CN101593863A

CN101593863A - 一种可调微波带通滤波器

Info

Publication number: CN101593863A
Application number: CNA2009100878157A
Authority: CN
Inventors: 缪旻; 卜景鹏
Original assignee: Beijing Information Science and Technology University
Current assignee: Beijing Information Science and Technology University
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2029-06-26
Also published as: CN101593863B

Abstract

本发明公开了一种可调微波带通滤波器，是在微波电路衬底上设置一具备双谐振模态的环形谐振器及相应的输入耦合单元、输出耦合单元和扰动单元，在谐振器上镜像对称放置偶数个微机械桥膜来调节中心频率，在扰动单元上放置一个或多个的微机械桥膜来调节带宽。该滤波器利用了微机械桥膜电容加载结构产生的可变电容效应对双模谐振器及其扰动结构进行加载，可以以较少数量的微机械桥膜和较小的芯片面积占用来实现通带中心频率和通带带宽等滤波特性的调节；与现有的双模滤波器和微机械可调带通滤波器相比，结构更灵活，工艺复杂度降低，器件总体性能更好，同时适用于基于平面传输线和片上波导的滤波器件。

Description

一种可调微波带通滤波器

技术领域

本发明是关于射频、微波直至亚毫米波领域中，通带频率等滤波特性可调节的滤波器件，具体涉及基于MEMS调控器件的微机械可调微波带通滤波器。

背景技术

在无线通信及雷达***的射频/微波前端电路中，滤波器用于实现镜频干扰的滤除、噪声的抑制、频分复用；在高性能的振荡、放大、倍频、混频电路中，滤波器则用于实现具有特定频率的信号的选择；此外，在滤波器结构基础上可以实现有效的宽频带阻抗复用、匹配网络和耦合结构。无线通信设备(包括基站和终端)以及雷达、电子战装备的微型化、宽带化、可移动性和频率捷变能力的增强，以及高性能的收发机架构的演进，促使包括滤波器在内的射频元器件不断向着微型化和单片集成化方向发展，同时也推动了滤波器电路结构和性能水平的不断提高，并且相应催生了可根据周围应用环境调节其滤波特性的射频/微波滤波器，即可调(谐)微波滤波器。通过各种调节控制器件的动作，使射频/微波滤波器的通带/阻带特性和工作中心频率等都可以在计算机控制下进行快速调整，这可以大大提高射频收发机***的灵活性和在复杂电磁环境中的适应性，并可望推动通信、雷达体制的变革，因此可调滤波器近年来得到了世界各国科研机构和跨国企业的高度重视。

目前国内外所使用的可调谐微波滤波器根据其滤波特性的调控机构的原理或结构主要可以分为四类：1)基于滤波器中传输线/波导电、磁介质参数的调控结构的滤波器；2)基于常规机械伺服执行机构调节的滤波器；3)基于半导体调控器件(如起开关或者电容调节作用的PIN管、场效应晶体管)的滤波器；和4)基于微机电***(以下简称MEMS)控制元件的滤波器。第一类器件通过改变介电材料的极化电压、磁材料的激励电流等方法，改变滤波器的等效传输线参数，该类器件可以承受高微波功率，微波损耗较低，但其中常用的铁电体、铁氧体控制器件难以微型化，而且相应的偏置电路复杂，需要保持静态偏置电流，因此控制功耗很大；第二类也可以承受较大微波功率，微波损耗很小，但调节需要复杂的伺服机构，控制功耗和器件体积均较大。因此，第一类和第二类滤波器的应用局限于对器件微型化要求低、电源供应稳定的、高功率、非移动的微波应用场合。第三类滤波器可以实现单片集成化，结构紧凑，但由于其中微波需要通过PN结和半导体材料传输，相应产生的微波损耗和非线性会显著影响其通带性能，而且所需的偏置电路比较复杂，往往需要由多个晶体管构成，控制功耗难以降低，因此目前没有得到推广。第四类滤波器是基于微机械开关控制元件的滤波器，具有微波损耗小、多功能、可单片集成等重要优点，是90年代末以来出现的新型微波器件，适合应用在移动通信、卫星通信等需要便携性、可移动性、高集成度和低功耗的应用领域。

在微电子技术的基础上发展而来的MEMS技术是一个多学科交叉的高新技术平台。它从已经广泛应用的半导体、集成电路技术延伸而来，但超越了其与外部的多物理量的感测和调控方面存在的局限。相应的MEMS器件产品具有体积小、能耗和物耗低，制造方便、成本低、性能优良、便于与微观世界、特别是纳米世界接口等突出优点。整个技术正在国民经济建设、国家安全及多个学科领域研究等方面发挥越来越重要的作用，甚至有可能影响某些领域的发展走向。利用制作MEMS所用的微机械加工技术，可以制作出用于射频(包括微波、毫米波)领域的各种无源元件，包括电容、电感、开关控制器件、谐振器/滤波器等。这些元件具有***损耗小、隔离度好、Q值高、非线性和互调失真度低、易于与有源电路集成等独特的优势，可望替代现有射频***中的多个元件，降低整个***的功耗，简化其体系结构。

目前人们利用MEMS技术开发出了基于微机械结构的微型可调滤波器。它们的主要控制元件是位于电磁波传输结构上(主要是微带线和共面波导等平面传输线)的微动平板电容机械结构，即微机械开关，其形状可以采用类似于MMIC(单片微波集成电路)中双端固定的空气桥结构，也可以采用可上下或水平运动的矩形平板。这些结构均由溅射或者电镀工艺所淀积的金、铝等金属材料所构成。在外部电控制信号(一般为电压控制信号)作用所产生的静电场作用下，这些电容桥膜结构会发生变形，形成机械开关特有的开合动作，其作用相当于一个可变的电容性阻抗，从而可以实现电路中元件的通断控制或加载电容的调节，改变滤波器的等效电路参数或电路结构，并改变滤波器的频率响应。

在目前现有的公开报道的研究结果中，文献(Brandon Pillans，Andrew Malczewski，RonAllison and Jim Brank.“6-15GHz RF MEMS Tunable Filters”.Raytheon-Space and AirborneSystems，Dallas，TX，75243，USA，2005 IEEE MTT-S International Microwave SymposiumDigest，June 12～17，2005)介绍了一种可调带通滤波器的方法，其中带通是利用低通和高通滤波器组合来实现的，而每一个低通和高通滤波器都是椭圆型可调节滤波器，基本原理是调节椭圆滤波器串联谐振回路的谐振频率，以此来改变该滤波器的截止频率。这是实现可调带通滤波器最简单和直接的方法，但存在电路面积占用大、需要使用多个开关、器件总损耗难以降低等问题。文献(Abbas Abbaapour-Tamijani，Laurent Dussopt，GabrielM.Rebeiz.“A High Performance MEMS Miniature Tunable Bandpass Filter”.2003 IEEEMTT-S International Microwave Symposium Digest，pp.1785-1788)利用微机械开关加载电容来实现3极点滤波电路中传输线慢波结构性能的改变，从而实现滤波器性能的调谐；文献(B.Lakshminarayanan T.Weller.“Tunable Bandpass Filter Using Distributerd MEMSTranmission Lines”.2003 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest，pp.1789-1792.)则通过改变不同的加载用DMTL(Distributed MEMS Transmission Line，分布MEMS传输线)上的微机械开关的电路特性来调节滤波器的通带频率等特性。这种方法的好处在于容性微机械开关体积小且易于控制，并可以方便的调节其电容值，但是同样需要用到多个开关，电路占用面积大。上述的方法都是基于传统的滤波器结构及调节方法来实现可调微波滤波器，即沿用常规滤波器结构，并利用MEMS实现某些元件的加载或者改变加载元件的量值，例如微机械开关本身可以是一个电容，开关闭合相当于加载了一个电容，以此来实现滤波器的调节，而且滤波器的电路结构在调节前后几乎没有变化。文献(Jae-HyoungPark，Sanghyo Lee，Jung-Mu Kim，Hong-Teuk Kim，Youngwoo Kwon，and Yong-Kweon Kim.“Reconfigurable Millimeter-Wave Filters Using CPW-Based Periodic Structures With NovelMultiple-Contact MEMS Switches”.Journal of microelectromechanical Systems，Vol.14，No.3，June 2005，pp.456-463)中利用MEMS开关的动作来改变滤波器电路结构的改变，从而实现滤波器中心频率的调节，这种方法可以方便的改变滤波电路结构，是传统滤波器无法实现的。但缺点是要实现较大调节范围时，需要使用多个开关(数量高于滤波器阶次的两倍)，而且各个电路状态的带宽并不一致。

另外，上述8篇有代表性的文献所报道的研究成果，都采用了基于表面工艺的微机械开关，其优点是***损耗小(无半导体损耗)、控制功耗耗低(静电控制，几乎为零)、可在多种衬底上制作、易于与有源电路实现单片集成。其存在的缺点是：1)基本沿用了现有非可调的、常规的滤波器的传输结构，在添加可调器件后，器件结构复杂，而且占用较多的芯片面积；2)往往要使用3个以上的开关等调控器件才能实现滤波器在两个滤波状态间的切换，而实现调节，而开关等器件数量较多时，其器件的传输损耗难以降低，而且单个开关的失效引起器件整体失效的概率难以降低；3)由于桥模都使用电镀或者溅射的纯金属构成，而其通断是依靠桥膜的变形实现的，故桥膜容易出现疲劳、蠕变等现象，这影响了其可靠性，4)金属与高阻的衬底间存在热膨胀性能相差大，温度变化较大时结构尺寸和可靠性都受到很大影响；5)其桥模结构设计以双端固支为主，驱动阈值高(需要采用复杂的电荷泵等升压电路)、尺寸与传统MIC(微波集成电路)滤波器接近，其加工工艺步骤多，有结构释放中易粘附的问题，而且可承受功率不高；6)用户常常需要在同一器件上制作隔离高频/DC控制驱动电路间的电隔离结构，防止射频信号的泄漏，目前的这些器件是以金属和硅的合金构成的导线来制作隔离电阻，加工时需要单独制作一块光刻版，增加了工艺难度和成本。

现有的双模传输线滤波器(以下简称双模滤波器)包括如下基本结构：制作在微波衬底上的、闭环形的平面传输线构成的双模谐振结构，输入耦合单元、输出耦合单元，以及为实现带通滤波响应而添加的非对称扰动。其基本思想于20世纪90年代提出。其中输入、输出耦合单元通常由特征阻抗为***所需量值的平面传输线构成；谐振器单元由环形或片形的传输线构成，一个谐振器单元具有两个相同的谐振频率。具有两个相同的谐振频率的谐振器因其谐振模之间耦合为零，不能产生相应的滤波效果，但如果在双模谐振器中加入扰动，将使两个谐振模之间发生***进而产生模间耦合，此时这个双模谐振器相当于两个相互耦合的单模谐振器，所以一个双模谐振单元构成的滤波器具有二阶单模滤波器的滤波效果，而其在微波衬底上所占用的面积远远小于目前常规的滤波器设计。文献(Lung-HwaHsieh；Kai Chang.“Compact，Low Insertion-Loss，Sharp-Rejection，and Wide-Band MicrostripBandpass Filters”，IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，Vol.51，No.4，Apr 2003，pp.1241-1246)和文献(Ming-Fong Lei；Huei Wang.“An Analysis of MiniaturizedDual-Mode Bandpass Filter Structure Using Shunt-Capacitance Perturbation”，IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques，Vol.53，No.3，March 2005，pp.861-867)从原理上阐述了双模滤波的机理，提出了以传输线梢头或集总电容作双模谐振器的扰动的双模滤波器设计方法。文献(X.D.Huang，C.H.Cheng，“A Novel MicrostripDual-Mode Bandpass Filter With Harmonic Suppression”，IEEE Microwave and WirelessComponents Letters，Vol.16，No.7，July 2006，pp.404-406)提出了压制双模谐振器高阶谐振频率的方法，一定程度上解决了双模滤波器故有的近寄生通带的问题。原理上双模滤波器不属于常规的滤波器类别(Butterworth，Chebyshev和椭圆等)，但通过适当改造也可以使其具有Chebyshev或Elliptic形式的滤波器频率响应，文献(A.Gorur.“Realization of aDual-Mode Bandpass Filter Exhibiting Either a Chebyshev or an Elliptic Characteristic byChanging Perturbation’s Size”，IEEE Microwave and Wireless Components Letters，Vol.14，No.3，pp.118-120)较为详细的介绍了相应的方法。

到目前为止，现有的双模传输线滤波器结构尚不具备滤波特性可调的能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微机械可调微波带通滤波器。该微机械可调滤波器利用了微机械桥膜电容加载结构产生的可变电容效应对双模谐振器及其扰动结构进行加载，可以以较少数量的微机械桥膜和较小的芯片面积占用来实现通带中心频率和通带带宽等滤波特性的调节。

本发明的技术方案是：

一种微机械可调微波带通滤波器，在微波电路衬底上设有一具备双谐振模态的谐振器结构及相应的输入耦合单元、输出耦合单元和扰动单元，其中所述谐振器为环形谐振器，其轴线构成的平面图形具有二维镜像对称性，即该平面图形中至少存在两个相互垂直的对称轴；所述输入耦合单元和输出耦合单元的轴线相互垂直，且分别与所述平面图形的两个相互垂直的对称轴重合；所述扰动单元一端与谐振器相连，另一端开路，其轴线分别与所述平面图形的两个相互垂直的对称轴的夹角均为45°；在所述谐振器上放置有偶数个(最少为2个)微机械桥膜，这些桥膜称为中心频率调节桥膜，它们的位置相对于扰动单元的轴线呈镜像对称分布，呈镜像对称的一对桥膜中的任一个到输入耦合单元的电长度与另一个到输出耦合单元的电长度相等；在所述扰动单元上放置一个或多个的微机械桥膜，称为带宽调节桥膜；所有微机械桥膜均分别与微波电路***的控制电路输出端连接，通过微波电路***改变微机械桥膜的直流驱动电压，从而实现滤波器通带中心频率和通带带宽的调节。

上述具备双谐振模态的谐振器(简称双模谐振器)为环形谐振器，可以由平面传输线或者片上波导构成。所述平面传输线或片上波导的轴线图形可以是圆形、方形或具有分形图形特征的平面图形，而且这些平面图形应具有二维镜像对称性。

构成所述双模滤波器的平面传输线可以为在衬底上以淀积和刻蚀等方法制作的微带线(分为在衬底上表面的信号线和衬底下表面的地线面)、带线(包括分别位于衬底上下表面的两层平行的地线面，以及分布在两个地线面之间、嵌入衬底中的信号线)或者共面波导线(波导线分为在衬底上表面的共平面的地线和信号线)等具有特定形状的平面传输线。其中微带线和带线适用于500MHz～100GHz的工作频段；共面波导线适用于20GHz～300GHz。

构成所述双模滤波器的片上波导可以是在衬底上以体型刻蚀等微机械加工方法制作的、轴线平行于衬底表面的矩形或圆形截面的管状结构，其基体即为微波电路衬底材料，在管状结构的壁面上淀积Au、Ag、Cu等高电导率金属，这种波导可以传输20GHz～10THz波段的功率较大的信号。

上述输入耦合单元、输出耦合单元的结构相同，可以由相互间存在紧密电容耦合的两段平面传输线构成，也可以是平面传输线-片上波导转换结构，还可以是同轴电缆-片上波导转换结构。

上述扰动单元结构可以由一段微波短线(即短传输线)构成，其一端与环形谐振器相连，另一端开路。该微波短线沿用环形谐振器所用的传输线或者片上波导来构建，其阻抗及结构尺寸可根据滤波器带宽和器件的反射损耗来确定。该微波短线与环形谐振器的交点分别与输入端耦合单元和输出端耦合单元的距离应相等；该微波短线的轴线为直线，其方向与上述输入耦合单元和输出耦合单元的轴线均成45°夹角。

上述放置在环形谐振器上的偶数个微机械桥膜用于实现可变电容加载，为中心频率调节桥膜，它们相对于扰动单元的轴线呈镜像对称分布，任一个桥膜到输入(或输出)耦合单元的电长度和与之呈镜像对称的另一个桥膜到输出(或输入)耦合单元的电长度相等。放置在扰动单元上的微机械桥膜称为带宽调节桥膜。所有微机械桥膜均分别与微波电路***的控制电路的相应控制信号输出端连接，输出的控制信号一般为直流电压信号。在控制电路输出的幅值可调的直流电压(该电压也称微机械桥膜的驱动电压)的驱动下，微机械桥膜与衬底间的气隙高度及其对传输结构的等效加载电容等参数将发生变化，故滤波器所在的微波电路***可以通过改变微机械桥膜的直流驱动电压来控制双模环形谐振器的等效加载电容，以及控制扰动结构对环形谐振器的双谐振模态的扰动作用的强弱，从而分别完成通带中心频率和通带带宽等滤波特性的调节。

所述微机械桥膜制作在双模滤波器所用的微波电路衬底上方。当所述环形谐振器用平面传输线来构建时，这些平面传输线是制作在微波电路衬底上、下表面上的金属薄膜或厚膜，桥膜通过锚点固定在传输线特定位置的上方。在所述桥膜和所述衬底上设置一对或多对驱动电极(桥膜上的称为上驱动电极，其下方衬底上的称为下吸引电极)，所述电极与微波电路***的控制电路连接；控制电路输出的直流驱动电压使桥膜和衬底的驱动电极之间产生静电吸引力，改变桥膜与下方的平面传输线信号线之间的间距(该间距即为气隙高度)，间距的变化量可以由提供的驱动电压来控制，由此可以改变桥膜对平面传输线的加载电容，并改变滤波器的中心频率等特性。当所述环形谐振器用片上波导来构建时，片上波导可以利用体型刻蚀加工工艺在该衬底中形成，其基体一般即为微波电路衬底材料；波导侧壁涂覆Au、Ag、Cu等高电导率金属；此时桥膜通过锚点固定在波导腔特定位置的上方，桥膜下方制作有金属或者电介质构成的凸点；片上波导的上壁面仅由一层金属薄膜覆盖以实现封闭。在所述桥膜和所述衬底上设置一对或多对驱动电极，所述电极与微波电路***的控制电路连接；控制电路输出的直流驱动电压在桥膜和衬底的驱动电极之间产生静电吸引力，改变桥膜与下方的波导腔之间的间距，使桥膜下方的凸点与片上波导上壁面的金属薄膜接触并使金属薄膜发生向下的形变，金属薄膜的形变改变了片上波导内部的电磁场分布，其形变量由吸引电压的大小来决定，由此对片上波导实现了可变的电容加载。

所述桥膜为层状结构。当桥膜下方是平面传输线时，桥膜从上至下具体为单晶硅层(或多晶硅层)、绝缘层、金属层、介质层；当桥膜下方是片上波导时，从上至下具体为单晶硅(或多晶硅层)和绝缘层。所述桥膜的两侧可分别设置若干个低刚度的弹簧梁，所述弹簧梁的一端连接所述桥膜，另一端与制作在衬底上的固定锚点连接。所述弹簧梁可以由桥膜的单晶硅层(或多晶硅层)向外延伸而成。所述桥膜可为镜像对称的蝶形硅结构，包括桥膜中段和两个侧翼，控制电路施加直流驱动电压时，桥膜侧翼的单晶硅或者多晶硅层为上驱动电极，与下方衬底上的下吸引电极共同产生静电引力，改变桥膜下方与衬底间的空气隙的高度。

所述硅桥膜的总厚度(指桥膜总的厚度，包括晶体硅层及其下方各层的总厚度)为10～40μm。

所述桥膜的绝缘层可以采用介电常数小于5的电绝缘材料，介质层可以采用介电常数为5～30的电绝缘材料，具体的介电常数和厚度可以根据加载电容的调节范围和抗击穿性能要求来确定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)与现有的双模滤波器相比，本发明所提出的滤波器具有调节滤波特性的能力；其中的环形谐振器易于加载旁路元件，与现有的双模滤波器和微机械可调带通滤波器相比，结构更灵活，工艺上减少了复杂度，且使滤波器的谐振器单元具有较高的Q值，有利于减小通带损耗。

2)与现有的可调微波滤波器相比，本发明提出的滤波器以较少的桥膜(最少时只需3个)就可以分别实现通带中心频率和带宽的调节，其占用的微波电路衬底的面积大大减少，有利于降低成本、缩小器件尺寸和提高微波电路***集成度。另外，与现有的微机械可调带通滤波器相比，本发明所述的滤波器在阶次相同的情况下所需使用的微机械开关或桥膜的数量更少，这有利于减少开关和桥膜引入的微波损耗，提高器件加工的成品率，降低器件长期工作时因单个开关失效而带来的滤波器失效的概率。

3)分析表明，本发明由于采用了双模原理，与现有的国内外公开报道的微机械可调滤波器设计相比，其通带和阻带之间的过渡段变得更为陡峭，有利于提高滤波器的总体性能。

4)采用了微机械桥膜来控制滤波器的特性，该微机械桥膜基本结构可以利用体型硅基微机械加工工艺制作而成的、以单晶硅层为骨架的多层复合膜，其单晶骨架厚度可达到10～40μm，能提供较高的回复力，因此可以防止承受大功率微波信号时出现的较大的吸合静电力作用而造成滤波器的误调节(也称误动作)，因此与现有的基于半导体开关和微机械开关的可调滤波器相比，本发明所述的微机械可调微波滤波器可以承受大功率。该桥膜的微波损耗小，因此与采用了半导体开关的可调滤波器相比，有利于降低滤波器的通带损耗。本发明所述的桥膜可以连续移动，从而可以实现滤波器中心频率的精确调节。

5)本发明同时适用于基于平面传输线和片上波导的滤波器件。

附图说明

图1本发明可调微波带通滤波器采用圆形环时基本结构的俯视图。

图2本发明可调微波带通滤波器采用方形环时的一种实施结构的俯视图。

图3本发明可调微波带通滤波器采用圆形环、多个开关动作的桥膜时的一种实施结构的俯视图。

图4本发明可调微波带通滤波器中基于微带传输线的微机械桥膜的一种实施结构的示意图，其中(a)为立体图，(b)为纵向剖视图。

图5片上波导的结构图，其中(a)为结构分解图，(b)各结构组合后的纵向剖视图。

图6本发明可调微波带通滤波器采用微机械桥膜改变片上波导的加载电容的一种实施结构的示意图，其中(a)为立体图，(b)为纵向剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明所述的微机械可调微波双模带通滤波器采用了谐振特性可调的双模环形滤波器结构。下面以微带传输线为例来说明其结构和工作原理。

所述双模滤波器的基本电路结构如图1所示，包括设于衬底6上的带有扰动的双模环形谐振器1(图1中微带线的轴线为圆环形，但也可以为方形环或者具有分形特征的闭环图形)以及电容性耦合的输入耦合单元2a、输出耦合单元2b、扰动单元3，起中心频率调节作用的微机械桥膜4a、4b和起通带带宽调节作用的微机械桥膜5。待滤波的微波信号从输入耦合单元2a处输入，经过滤波的微波信号从输出耦合单元2b处输出。在微波电路***的控制电路输出的直流驱动电压的控制下，中心频率调节桥膜4a和4b的桥膜到衬底的空气隙高度h可以发生变化，即桥膜可以上下运动，其对谐振器的等效加载电容，即桥膜所在位置上微带线信号线到地线面间的等效电容，也相应变化，从而可以改变环形谐振器的两个谐振频率，以及相应改变其上下通带频率和中心频率；带宽调节桥膜5也可以在微波电路***的控制电路输出的直流驱动电压作用下发生上下运动，其对扰动单元的等效加载电容也发生相应变化，根据双模滤波器的原理，这一变化会带来滤波器通带带宽的变化。环形谐振器的周长可以小于或者等于微波输入信号中心频率处的导波波长λ_g，由开路微波短线构成的扰动单元3的特性阻抗和长度根据该滤波器所要达到的带宽范围来确定。一般环形谐振器所用的传输线阻抗50～80Ω，扰动单元应该由高阻传输线构成，其特性阻抗大于80Ω。图1中所示的传输线为微带线，由正面的信号线(即上述的各结构单元)以及覆盖衬底6整个背面的地线面构成。该示例中双模滤波器为一阶结构，但与普通的带通滤波器相比可以实现较好的阻带衰减特性。而本设计亦可适用于阶数更高的滤波器。

在本发明实施时，环形谐振器的轴线形状不局限于圆形，也可以以是其他具有二维对称性的平面图形，如方形环等，如图2所示；甚至是具有分形几何特征的图形。具体选用何种图形，可根据特定工作频率下环形谐振器的等效电长度来选取，一般其轴线的几何周长不大于与微波信号中心频率相对应的导波波长。

本示例中，桥膜的高度可以连续调节，使得加载电容也可以连续调节，从而可以精确的控制滤波器通带中心频率和带宽；但是考虑到吸合效应(pull-in)，其连续调节的范围有限，分析表明，此时的中心频率的偏移范围仅为5％左右。故桥膜也可以工作在开关状态(即在非吸合和吸合两种状态下切换)，此时其开关前后电容的变化比可以达到1∶20，滤波器的中心频率的偏移范围达到了15％。若要提高中心频率的调节范围的同时保证有较小的调节步进，则可以在所述的环形谐振器上放置≥4的偶数个用于实现可变电容加载的微机械桥膜，其中半数桥膜与另半数桥膜的位置相对于谐振器轴线图形上的对角线等对称轴(通常选择让该轴与扰动单元3的轴线重合)呈镜像对称，成镜像对称关系的一对桥膜中的任一个到输入耦合单元的电长度和另一个到输出耦合单元的电长度相等。如图3所示。这些桥膜在开关前后的电容比小于1∶10，可以通过依次让桥膜开关或者让其组合开关，来达到所需的调节步进。

该滤波器最少只需采用两个微机械开关即可实现滤波器特性的可调，与现有技术相比大大减少，这可以降低整个滤波器的损耗、加工工艺难度和因开关失效而出现失效的概率。

本发明微机械可调微波带通滤波器所用的、基于微带传输线的微机械桥膜的结构如图4所示，该微机械开关制作在微波电路衬底6上，在衬底上设置金属膜微带传输线以及以硅为骨架的复合桥膜，衬底6还可以同时用作滤波器的衬底；衬底6下表面上制作一层形状与衬底6的形状相同的金属膜，即地线面7，该地线面作为微带传输线的地线层；衬底上表面设有由金属膜构成的微带传输线信号线8；衬底的上表面还同时制作有由金属膜构成的下吸引电极9a和9b，对称分布在信号线8两侧。

下吸引电极9a和9b还通过填充金属的过孔10与衬底背面的地线面7实现电连接。硅桥膜是由单晶硅或多晶硅层11、绝缘层12、金属层13、介质层14等层叠而成；桥膜平面形状为镜像对称的蝶形结构，该桥膜可以分为三部分，即桥膜中段15、侧翼16a和侧翼16b；桥膜中段15和侧翼16a和16b均包含单晶硅或多晶硅层11、绝缘层12、金属层13和介质层14；桥膜的悬挂结构采用刚度较低的四只弹簧梁17a、17b、17c、17d(图4中所示的悬挂结构为4条直的细梁，但也可以为蛇行状的细梁)，桥膜的两端各两个弹簧梁，每个弹簧梁的一端接于桥膜，另一端与键合到衬底6上的固定锚点18a或18b相连接，固定锚点18a或18b为单晶硅层。另外，桥膜的锚点18a和锚点18b可以进行高掺杂并在衬底上延伸，形成具有细截面和大的等效长度(可以通过使之具有蛇行状线的平面形状来实现)的单晶硅或者多晶硅电阻线19，作为微波信号与静电直流驱动间的隔离结构。

所述桥膜的绝缘层12可以采用二氧化硅材料，金属层可以为Au、Ag、Cu材料，介质层可以为氮化硅。桥膜的膜层12和14也可以采用其他能够以半导体集成电路工艺(如等离子体增强气相淀积)来淀积的电绝缘材料。

微波电路***的控制电路可以通过改变桥膜的驱动电压来改变桥膜对微带线8的等效加载电容的大小，从而实现对滤波器的中心频率等滤波特性的调控。在本示例中，微带线的信号线8、桥膜与衬底间的空气隙、桥膜介质层14、桥膜金属层13构成的等效平行板电容C₁，桥膜金属层13、介质层14、空气隙、下吸引电极9a或9b构成了另一个等效平行板电容C₂；C₁和C₂的量值与空气隙高度h直接相关，随h的减小而增大。考虑到桥膜的平面形状的对称性，以及吸引电极通过过孔10与衬底7背面的地线面相连，故根据电磁学原理，滤波器的等效加载电容C_load，即考虑桥膜存在时信号线8到地线面7之间的等效电容，实际上应该为

桥膜的驱动电压V可以为控制电路输出的直流电压，其连接方法是：控制电路的高电位输出端子与电阻线19相连，其低电位输出端子可以与微带线的地线面7连接，或者直接与下吸引电极9a、9b连接。

微波电路***的控制***输出的直流驱动电压可以控制微机械桥膜与微带线表面的气隙高度h，并相应控制对微带线的等效加载电容C_load。微机械桥膜的驱动电压为0V时，桥膜处于自由悬空状态，微带线的信号线与地线面间的加载效应很弱(即等效的加载电容C_load很小)。需要改变加载效应时，可以让外部控制电路通过电阻线19向桥膜施加一个直流高电位V，此时桥膜侧翼16a和桥膜侧翼16b的单晶硅或多晶硅层也具有相同的电位V，分别与下吸引电极9a和9b之间形成静电场和静电引力。该引力改变了桥膜到信号线的高度h，从而可以改变微带线的等效加载电容C_load，当静电电压V逐渐连续增加时，等效的加载电容也逐渐连续增加。当相应的静电力增大到超过一定阈值V_th(对应于h＝2/3h_max)后，桥膜发生吸合现象，与衬底接触，此时桥膜处于开关工作状态，驱动电压为0V时以及吸合时的等效加载电容C_load量值之比可以达到1∶20甚至更高。

数值计算和有限元仿真表明，由于桥膜采用大面积的侧翼结构，在施加偏置电压时可以产生较大的静电吸引力，因此，若在弹簧梁17a、弹簧梁17b、弹簧梁17c、弹簧梁17d的宽度为2～20μm的情况下，如果水平向有效长度选择500～1000μm(可以采用蛇行折叠结构来实现)，则这些弹簧梁17a、弹簧梁17b、弹簧梁17c和弹簧梁17d可以保证结构的驱动电压阈值V_th＜10V(属于低阈值驱动)，这一阈值与常用的微波有源控制电路和有源信号处理电路的偏置电压相近，为本发明的微机械微波可调滤波器与有源电路实现单片集成创造了条件。

上述微机械桥膜的优点在于：1)调节用的微机械开关基本结构为利用体型硅基微机械加工工艺制作而成的、以单晶硅层或者多晶硅层为骨架的多层复合膜，其骨架厚度可以轻松地达到10～40μm，如果水平向有效长度选择500～1000μm，能提供较高的回复力，因此可以防止承受大功率微波信号时出现的较大的等效吸合静电力作用而造成滤波器的误调节(也称误动作)，从而可以轻松地制作出承受大功率的微波滤波器；2)在调节滤波器特性时，微机械开关桥膜将发生多次开关吸合动作，而采用机械性能好(无蠕变、内耗小、抗疲劳特性好)的单晶硅或者多晶硅材料作为悬挂结构，可以防止因悬挂疲劳失效而导致的器件失效；3)桥膜是通过单晶硅锚点与微波材料固定的，一般来说单晶硅或多晶硅材料与绝大多数属于电介质的微波衬底(如石英、玻璃、低温共烧陶瓷等)之间的热膨胀系数差异较小，所以可以避免采用金属骨架时因温度变化造成结构开裂，从而影响器件可靠性的问题；4)微波-偏置电压之间的隔离结构也可以采用单晶硅或者多晶硅电阻线，该结构可以在加工桥膜的工艺步骤中同步完成加工，而避免了采用常规的金属-硅合金电阻线作为隔离结构时需要额外增加的淀积、刻蚀工艺和让其从下方穿越传输线信号线时所对应的工艺，有助于降低制造成本；5)桥膜的平面结构采用了镜像对称的蝶形结构，具有大面积侧翼，因此可以产生较大的静电吸引力，故与目前采用的常规桥膜平面结构相比，可以有效降低驱动电压。

本发明上述的实施例都是以平面传输线为传输结构，但本发明同样适用于片上波导，片上波导是在多层状的微波电路衬底内部制作的金属波导结构，此时微波电路衬底由上表面板，一层或多层中间基板和下表面板堆叠构成。片上波导的一种可能的结构的分解图如图5所示。其中20a、20b和20c分别是微波电路衬底的上表面板、刻蚀有波导腔的中间基板和下表面板。21是在基板20b中加工出的、在垂直基板表面方向上贯穿基板的波导腔，当20a、20b和20c堆叠起来后，波导腔21的上下侧面被上表面板20a和下表面板20c封闭，最终形成管道状的波导结构，其壁面涂覆有Au、Ag、Cu等高电导率金属。

微机械桥膜加载结构也可以用于片上波导的加载。参考图6，此时片上波导可以利用体型刻蚀加工工艺在滤波器衬底6中形成，其基体一般即为低温共烧陶瓷等微波电路衬底材料；片上波导侧壁涂覆Au、Ag、Cu等高电导率金属，桥膜下方的片上波导的上壁面不再由上表面板构成，而改由一层金属薄膜22覆盖，以形成封闭的波导结构。此时桥膜通过锚点18a、18b固定在波导腔特定位置的上方，桥膜下方制作有金属或者电介质构成的凸点23；在所述桥膜和所述衬底上设置两对驱动电极(即16a与22和16b与22)，所述电极与微波电路***的控制电路连接；控制电路输出的直流驱动电压在所述的桥膜侧翼16a和金属薄膜22以及桥膜侧翼16b与金属薄膜22之间产生静电吸引力(22接低电位)，改变其与下方的平面传输线信号线之间的间距，使桥膜下方的凸点23与金属薄膜22接触并发生向下的形变，金属薄膜22的形变改变了波导内部的电磁场分布，其形变量由驱动电压的大小来决定，由此改变了片上波导内部等效的加载电容。

以上通过详细实施例描述了本发明所提供的微机械可调微波带通滤波器，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。

Claims

1.一种微机械可调微波带通滤波器，包括微波电路衬底和其上设置的具备双谐振模态的谐振器，以及相应的输入耦合单元、输出耦合单元和扰动单元；其中所述谐振器为环形谐振器，其轴线构成的平面图形具有二维镜像对称性，即该平面图形中至少存在两个相互垂直的对称轴；所述输入耦合单元和输出耦合单元的轴线相互垂直，且分别与所述平面图形的两个相互垂直的对称轴重合；所述扰动单元一端与谐振器相连，另一端开路，其轴线与所述平面图形的两个相互垂直的对称轴的夹角均为45°；在所述谐振器上放置有≥2的偶数个微机械桥膜，它们的位置相对于扰动单元的轴线呈镜像对称分布，呈镜像对称的一对桥膜中的任一个到输入耦合单元的电长度与另一个到输出耦合单元的电长度相等；在所述扰动单元上放置一个或多个的微机械桥膜；所有微机械桥膜均分别与微波电路***的控制电路输出端连接，通过微波电路***改变微机械桥膜的直流驱动电压，从而实现滤波器通带中心频率和通带带宽的调节。

2.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述输入耦合单元和输出耦合单元的结构相同，分别由相互间存在紧密电容耦合的两段平面传输线构成，或者是平面传输线-片上波导转换结构，或者是同轴电缆-片上波导转换结构。

3.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述谐振器由平面传输线或片上波导构成，其轴线构成的图形为圆形、方形或具有分形图形特征的平面图形。

4.如权利要求3所述的滤波器，其特征在于，构成所述谐振器的平面传输线是微带线、带线或者共面波导线。

5.如权利要求3所述的滤波器，其特征在于，构成所述谐振器的片上波导是以微波电路衬底为基体，轴线平行于衬底表面的矩形或圆形截面的管状结构，在管状结构的壁面上淀积有高电导率金属。

6.如权利要求3所述的滤波器，其特征在于，所述扰动单元由一段微波短线构成，该微波短线沿用谐振器所用的平面传输线或者片上波导来构建，其轴线为直线。

7.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述谐振器和扰动单元由平面传输线构成，所述微机械桥膜通过锚点固定在平面传输线特定位置的上方；在所述桥膜和所述衬底上设置一对或多对驱动电极，这些电极与微波电路***的控制电路连接；控制电路输出的直流驱动电压使桥膜和衬底的驱动电极之间产生静电吸引力，改变桥膜与下方的平面传输线信号线之间的间距。

8.如权利要求7所述的滤波器，其特征在于，所述桥膜从上至下为单晶硅或多晶硅层、绝缘层、金属层和介质层。

9.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述谐振器和扰动单元由片上波导构成，所述微机械桥膜通过锚点固定在波导腔特定位置的上方，桥膜下方制作有金属或者电介质构成的凸点，片上波导的上壁面仅由一层金属薄膜覆盖以实现封闭；在所述桥膜和所述衬底上设置一对或多对驱动电极，这些电极与微波电路***的控制电路连接；控制电路输出的直流驱动电压使桥膜和衬底的驱动电极之间产生静电吸引力，改变桥膜与下方的波导腔之间的间距，使桥膜下方的凸点与片上波导上壁面的金属薄膜接触并使金属薄膜发生向下的形变。

10.如权利要求9所述的滤波器，其特征在于，所述桥膜从上至下为单晶硅或多晶硅层、绝缘层。