微波MEMS滤波器的研究进展

滤波器是射频微波系统必不可少的重要组成部分，性能优异的滤波器模块是射频微波通信系统能正常工作的必要前提。传统的微波滤波器虽然在参数指标上有很优秀的性能，但是其庞大的体积不但使得相应的微波通信系统更加庞大，并使产品成本也一起随之上升；同时，随着MMIC（单片微波集成电路）技术发展，对微波滤波器也提出了集成化的高要求。

MMIC滤波器，其高的插入损耗和低的Q值限制了自身的发展。近十多年来，随着MEMS（微机电系统）工艺和MEMS器件的成熟，给微波滤波器的集成化注入了新的活力。与传统的VLSI工艺相比，MEMS技术在不牺牲器件性能的前提下，可以实现微波无源器件的集成化。基于MEMS工艺的微波MEMS滤波器不仅具有优异的频率选择能力（高Q）和低的插入损耗，而且在体积上远小于传统微波滤波器，易于集成，为微波单片集成系统的实现奠定了良好的基础，MEMS滤波器已成为国内外研究的热点。

按滤波器的用途分，微波MEMS滤波器可分为可调节MEMS滤波器和非调节MEMS滤波器两大类，文章将对这两类MEMS滤波器进行分类讨论。

1、MEMS可调滤波器

由于现代微波通信雷达系统便携化和通用化的发展需求，实现能够软件控制的可编程微波收发系统是现代微波通信雷达系统的重要发展方向。能根据需求调节频率选择范围的微波滤波器是微波系统具有重构性的基础；同时，在通信系统的前端，通过可调滤波器，实现通信系统信道的选择也是一种新的系统解决方案。传统可调滤波器不易实现集成，MEMS可调滤波器以其优异的性能，成为了突破射频微波系统通用性不强的约束的最佳选择。

MEMS可调滤波器可以分为三类：（1）磁场调节滤波器；（2）电场调节滤波器；（3）机械调节滤波器。磁场调节滤波器（例如YIG）和机械调节滤波器体积巨大，难以集成，在此不做讨论。该节主要讨论基于MEMS开关和MEMS可变电容的两类MEMS可调滤波器。

1.1、MEMS开关可调滤波器

MEMS开关可调滤波器通过开关的导通和关闭，使接人滤波器的电抗部分发生变化，从而来调节滤波器的谐振频率，使滤波器的通带或阻带中心频率发生偏移。因此，可以根据需求设计MEMS开关阵列，通过软件来控制MEMS滤波器的工作状态，使系统具有重构性。同时，由于RF-MEMS开关具有低损耗、高隔离度和高线性度的特点，MEMS开关阵列产生的寄生参数对滤波器的影响很小，这也使MEMS开关可调滤波器具有更诱人的发展前景。

MEMS开关可调滤波器的设计可以在传统MMIC滤波器的基础上实现。A.Ocera等人设计的发卡式MEMS可调滤波器（如图1所示），通过开关改变发卡式谐振器的物理长度来改变谐振器的谐振频率，从而达到可调的效果。Pillans.B等人采用硅衬底上的微带传输线来设计滤波器MEMS可调滤波器（如图2所示），用MEMS电容开关组来实现调节，调节状态间隔100MHz。其设计的低通滤波器有56个调节状态，插入损耗在2dB～4dB之间；高通滤波器有80个可调状态，插人损耗在3dB-5dB之间。据该文献介绍，如果滤波器的衬底采用氧化铝或者在硅和微带之间用MEMS工艺制作一层绝缘薄膜，可进一步减小滤波器的损耗。Zhang.R等人用槽线制作的低通MEMS开关可调滤波器，插人损耗可降低至0.6dB左右，可见，损耗并不会成为MEMS开关可调滤波器的主要问题。

图1、MEMS开关可调发卡式滤波器

图2、MEMS开关可调低通滤波器

不但传统的MMIC滤波器可和MEMS开关一起实现可调滤波器，一些新的电路结构也可和MEMS开关一起构造可调滤波器。Karim.M.F等人采用CPW（共面波导）传输线上的EBG（电磁带隙）结构级联形成的周期性结构来设计带阻滤波器（如图3），衬底使用高电阻率的硅衬底，MEMS开关可以调节阻带的中心频率。在设计的阻带范围内，阻带衰减大于20dB；在通带范围内损耗在1.3dB～2.4dB之间。Ehab K.I.Hamad等人设计的二维MEMS可调周期性缺陷接地（PDGS）谐振器结构也同样具有代表性，如图4所示，整个结构设计在高阻硅的CPW传输线上，由8个MEMS开关来控制缺陷接地（DGS）的加载情况，从而来控制该谐振器的谐振频率。该结构在19.4GHz～27.1GHz之间具有26个可调状态，并且具有高的阻带抑制能力和很低的通带插入损耗。

图3、共面波导可调滤波器