基于BST薄膜的可调微波滤波器设计

摘要

宽带通信中跳频通讯系统的发展促使了对智能射频前端的广泛研究，而作为智能前端中核心元件的可调滤波器更是研究的焦点。由于以铁电薄膜电容作为调谐元件的可调滤波器具有响应速度快、高频损耗小、可调率较高、生产成本低等特点成为了国内外军事、高校等科研机构的研究热点。因此，本文采用滤波器基础理论对铁电可调滤波器进行设计，同时制作了滤波器实物进行验证，研究内容和主要结论如下：
　　1．设计了中心频率为870MHz的5阶梳状线微带带通可调滤波器。其偏压隔离结构设计应用BST偏压电容作为隔直加压结构，采用宽度为20μm的高阻连线连接各谐振器。与传统等电容外加偏压电阻相比，可以较少偏压点或直接通过信号线加压，简化了滤波器制作和直流偏压过程。EM仿真结果为：梳状线滤波器的3dB带宽为9.2％；调谐率为36%时中心频率可调率为14%，回波损耗优于15dB。在介质损耗为0.02时，插入损耗为4.9dB。
　　2．设计了中心频率为7.8GHz的4阶半波长开环带通可调滤波器。其偏压隔离设计中应用宽8μm、厚80nm的高阻薄带连接各谐振器，采用宽8μm的四分之一波长高阻线连接边缘地； EM仿真结果为：开环滤波器的带宽为8.2%，设定调谐率为33%时中心频率可调率为12.8%，回波损耗优于12dB。在介质损耗为0.02时，插入损耗为4.65dB。
　　3．模拟了工艺误差对器件性能的的影响：上电极厚度在2~3μm的范围内时对器件无影响；光刻和刻蚀工艺中的单边绝对误差超过2μm时，容易引起BST电容的短路;BST电容薄膜的介电性能偏差过大时，会增加插损并使反射增大。
　　4．通过完整的工艺流程制作出铁电可调滤波器的原型器件，其中心频率为1.42GHz，插损约10dB；在30V直流偏压下中心频率可调40MHz；验证了结构设计的可行性和滤波器可调特性。

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第一章 绪 论

1.1研究背景

1.2 可调滤波器的分类以及工作原理

1.2.1 YIG铁氧体可调滤波器

1.2.2腔体式可调滤波器

1.2.3半导体二极管可调滤波器

1.2.4 MEMS可调滤波器

1.2.5 铁电可调滤波器

1.3 铁电材料及铁电滤波器的研究现状

1.4 论文主要研究内容

第二章 微带型梳状线带通可调滤波器设计

2.1 梳状线滤波器设计原理

2.2 滤波器电路设计

2.2.1 谐振器基本参数确定

2.2.2 谐振器间微带耦合参数设计

2.2.3 微带接地设计

2.2.4 滤波器平面仿真

2.3 滤波器物理结构设计

2.3.1 BST电容结构设计

2.3.2 偏压和隔直物理电路

2.3.3 滤波器的物理结构

2.3.4 集成隔直偏压的滤波器EM仿真

2.4 工艺误差对器件性能的影响

2.4.1 电极尺寸误差对器件性能的影响

2.4.2 薄膜工艺误差对器件性能的影响

2.4.3 电镀金厚度对器件性能的影响

2.5 本章小结

第三章 微带半波长开环带通可调滤波器设计

3.1 半开环可调滤波器设计原理

3.2 滤波器的电路结构设计

3.2.1 谐振器基本参数确定

3.2.2 滤波器外部Q值及耦合系数提取

3.2.3 滤波器接地线设计

3.2.4 滤波器偏压设计

3.2.5 滤波器物理结构版图

3.3滤波器整体仿真及调谐

3.4 本章小结

第四章 BST可调滤波器的制作与性能分析

4.1 滤波器完整工艺制作流程

4.2 多晶BST薄膜层制作流程与图形化

4.2.1 BST薄膜的制备方法分类及特点

4.2.2 BST薄膜的制备与处理

4.3 上电极的制备与处理

4.4 可调滤波器的测试与分析

4.4.1 低频电容测试结果与分析

4.4.2 器件性能测试结果与分析

4.5 本章小结

第五章 结论

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果