电极,在所述缺口的上表面设置有介质层,并在所述驱动电极上方设置所述上电极。
进一步地,所述上电极为矩形桥结构,所述上电极与所述驱动电极对应的一侧面均匀开设有释放孔,形成释放孔阵列。
进一步地,所述带通滤波器为滤波器,所述滤波器设置在所述上电极与所述共面波导地线连通的一端上。
进一步地,所述带通滤波器的三个可调中心频率点分别为8.5GHz,9GHz,9.5GHz;
其中插入损耗分别为2.2dB@8.5GHz,1.2dB@9GHz,2.2dB@9.5GHz。
进一步地,所述衬底11包括石英玻璃、高阻硅材料,所述基于射频MEMS开关的可调滤波器的整体尺寸不大于4mm×4mm×1mm。
进一步地,所述释放孔直径大小为6-10μm,所述释放孔阵列包括至少4排,并垂直于所述信号线的长度方向进行排列,任意一排的释放孔数量为6-12个,相邻释放孔间距为10-20μm。
有益效果
本实用新型与背景技术相比具有明显的先进性,由三个射频MEMS开关和三个带通滤波器组成,通过控制三个射频MEMS开关的导通与断开来实现滤波器中心工作频率的改变。本实用新型可实现三个可调中心频率点,具有结构简单、体积小、易集成、应用范围广的特点,可应用于多频带的通信设备中。
附图说明
图1为所述基于射频MEMS开关的可调滤波器的整体结构图;
图2为所述基于射频MEMS开关的可调滤波器的整体结构俯视图;
图3为所述基于射频MEMS开关的可调滤波器的衬底结构俯视图;
图4为所述基于射频MEMS开关的可调滤波器的插入损耗仿真图。
图中所示,附图标记清单如下:
1-射频MEMS开关;2-带通滤波器;11-衬底;12-微波传输线;13-驱动电极;14-介质层;15-固定锚点;16-上电极;17-释放孔;21-第一带通滤波器;22-第二带通滤波器;23-第三带通滤波器;121-信号线;122-共面波导地线;131-第一驱动电极;132-第二驱动电极;133第三驱动电极;141-第一介质层;142-第二介质层;143-第三介质层;161-第一上电极;162-第二上电极;163-第三上电极;1221-第一共面波导地线;1222-第二共面波导地线。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本实用新型,而不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本实用新型和简化描述,而不是指示或暗示所指的组合或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本实用新型的限制。另外,本实用新型实施例的描述过程中,所有图中的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等器件位置关系,均以图1为标准。
以下结合附图对本实用新型做进一步说明:
如图1、2、3所示,为本实用新型第一实施例的整体结构示意图及俯视图示意图,该实施例提供了一种基于射频MEMS开关的可调滤波器,所述可调滤波器包括至少三个射频MEMS开关1、至少三个带通滤波器2,通过控制三个射频MEMS开关的导通与断开来实现滤波器中心工作频率的改变,当处在同一路的开关导通时,信号从该路滤波器通过。
在本实施例中,所述射频MEMS开关1包括衬底11、微波传输线12、驱动电极13、介质层14、固定锚点15、上电极16;所述衬底11为长方体结构,所述衬底11包括但不限于石英玻璃、高阻硅材料,所述基于射频MEMS开关的可调滤波器的整体尺寸不大于4mm×4mm×1mm;
在其他实施例中,所述衬底11仅以实现导电率低,并传输射频信号时的低损耗的效果,在此不具体限定所述衬底11的形状结构,及材料;
在所述衬底11上设置所述微波传输线12、及驱动电极13,所述微波传输线12包括至少一条信号线121、至少两条共面波导地线122,所述信号线121两侧对称设置所述共面波导地线122,所述信号线121、共面波导地线122平行设置在所述衬底11表面;
所述信号线121上设有三处缺口,在所述三次缺口的两侧分别设置有对应的驱动电极13,在所述缺口的表面设置有所述介质层14,并在所述驱动电极13上方设置所述上电极16;
所述上电极16为矩形桥结构,所述上电极16一端通过固定锚点15与所述共面波导地线122连通,另一端横跨过所述信号线121后,位于另一所述共面波导地线122上方位置,所述上电极16与所述驱动电极13对应的一侧面均匀开设有释放孔17,形成释放孔阵列;
进一步地,所述释放孔17直径大小为6-10μm,形成释放孔阵列,所述释放孔阵列包括4排(偶数排),垂直于所述信号线121的长度方向排列,并任意一排的释放孔17数量为6-12个,相邻释放孔17间距为10-20μm,通过所述上电极16的开孔结构,形成释放孔阵列,以提高牺牲层释放效率,同时可以减小极板上下运动的空气阻尼,提高滤波器响应速度。
如图4所示,所述带通滤波器2为滤波器,所述滤波器设置在所述上电极16与所述共面波导地线122连通的一端上,在本实施例中,所述基于射频MEMS开关的可调滤波器可实现三个可调中心频率点,分别为8.5GHz,9GHz,9.5GHz,其中插入损耗分别小于2.2dB@8.5GHz,1.2dB@9GHz,2.2dB@9.5GHz;
利用射频MEMS开关设计的这种可调带通滤波器与采用传统的PIN或FET开关设计相比,具有低插入损耗的优势,采用射频MEMS开关的可调滤波器在8.5GHz-9.5GHz中心频率下可以实现2.5dB以下的插入损耗。
三个射频MEMS开关1界定为第一射频MEMS开关、第二射频MEMS开关、第三射频MEMS开关,三个所述带通滤波器2界定为第一带通滤波器21、第二带通滤波器22、第三带通滤波器23,两条所述共面波导地线122分别界定为第一共面波导地线1221、第二共面波导地线1222;
所述第一射频MEMS开关包括第一上电极161、第一驱动电极131、第一介质层141、第一上电极161,所述第一上电极161一端连接所述第一带通滤波器21、及第一共面波导地线1221,另一端横跨所述第一驱动电极131设置在所述第二共面波导地线1222上方,在所述第一驱动电极131对应的缺口处设置所述第一介质层141,在所述第一上电极161和第一上电极131之间未加偏置电压时,第一上电极161悬空,此时所述第一射频MEMS开关断开;当在第一上电极161和第一上电极131之间加一偏置电压时,第一上电极161产生一个下拉静电力,当偏置电压的值达到驱动电压的值时,第一上电极161迅速下落与第一介质层141紧密接触,此时所述第一射频MEMS开关导通第一带通滤波器21;
所述第二射频MEMS开关包括第二上电极162、第二驱动电极132、第二介质层142、第二上电极162,所述第二上电极162一端连接所述第二带通滤波器22、及第二共面波导地线1222,另一端横跨所述第二驱动电极132设置在所述第二共面波导地线1222上方,在所述第二驱动电极132对应的缺口处设置所述第二介质层142,在所述第二上电极162和第二驱动电极132之间未加偏置电压时,第二上电极162悬空,此时所述第二射频MEMS开关断开;当在第二上电极162和第二驱动电极132之间加一偏置电压时,第二上电极162产生一个下拉静电力,当偏置电压的值达到驱动电压的值时,第二上电极162迅速下落与第二介质层142紧密接触,此时所述第二射频MEMS开关导通第二带通滤波器22;
所述第三射频MEMS开关包括第三上电极163、第三驱动电极133、第三介质层143、第三上电极163,所述第三上电极163一端连接所述第三带通滤波器23、及第三共面波导地线122,另一端横跨所述第三驱动电极133设置在所述第三共面波导地线122上方,在所述第三驱动电极133对应的缺口处设置所述第三介质层143,在所述第三上电极163和第三驱动电极133之间未加偏置电压时,第三上电极163悬空,此时所述第三射频MEMS开关断开;当在第三上电极163和第三驱动电极133之间加一偏置电压时,第三上电极163产生一个下拉静电力,当偏置电压的值达到驱动电压的值时,第三上电极163迅速下落与第三介质层143紧密接触,此时所述第三射频MEMS开关导通第三带通滤波器23;
本实用新型由三个射频MEMS开关1和三个带通滤波器2组成,通过控制三个射频MEMS开关1的导通与断开来实现滤波器中心工作频率的改变。本实用新型可实现三个可调中心频率点,具有结构简单、体积小、易集成、应用范围广的特点,可应用于多频带的通信设备中。
对于本领域的普通技术人员而言,根据本实用新型的教导,在不脱离本实用新型的原理与精神的情况下,对实施方式所进行的改变、修改、替换和变形仍落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于射频MEMS开关的可调滤波器,其特征在于,所述可调滤波器包括:
至少三个射频MEMS开关,所述射频MEMS开关包括衬底、微波传输线、驱动电极、固定锚点及上电极,所述衬底一侧面上设置所述微波传输线,并在所述微波传输线上通过固定锚点设置所述上电极,在所述上电极下方设置所述驱动电极;
至少三个带通滤波器,所述上电极与所述微波传输线连接的一端上设置所述带通滤波器,并通过可调中心频率,限定所述射频MEMS开关的工作频率。
2.根据权利要求1所述一种基于射频MEMS开关的可调滤波器,其特征在于,所述微波传输线包括至少一条信号线、至少两条共面波导地线,所述信号线两侧对称平行设置所述共面波导地线;
所述上电极一端与所述共面波导地线连通,另一端横跨过所述信号线后,位于另一所述共面波导地线上方位置。
3.根据权利要求2所述一种基于射频MEMS开关的可调滤波器,其特征在于,所述信号线上设有至少三处缺口,在所述三处缺口内分别设置有对应的驱动电极,在所述缺口的上表面设置有介质层,并在所述驱动电极上方设置所述上电极。
4.根据权利要求2所述一种基于射频MEMS开关的可调滤波器,其特征在于,所述上电极为矩形桥结构,所述上电极与所述驱动电极对应的一侧面均匀开设有释放孔,形成释放孔阵列。
5.根据权利要求2所述一种基于射频MEMS开关的可调滤波器,其特征在于,所述带通滤波器为滤波器,所述滤波器设置在所述上电极与所述共面波导地线连通的一端上。
6.根据权利要求5所述一种基于射频MEMS开关的可调滤波器,其特征在于,所述带通滤波器的三个可调中心频率点分别为8.5GHz,9GHz,9.5GHz。
7.根据权利要求4所述一种基于射频MEMS开关的可调滤波器,其特征在于,所述释放孔直径大小为6-10μm,所述释放孔阵列包括至少4排,并垂直于所述信号线的长度方向进行排列,任意一排的释放孔数量为6-12个,相邻释放孔间距为10-20μm。
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