SiMF系列MEMS带通滤波器(Ka波段)
RF MEMS-射频微机电系统
RF MEMS—射频微机电系统吴群教授关键词：Microelectromechanical system，Radio frequency微机电系统（Microelectromechanical system）代表了一项与集成电路制造工艺相同的新兴技术，在射频与微波领域得到广泛应用。
无线通信发展的趋势是缩小系统尺寸、降低成本和功耗。
本文综述了当前国际上MEMS技术的最新发展现状，对在射频与微波应用的各种MEMS器件关键技术进行了探讨。
最后展望了未来的发展前景。
引言未来的射频与微波系统要求更加灵活、更加复杂，而同时又要求体积小、重量轻和功耗低。
目前最熟悉的应用就是无线通信领域，诸如手机、无线接入、全球定位系统和蓝牙技术。
据信，能够实现上述功能的最有前途的就是与现今集成电路和单片微波集成电路相兼容的平面制造工艺技术----微机电系统（MEMS）。
MEMS是微电子技术基础上发展起来的具有多学科交叉和渗透的新兴学科。
二十一世纪人们将实现把硅/锗有源器件、微加工元件与MEMS器件集成到一块晶片中[1]。
对新世纪里的科学技术、生产方式和人类生产质量都将产生深远的影响，被认为是关系到国家科学技术发展、国防安全和经济繁荣的关键技术。
在美国被国防部先进技术署（DARPA）确定为美国高技术领域的优先发展的新技术。
我国MEMS研究起步较早，在时间上同国外差距不大，在MEMS微型传感器、执行器等研究已有许多成果。
但在MEMS射频与微波应用领域，我国还处于刚刚起步阶段。
MEMS是结合电和机械元件并利用集成电路批量加工工艺、尺寸在微米到毫米的微型器件或器件阵列。
MEMS加工技术采用常规的集成电路加工工艺制造三维机械结构，相应的广泛应用的MEMS加工技术包括硅表面加工、体加工、裂变键合和LIGA加工（采用X射线光刻、电铸、及注塑工艺）。
其中，表面加工是最为重要的技术。
MEMS器件用于射频与微波领域具有执行速度快、损耗低和品质因数高的优点，是最有吸引力和竞争力的[2]。
利用HFSS分析Ka波段慢波微带带通滤波器_时晶晶
合肥师 范学院学报 Journal o f Hefei No rmal U niversity
N ov. 2010 V ol. 28 N o. 6
利用 H FSS 分析 K a 波段慢波微带带通滤波器
时晶晶
( 合肥师范学院 物理与电子 工程系, 安徽 合肥 230061)
图 6 H FSS 仿真结果
利用 Agilent 8757D Scalar N et w ork Analyzer 测试滤波器结果如图 7 所示, 结果包括了两个耦合 探针微带到波导的过渡。
图 7 实物测试图
4 总结 在加载电容型毫米波微带带通滤波器 的研究
中, 主要是应用 H F SS 进行软件仿 真分析, 在 计算 速度上大大得到提高。通过软件仿真得到的技术参 数和性能指标与实际测试结果吻合良好, 说明了这 种软件的优越性和精确性, 为系统研究和开创性探 讨提供了方向和指导[ 6] 。
首先我们分析如图 1 所示的电容负载无耗传输 线谐振器电路, CL 是负载电容, ZB、BA 和 d 是无负载 线的特性阻抗、传播常数和物理长度。电长度 HA=
图 1 加载电容谐振器
V1
A B V2
=
( 1)
I1
C D - I2
其中
A = D = cosHA-
1 2
XCL
Z
Asin HA
( 2)
B = j ZAsinHA
[ 摘 要] 介绍了一种新型的 Ka 波段微 带带通滤波器。对这种滤波器进行了分析, 推导 了滤波器产 生慢波效 应的机理。
该滤波器通过加载电容而出现慢波效应, 使得 在不改变电路性能的情况下, 减小了电路 尺寸。同时由 于电路中 加载电容形 成
Ka波段E面波导滤波器的误差研究
Ka波段E面波导滤波器的误差研究陈彦发;吕国强;蔡斐【摘要】介绍E面波导滤波器基本结构与原理及蒙特卡罗数值模拟方法,并首次将此模拟方法与微波仿真相结合,实现对微波元件的误差分析.以Ka波段E面滤波器为例,分别对膜片的厚度、位置偏置、谐振腔长度与耦合膜片尺寸误差进行数值模拟,研究误差对性能的影响情况.最后综合设计了一款符合要求的E面波导滤波器.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2009(032)013【总页数】4页(P11-14)【关键词】E面;滤波器;误差;微波器件【作者】陈彦发;吕国强;蔡斐【作者单位】特种显示技术教育部重点实验室,安徽,合肥,230009;合肥工业大学,仪器与光电工程学院,安徽,合肥,230009;特种显示技术教育部重点实验室,安徽,合肥,230009;合肥工业大学光电技术研究院,安徽,合肥,230009;合肥工业大学,仪器与光电工程学院,安徽,合肥,230009;特种显示技术教育部重点实验室,安徽,合肥,230009;合肥工业大学光电技术研究院,安徽,合肥,230009【正文语种】中文【中图分类】TN7130 引言微波滤波器是微波系统中用来分离或组合各种不同频率信号的重要元件，它在微波中继通讯、卫星通讯、雷达、电子对抗及微波测量仪表中都有极其广泛的应用。
为了满足各种不同的用途，出现了许多种类的微波滤波器。
1974年Konishi首先提出由E面膜片构成的矩形波导带通滤波器[1]，由于这种滤波器具有结构简单，易于加工和安装，易于批量生产，能获得较高的Q值和良好的滤波特性等优点而获得了广泛的应用。
对E面膜片波导滤波器的研究多为滤波器的设计方法,即用不同的算法来计算等效电路参量，然后得到符合设计指标的E面膜片波导滤波器结构。
由于计算机硬件与软件的飞速发展至使以前繁琐的手工计算变得非常简单且准确，对于E面滤波器的设计已经不再有任何困难，但是对微波元件的误差研究却很少见到相关文献。
基于空芯光纤的复合双腔光纤法珀盐度传感器
步骤三：在光学显微镜下使用五维精密调节 架精准调节熔接之后的 HCF 在光纤切割刀刀口 上的位置，切割出所需长度空芯光纤；
步骤四：将此结构再与另一根切平端面的 SMF 熔接，在显微镜下使用光纤切割刀切割得 到所需长度的 SMF，形成 SMF-HCF-SMF 结构 的复合双腔法珀光纤盐度传感器。
根据上述制作方法，使用内径为 75 μm，外 径为 125 μm 的空芯光纤与包层直径为 125 μm 的标准单模光纤制作了基于 SMF-HCF-SMF 结 构的法布里−珀罗光纤盐度传感器，如图 2 所 示，其中 HCF 部分构成的空气腔长度为 39 μm， SMF 部分介质腔腔长为 560 μm。
UHF带通滤波器130-3000MHz
UHF：特高频（UHF）是指波长范围为1m~1dm，频率为300~3000MHz的无线电波，常用于移动通信和广播电视领域。
无线电射频根据频率和波长的不同，可以划分为不同的波段。
其中微波频段的波长范围为1m～1dm，频率范围为300MHz～3000MHz。
微波还可以细分为特高频(UHF) 频段/分米波频段、超高频（SHF）频段/厘米波频段、极高频（EHF）频段/毫米波频段和至高频频段/亚毫米波频段。
带通滤波器：带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带阻滤波器的概念相对。
一个模拟带通滤波器的例子是电阻-电感-电容电路(RLC circuit)。
这些滤波器也可以用低通滤波器同高通滤波器组合来产生。
UHF带通滤波器●通过频率：130-3000MHz●低插损，高抑制度.●应用于民用,军事,航天,空间技术等.●多种接头形式可供选择.●可按客户要求订制生产.型号带通频率(MHz)插损(dB)驻波比带外抑制功率(W)连接形式温度(°C)尺寸长x宽x高(mm)UIYBPF4825A130~7003.5 1.5 40dB @Fc±6.5MHz 2 BNC,N,SMA -30~+70 48×25×20 (BW ~50MHz)UIYBPF4012A200~4003.0 1.5 20dB @F0±25MHz 2 SMA -40~+85 40.4×12×10 (BW 10MHz)UIYBPF13587A380~4002.0 1.3 40dB @Fc±5MHz 50 N,SMA -20~+60 135×87×68 (BW ~5MHz)UIYBPF21696A380~420 0.7 1.4 35dB @Fc±40MHz 100 N,SMA -40~+85 216×96×42UIYBPF9393A380~5002.0 1.340dB @F0±8MHz100 N,SMA -40~+85 93×93×64 (BW ~8MHz) 60dB @88~108MHz优译创立于中国深圳市，注册资金2亿元人民币，是集军民用微波通信器件开发、设计与生产的一体化企业，产品远销海内外。
基于RF MEMS开关的4位分布式移相器的设计
基于RF MEMS开关的4位分布式移相器的设计李勇;许高斌;陈兴;马渊明【摘要】RF MEMS移相器与传统移相器相比,具有低损耗、频带宽、微型化,同时与IC、MMIC电路易于集成等特点,文中设计一种Ka波段DMTL型RF MEMS移相器,采用了15个MEMS电容式并联开关,同时在MEMS开关中加入MIM电容,实现了4位相移.文中对Ka波段4位RF MEMS移相器进行设计与分析,通过MEMS开关的切换实现信号延迟通路,0～180°步进22.5°的相移功能.通过改变驱动电压从而调整MEMS桥的高度,仿真测得开关理论下压电压为18.9 V.仿真结果表明在中心频率31 GHz时,其插入损耗大于-2.2 dB,回波损耗小于-25 dB,相移误差在1.5°范围内,移相器具有较好的移相性能.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2016(000)005【总页数】4页(P29-31,43)【关键词】RF MEMS开关;微电子机械系统;Ka波段;移相器【作者】李勇;许高斌;陈兴;马渊明【作者单位】合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽省MEMS工程技术研究中心,安徽合肥230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽省MEMS工程技术研究中心,安徽合肥230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽省MEMS工程技术研究中心,安徽合肥230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽省MEMS工程技术研究中心,安徽合肥230009【正文语种】中文【中图分类】TN4微波和毫米波移相器在相控阵天线的电信部件和雷达中是必不可少的应用，随着近年来MEMS技术的发展，与基于铁氧体材料，PIN二极管或场效应晶体管(FET)开关移相器相比，RF MEMS移相器具有宽频带、高线性度、损耗小和超小型化，同时与IC、MMIC电路易于集成等特点，因此RF MEMS移相器有着广泛的应用前景[1-3]。
S波段发卡式微带带通滤波器设计
S波段发卡式微带带通滤波器设计景冻冻;李国辉;胡金萍;官雪辉【摘要】In this paper, a novel microstrip filter with the center frequency 2.4 GHz and five microstrip hairpins is presented. By coupling between adjacent resonators, two transmission zeros have been realized at the upper and lower pass-band edge, respectively, making the pass-band edge very steep, and forcing the second harmonic 3.5 GHz away from the center frequency. Simulation results show that the proposed filter has excellent performance in the pass-band with sharp cutoff frequency response, and can reduce the second harmonic. The filter has two transmission zeros, each on one side of the pass-band without offset. This is in good agreement with the simulation results. However the pass-band performance is to be improved.%设计一种新型的微带滤波器,该滤波器由5个微带发卡单元构成,中心频率为2.4 GHz,利用相邻谐振器之间的耦合特性,在通频带上、下边沿分别插入一个传输零点；同时将二次谐波推向更高的频段,离开中心频率近3.5 GHz.仿真结果表明,该设计既提高了带内性能,使得通频带的边沿非常陡峭,同时又抑制了二次谐波.实测结果表明,该滤波器实现了谐波抑制,且没有出现频偏现象,与仿真结果基本吻合,但带内性能有待于提高.【期刊名称】《上海大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(017)005【总页数】4页(P591-594)【关键词】微带;发卡式滤波器;谐波抑制;传输零点【作者】景冻冻;李国辉;胡金萍;官雪辉【作者单位】上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海200072;上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海200072;上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海200072;上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海200072;华东交通大学电气与电子工程学院,南昌330013【正文语种】中文【中图分类】TN713随着无线通信技术的快速发展，人类可以利用的频率资源越来越少，因此，对无源电子器件的设计要求也越来越高.研究具有高频率选择性的微波滤波器变得非常有意义，这不仅要求滤波器具有良好的带内性能，而且要有更高的带外性能.良好的带内性能是指插入损耗低、通频带边沿陡峭;带外性能是指良好的谐波抑制能力.传统的微波滤波器频率响应由于分布参数的周期性，在离开主通带一定距离处存在寄生通带，这在频率复用的通信方式中将产生一些相当不利的影响，不适合要求有较高抑制带宽的应用场合.因此，研究设计具有谐波抑制功能的微波滤波器［1-2］，并在此基础上实现陡峭的截止边沿有很强的实际意义.本研究以发卡谐振器为基础设计带通滤波器，并实现了谐波抑制.传统的发卡谐振器是从平行耦合线的基础上改进而来的，但平行耦合线体积大，受二次谐波的影响也比较严重.在20世纪70年代，Crisatl和Frnakel设计了发卡式滤波器，其基本组成单元是发卡谐振器.发卡谐振器一方面由于结构比较紧凑，减小了尺寸、重量，并降低了成本;另一方面，不需要接地，消除了过地孔引入的误差，具有比平行耦合线滤波器和梳状线交指滤波器更好的电性能，且具有较高的频率稳定度和较低的插入损耗［3-4］.20世纪80年代末，Sagawa等研制出了更加小型化的发卡式滤波器，并将其应用到了微波集成电路中的前端电路部分.近些年，随着加工成本的降低和加工工艺的提高，微带滤波器在平面电路中的应用增多.发卡微带单元的结构通常如下：将半波长的平行耦合微带谐振器变形为U形、类U形或者S形结构，通过改变相邻谐振器之间的耦合方式及耦合度来调节滤波器的性能［5-7］.1 仿真实例本研究采用在传统的U形结构(见图1(a))基础上进一步变动得到的类U形谐振器结构(见图1(b)).改进的谐振器结构单元2个分支开路端附近的传输线具有内部耦合线，该特性可以减小滤波器尺寸.相邻谐振器之间的耦合方式有多种，如电耦合、磁耦合、混合耦合，这里采用混合耦合的方式排列5个谐振器单元.2个谐振器之间的间距d和上下偏移距离s决定了二者之间的耦合特性，相邻谐振器之间的耦合系数对滤波器频率特性的影响较大，通过调整d即可改变耦合系数［8-9］.图1 传统的U形结构和改进的类U形结构Fig.1 Traditional U shape structure and modified U-like shape structure首先，通过理论计算确定滤波器的具体尺寸以及各个谐振器之间的大致距离、上下偏移的距离;然后，通过电磁仿真软件建立模型，进行仿真.若仿真结果与设计要求误差不大，则可以根据各个参数来微调谐振器之间的距离，以达到理想的设计要求;否则，根据理论重新进行计算、建模、仿真.谐振器单元的臂长［10］式中，λ0为中心频率在自由空间中对应的波长，εre为介质基片的有效相对介电常数，且式中，εr为基片的相对介电常数，h为基片厚度，w为微带线宽.对于级联型滤波器，相邻谐振器间的耦合系数按下式计算：式中，L=λg/4，z0为抽头微带线的特性阻抗，zr为发卡线的特性阻抗，ke为发卡的耦合系数，在此选择特征阻抗z0=50 Ω的微带线作为输入输出微带线.根据以上理论，通过电磁仿真软件设计得到如图2所示的滤波器结构，其中L1=4.8 mm，L2= 6.0 mm，L3=4.4 mm，L4=2.3 mm，d=0.5 mm，其余微带线宽w=0.5 mm，选用的介质基板的厚度h= 0.5 mm，相对介电常数εr=3.48，中心频率f0约为2.4 GHz，相对带宽为8%，整个滤波器的尺寸约为30 mm×15 mm.通过电磁仿真软件Sonnet仿真可得出如下结果(见图3)：在通带内S11均小于-15 dB，且在中心频率处达到了-30 dB;该滤波器在通频带的上下频端式中，gi为集总参数低通滤波器的原型值，Fbw为相对带宽.为了在谐振器和馈线之间得到最大的功率转移，激励源与馈线必须匹配，即将谐振器临界耦合到馈线.这里采用抽头式输入输出方式，通过调整抽头微带线到谐振器中间位置的距离t，从而将2个端口对谐振频率的影响减小到最低程度.t一般由如下经验公式来估计：处均插入了传输零点，在 f1=1.74 GHz处 S21＜-128 dB，在f2=2.72 GHz处S21＜-98 dB;同时，在2倍中心频率处将谐波抑制到-60 dB 以下，并将二次谐波推移到6.02 GHz处，离开中心频率近3.5 GHz，大大降低了谐波对滤波功能的影响;通带的插入损耗均在3 dB以内，满足应用要求.图4为不同谐振器间距d对滤波器频率响应特性的影响.图中可以看出，2个相邻谐振器之间的间距影响了传输零点的插入位置.通过比较可得，当d=1.0 mm时，传输零点离通频带边沿最近，阻带特性最好.图2 5阶发卡式微带滤波器平面结构Fig.2 Fifth-order hairpin microstrip filter planar structure图3 仿真频率响应特性Fig.3 Simulated frequency response2 实验结果根据以上仿真结果，选取d=1.0 mm的尺寸进行加工，可得实物如图5所示.图6为实际加工微带滤波器的频率响应特性测量结果.该结果与前期仿真结果吻合较好，中心频率符合设计要求，基本没有频偏现象，带内回波损耗都在20 dB以上.实测传输损耗与仿真结果比较如图7所示，实测结果带内插入损耗较大，传输零点插入紧凑，阻带性能较仿真结果有一定误差但足以满足应用要求，这些误差主要由介质板的损耗以及微带金属线的辐射损耗造成.实际加工中，通过添加一个金属屏蔽盒，并采用精密的加工技术等可以进一步改善插入损耗［11］.图4 d=0.5，0.8，1.0 mm时的仿真频率响应比较Fig.4 Simulated frequency response for filter d=0.5，0.8，1.0 mm图5 加工实物图Fig.5 Fabricated filter图6 实测滤波器频率响应特性Fig.6 Measured frequency response for filter3 结束语本研究设计了一个发卡式微带滤波器，通过仿真设计加工得到的5阶滤波器将二次谐波推向了远离中心频率近3.5 GHz的频段.这不仅实现了谐波抑制的功能，而且在通频带的上下边沿均插入了传输零点，实现了陡峭的截止边沿.所设计的滤波器总体性能优良，可应用于通带过渡到阻带非常陡峭的场合.图7 仿真结果与实测结果的比较Fig.7 Comparison between simulated and measured results参考文献：［1］梁建刚，陈文灵，姜义武.谐波抑制滤波器的计算机辅助设计［J］.现代雷达，2008，30(7)：39-41.［2］ ZHANGX Y，XUEQ，CHANC，et al.Low-loss frequency-agile bandpass filters with controllable bandwidth and suppressed second harmonic［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2010，59(6)：1557-1564.［3］邓哲，程崇虎，吕文俊，等.微带发夹型谐振器滤波器的实验研究［J］.微波学报，2005，21(S1)：122-126.［4］刘刚，张淑娥.微带交叉耦合发卡式滤波器的设计［J］.华北电力大学学报，2005，32(4)：75-78.［5］ MARIMUTHUJ，ESAM.Harmonic suppressed single groove PCML bandpass filter［C］∥ Proceeding of the 39th European Microwave Conference.2009：779-782.［6］ ZHANGX Y，XUEQ.High-selectivity tunable bandpass filters with harmonic suppression［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2010，58(4)：964-969.［7］周春霞，夏侯海，左涛，等.自均衡双通带微带滤波器综合与设计［J］.电子学报，2009，37(12)：2783-2786.［8］ DIY，GARDERP，HALLP S，et al.Multiple-coupled microstrip hairpin-resonator filter［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2003，13(12)：532-534.［9］ HONGI，FOKS W，CHOIW W，et al.A novel wigglyline hairpin with 2nd spurious passband suppression［C］∥ Proceeding of the 34th European Microwave Conference.2004：1125-1128.［10］ TSAIC M，LEES Y，LEEH M.Transmission-line filters withcollectivelyloaded coupled lines［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2003，51(5)：1517-1524.［11］严冬，裴旭明，张超，等.基于分形特征的DGS微带传输特性分析［J］.重庆邮电大学学报，2010，22：54-58.。
模拟高通带通滤波器设计
G( p)
1
p2 2p 1
(4) 带阻滤波器旳H(s)为
H(s) G( p)
p
s2
sB 02
s4
s4 202s2 04 2Bs2 (B2 202 )s2 2B02s 04
6.5 数字高通、带通和带阻滤波器旳设计
数字滤波器旳指标 2 tan 1 T2
H(Z) 双线性变换法
模拟滤波器指标 ALF旳指标
转换关系 低通归一化旳系统函数G(p)
模拟低通滤波器变换成数字带通滤波器
由低通模拟原型到模拟高通旳变换关系为
s
c
s2 1h s(h 1)
根据双线性变换，模拟带通与数字带通之间旳S平面与Z平面旳
关系仍为
s
2 T
1 1
z 1 z 1
s
c
2 T
1 1
z 1 z 1
2
1h
2 T
1 1
z 1 z 1
q
高通归一化旳系统函数H(q)
q=s/B
p s2 lu s(u l )
H (s) G( p) p s2lu s(u l )
总结模拟带通旳设计环节：
(1)拟定模拟带通滤波器旳技术指标，即：
带通上限频率 u ，带通下限频率 l 下阻带上限频率 s1 ,上阻带下限频率 s2
通带中心频率 02 lu ，通带宽度 B u l
去归一化，将p=s/Ωc代入上式得到：
G(s)
2c
s2 2cs 2c
(5) 将模拟低通转换成模拟高通。将G(s)
旳变量换成1/s，得到模拟高通Ha(s)：
Ha
(s)
G(1) s
2c s2
2c s2 2cs