基于RF MEMS技术频段可切换开关带通滤波器

摘要

基于RF MEMS技术设计的开关可切换带通滤波器属于微电子机械系统领域。该基于RF MEMS可切换开关带通滤波器由两个带通滤波器和四个RF MEMS开关组成，当处在同一路的两个开关导通时，信号从该路滤波器通过。利用RF MEMS开关设计的这种类型滤波器具有可集成化特征，若采用PIN或FET开关设计，则难于实现开关滤波器整体封装，难于集成；具有开关高隔离度特征，采用RF MEMS开关在C-X波段可以实现30dB以上的隔离度；具有结构简单、可靠性高特性，相对于数字可调和模拟可调RF MEMS滤波器，无需考虑开关电容比，设计结构简单，使用开关数量少，可靠性更高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种频段可切换的带通滤波器，主要应用在多频段调 频通信等，属于RF MEMS(射频微电子机械系统)器件制造领域。

背景技术

基于RF MEMS技术的可调带通滤波器，由于其体积小、可集成性 好、调节方便、比较好选择性，因此RF MEMS滤波器在远距离(卫星 通信)通信及各种信号处理方面具有重要研究价值。近期RF MEMS滤 波器的研究比较多，主要包括数字可调与模拟可调两种，数字可调滤 波器的优点是它对偏置电压不敏感，不用考虑RF MEMS悬臂梁开关“吸 合”效应，但需要大量RF MEMS悬臂梁开关构成开关组用于调节中心 频带，这样会带来滤波器可靠性减低，插入损耗增加。例如 A.Abbaspour等人在IEEE Trans.Microw.TheoryThch.发表关于RF  MEMS数字可调滤波器论文，频率范围为6.5GHz-10GHz，其插入损耗 在5.5dB左右,Isak等人于2010年在IEEE Trans. Microw.TheoryThch.发表关于RF MEMS数字可调滤波器论文，频率范 围为12GHz-18GHz，其插入损耗在5dB左右。相比于数字可调滤波器， 模拟可调滤波器中的RF MEMS悬臂梁开关电容更少，器件可靠性更好， 但是对RF MEMS悬臂梁开关的加工工艺要求更高，同时可调范围小。 例如H.T.Kim等人于1999年首次研制出模拟可调范围为4.2％的RF  MEMS带通滤波器，之后该学者研究出了模拟可调范围为10％的RF MEMS 带通滤波器，随后A.Abbaspour等人研究出了模拟可调范围为14％的 RF MEMS带通滤波器，但这些滤波器的插入损耗都在3-4.5dB左右。

由于数字/模拟可调带通滤波器带内插入损耗较大、结构设计较 为复杂、带外抑制性不够理想、可靠性不高等，目前难于达到在各种 射频通信设备应用上的要求。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明设计是基于RF MEMS 技术频段可切换开关带通滤波器，可以满足不同频段选频的要求。所 设计的可切换带通滤波器实现了结构简单、设计方便、插入损耗小、 带外抑制性好等特点。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的： 基于RF MEMS技术频段可切换开关带通滤波器，包括输入短截线28、 输出短截线29和带通滤波器，其特征在于：还包括输入RF MEMS悬 臂梁开关、输出RF MEMS悬臂梁开关、加载直流偏置电压的电感和偏 置电压触块，输入短截线28的输出端口通过输入RF MEMS悬臂梁开 关与带通滤波器的输入端相连接，带通滤波器的输出端通过输出RF  MEMS悬臂梁开关与输出短截线29的输入端口相连接；

所述的输入RF MEMS悬臂梁开关和输出RF MEMS悬臂梁开关的 结构相同均包括开关梁20、绝缘层21、加载直流电压的金属层22、 通过射频信号的金属层23和衬底24，输入RF MEMS悬臂梁开关和输 出RF MEMS悬臂梁开关的加载直流电压的金属层22均与两个加载直 流偏置电压的电感的一端一一对应相连，两个加载直流偏置电压的电 感的另一端均与两个偏置电压触块一一对应相连，输入短截线28的 输出端口与输入RF MEMS悬臂梁开关的开关梁20相连接，输入RF MEMS 悬臂梁开关的通过射频信号的金属层23与带通滤波器的输入端相连 接，带通滤波器的输出端与输出RF MEMS悬臂梁开关的通过射频信号 的金属层23相连接，输出RF MEMS悬臂梁开关的开关梁20与输出短 截线29的输入端口相连接。

其中，所述的基于RF MEMS技术频段可切换开关带通滤波器为 多路滤波器结构，每一路基于RF MEMS技术频段可切换开关带通滤波 器都由一个输入RF MEMS悬臂梁开关、一个输出RF MEMS悬臂梁开关 和一个带通滤波器构成；每一路基于RF MEMS技术频段可切换开关带 通滤波器的器件连接方式相同。

本发明相比背景技术具有如下优点：

a)可集成化，若采用PIN或FET开关设计，则难于实现开关滤 波器整体封装，难于集成；

b)开关高隔离度，采用RF MEMS开关在C-X波段可以实现30dB 以上的隔离度；

c)结构简单、可靠性高，相对于数字\模拟可调RF MEMS滤波 器，无需考虑开关电容比，设计结构简单，RF MEMS开关切换滤波器 使用开关数量少，可靠性更高等特点。

附图说明

图1是基于RF MEMS技术频段可切换开关带通滤波器的结构示 意图；

图2是图1所示1的放大图；

图3是半波长缺陷环谐振单元的结构示意图；

图4是RF MEMS悬臂梁开关剖面的结构示意图；

图5是基于RF MEMS技术频段可切换开关带通滤波器的射频响 应图。

具体实施方式

下面结合附图1-5和实施例对本发明的具体实施方式作进一步 详细的说明。

以两路滤波通道为例，在中心频率为7180MHz和8350MHz两个频 段，对应带宽分别为600M和400M，基于RF MEMS技术的开关可切换 带通滤波器由2个带通滤波器、4个RF MEMS悬臂梁开关、4个加载 直流偏置电压的电感、4个偏置电压触块和2个输入\出短截线组成。

其中带通滤波器由半波长缺陷环谐振单元2或半波长缺陷环谐 振单元3和微带传输线段组成，半波长缺陷环谐振单元2或半波长缺 陷环谐振单元3可以等效为一个电容和电感的串联电路，连接的微带 短截线等效为阻抗变换器；半波长缺陷环谐振单元2是中心频率为 7180MHz的谐振结构单元，半波长缺陷环谐振单元3是中心频率为 8350MHz的谐振结构单元，半波长缺陷环谐振单元2和半波长缺陷环 谐振单元3的结构特征是一样的，设计方法一致，由相应中心频率半 波长微带线设计而成。所有的半波长缺陷环谐振单元位于滤波器结构 的一侧，半波长缺陷环谐振单元2或半波长缺陷环谐振单元3的数量 用于调节滤波器矩形系数和带外抑制度，半波长缺陷环谐振单元之间 的距离用于调整滤波器回波损耗。结构16、结构17和结构18用于 调节耦合度、滤波器带宽，其尺寸与带宽均成反比例关系，半波长缺 陷谐振环19用于调节滤波器中心频率，其尺寸增大，滤波器中心频 率减小，尺寸减小，中心频率增大；微带线段长短用于调节滤波器的 回波损耗。实施例中带通滤波器由6个半波长缺陷环谐振单元按一定 间距位于传输线段一侧排开而成。

RF MEMS悬臂梁开关利用直流电压驱动，电压加载在输入\出短 截线和偏置电压触块之间，RF MEMS悬臂梁开关中加载直流电压的金 属层22与加载直流偏置电压的电感的一端相连接，RF MEMS悬臂梁 开关的开关梁20与输入\出短截线连接。当加载电压时，由于电场力 作用，开关梁20被下拉，使得开关梁20与通过射频信号的金属层 23接触，电路导通；当直流驱动电压减小或者去除时，由于开关梁 20本身的弹性力(回复力)作用，开关梁20回复原位，电路断开。 绝缘层21防止开关梁20与加载直流电压的金属层22直接接触。加 载直流偏置电压的电感等效为电感，起扼流作用，用于防止射频信号 从加载直流偏置电压的电感出去，该结构设计根据信号频率不同而改 变，频率越大，则电感结构尺寸越大，即圈数更多。

RF MEMS悬臂梁开关7、RF MEMS悬臂梁开关8、RF MEMS悬臂梁 开关9和RF MEMS悬臂梁开关10用来选择滤波通道，RF MEMS悬臂 梁开关7和RF MEMS悬臂梁开关9控制半波长缺陷环谐振单元3构成 滤波通路；RF MEMS悬臂梁开关8和RF MEMS悬臂梁开关10控制半 波长缺陷环谐振单元2构成滤波通路。具体为：当RF MEMS悬臂梁开 关7和RF MEMS悬臂梁开关9导通，RF MEMS悬臂梁开关8和RF MEMS 悬臂梁开关10断开时，相应的射频信号通过半波长缺陷环谐振单元 3构成的带通滤波器；当RF MEMS悬臂梁开关8和RF MEMS悬臂梁开 关10导通，RF MEMS悬臂梁开关7和RF MEMS悬臂梁开关9断开时， 相应的射频信号通过半波长缺陷环谐振单元2构成的带通滤波器，实 现了单模块开关可切换滤波器结构。

为了避免趋附效应，通过射频信号的金属层23厚度设定为1.5 微米，RF MEMS悬臂梁开关悬臂梁20厚度为1微米，绝缘层21厚度 为0.15微米。加载直流偏置电压的电感11和偏置电压触块13的材 料为CrSi，为了减小损耗，金属材料采用电阻率小的金属，如铝、 铜、金等，衬底24采用损耗小的材料，如高阻硅，石英玻璃等。

RF MEMS悬臂梁开关结构形状对射频信号和隔离度会产生重要影 响，具体表现为：

a)由于RF MEMS悬臂梁开关尺寸大会影响到开关的稳定性和可靠 性，当RF MEMS悬臂梁开关宽度15过小则会导致阻抗失配，最终导 致滤波器射频响应中的回波损耗不够，影响滤波器性能；

b)RF MEMS悬臂梁开关与信号接触区域，如果面积过大会导致信 号隔离不够，面积过小会导致接触电阻过大，导致插入损耗大；

因此选择合理的RF MEMS悬臂梁开关尺寸和接触区域面积对提升 滤波器性能具有重要意义，同时不同的需求对应不同的结构。

该基于RF MEMS技术频段可切换开关带通滤波器的结构在这里选 择一种尺寸组合进行实施例说明，(下面数据单位为微米)：

当图1结构的尺寸为：

结构4＝24260，结构5＝6300，结构6＝320；

当图2结构的尺寸为：

结构14＝70，结构15＝50；

当图3结构的尺寸为：

半波长缺陷环谐振单元3中的尺寸18＝300，半波长缺陷环谐振 单元2中的尺寸18＝1400；

当图4结构的尺寸为：

结构25＝1.5，结构26＝1.5，结构27＝1.5；

衬底24(高阻硅)厚度为420，加载直流电压的金属层厚度22 为1.4。

此时滤波器的仿真图为：

图5中显示的是该滤波器的射频响应，黑色曲线为RF MEMS悬臂 梁开关7和RF MEMS悬臂梁开关9接上、RF MEMS悬臂梁开关8和RF  MEMS悬臂梁开关10断开时的射频响应，中心频率为7180MHz，带宽 为600M，带内插入损耗为2.2dB左右,回波损耗在17-22dB左右,该 滤波器具有非常好的带外抑制性；灰色曲线为RF MEMS悬臂梁开关8 和RF MEMS悬臂梁开关10接上、RF MEMS悬臂梁开关7和RF MEMS 悬臂梁开关9断开时的射频响应，中心频率为8350MHz，带宽为400M， 带内插入损耗为2.3dB左右,回波损耗在17-22dB左右,该滤波器具有 非常好的带外抑制性；

可见，通过RF MEMS悬臂梁开关的切换，可以改变不同的滤波器 通道。

上述仅为一个例子，若想得到不同频点通道，可以根据具体实施 方式调整不同参数，如可以调整半波长缺陷环谐振单元长度来得到不 同通带。若需要多个滤波通道，则可以在目前2个通道基础上，外加 需要的滤波器通道，每个滤波器通道都由2个RF MEMS悬臂梁开关和 一组半波长缺陷环谐振单元构成。