小型高選擇性MEMS射頻濾波器的設計

許愛國,梅 迪

(南京國睿微波器件有限公司,江蘇 南京 210013)

0 引言

隨著通信行業的快速發展,可集成化和小型化成為微波通信系統中微波組件的重要發展趨勢,尤其是軍工行業的航空航天通信對組件的體積、質量要求極嚴,而濾波器作為通信系統中必不可少的微波無源器件,其小型化[1]成為未來發展趨勢。

交指型微機電系統(MEMS)[2]濾波器是指采用MEMS工藝制備出的交指型結構濾波器。其采用矩形交叉耦合方式,通過該方式能夠在通帶兩側均產生2個傳輸零點,優化硅片厚度、金屬線寬度及通孔孔徑大小以確定諧振器最佳品質因數(Q)。交指型MEMS濾波器具有損耗小,耦合系數強,寄生通帶遠及體積小等優點,近年來受到國內外學者和機構的關注和研究[3]。

硅微機械技術主要采用電感耦合等離子體(ICP)刻蝕[4]微機械通孔陣列的方法,在硅基襯底集成金屬圖層,從而形成濾波器諧振腔,其輸入輸出均采用共面波導[5]結構。本文采用腔體濾波器[6]的耦合理論設計了一種S波段MEMS濾波器。設計結果表明,該濾波器不僅具有良好的性能,且具有體積小,矩陣系數高,易加工和集成等特點。

1 工作原理

MEMS諧振腔是濾波器的核心單元,采用四分之一波長諧振器,其寄生頻率為基頻的3倍頻,構成濾波器的寄生通帶在3倍頻,能夠改善帶外抑制。微波濾波器的耦合通常是指構成濾波器的微波諧振器間的能量傳遞或交換,耦合諧振器如圖1所示。圖中,E1,E2為電場矢量;H1,H2為磁場矢量。

圖1 耦合諧振器

濾波器通常采用耦合來表征能量傳遞或交換,定義耦合為

(1)

式中:ε為介電常數;μ為磁導率。

諧振器間耦合是電耦合和磁耦合[7]的綜合作用,一般情況下兩種耦合同時存在,只是大小不同。電耦合是指兩個諧振器間主要依靠電場完成能量的傳遞或交換,磁耦合是指兩個諧振器間主要依靠磁場完成能量的傳遞或交換。當兩個諧振器的諧振頻率不同時,兩個諧振器間的耦合系數為

(2)

式中:f01,f02分別為兩個諧振器的自諧振頻率;fp1,fp2分別為兩個諧振器相互耦合時電耦合或磁耦合的諧振頻率。

當兩個諧振器的諧振頻率相同時,可將式(2)簡化為

(3)

一般窄帶濾波器的f01、f02相差很小,故常用式(3)計算耦合系數。采用仿真軟件計算出一對耦合諧振器的前兩個耦合諧振頻率(即fp1、fp2),然后代入式(3)即可求得它們之間的耦合系數;另外還可通過諧振器的場分布或耦合結構的相位變化情況判斷耦合極性。

2 分析與計算

2.1 技術指標要求

工作頻率為2 900～3 100 MHz;中心插損≤0.5 dB;2.5～2.7 GHz時帶外抑制≥30 dB,3.4～3.5 GHz時帶外抑制≥30 dB;通過功率≥1 W;抗燒毀功率為5 W(連續波);封裝尺寸為10 mm×10 mm×0.4 mm。

2.2 諧振器設計

四分之一波長諧振器的電場在開路端最強,磁場和面電流最強處分布在接地端,即硅通孔上。圖2(a)-(c)為最常用的均勻阻抗諧振器(UIR)的電磁場分布。諧振器的損耗由介質損耗、金屬損耗和輻射損耗組成。在硅基單層濾波器設計中,上下表面的金屬層和通孔實現了對電磁場的密封,輻射損耗已經確定且被有效減弱。通過選用高阻硅材料降低介質損耗,且介質損耗需根據硅材料的阻值變化,可優化范圍有限。通過對諧振器的結構方案優化實現了,金屬損耗在設計中可優化空間較大。

圖2 UIR和SIR電磁場分

在諧振器的具體實現中,選擇階躍阻抗諧振器(SIR)結構。SIR是由兩個以上具有不同特征阻抗的傳輸線組合而成的橫向電磁場結構。與UIR結構相比,SIR在結構設計上多一個自由度,可靈活調整傳輸線的長度與寬度來實現諧振器的小型化,同時通過改變不同段傳輸線的阻抗比,實現了對高次諧波的抑制,改善帶外抑制。在四分之一諧振器設計中一般通過增加開路端的線寬,等效于增加諧振器開路端的電容,實現諧振器的小型化,其電磁場分布如圖2(d)-(f)所示。SIR減小了諧振器在XY平面的尺寸以及諧振器沿長度方向的金屬損耗,但等效電容的增加使諧振桿的介質損耗增加,所以在諧振器仿真中SIR的Q值略低于UIR結構的Q值。

2.3 硅片厚度對諧振器性能的影響

根據仿真結果得知,諧振器的Q隨硅片厚度的增加而升高,諧振頻率隨硅片厚度的增加而降低,如圖3所示。諧振頻率對硅片厚度的敏感度如表1所示,Δf表示硅片厚度每變化1 μm頻率的偏移量。本文設計中設定硅片厚度為400 μm。

表1 諧振頻率對硅片厚度的敏感度

圖3 硅片厚度對諧振器性能的影響

2.4 金屬線條寬度對諧振器性能的影響

單層諧振器的Q隨寬度的增加而升高,諧振頻率隨著寬度的增加而降低,如圖4所示。諧振頻率對金屬寬度的敏感度如表2所示。本文設計中設定金屬線條寬度為700 μm。

表2 諧振頻率對金屬寬度的敏感度

圖4 金屬寬度對諧振器性能的影響

2.5 通孔孔徑對諧振器性能的影響

諧振器Q隨孔徑的增大而升高,如圖5所示。諧振頻率對通孔直徑的敏感度如表3所示。由圖可知,孔徑增加提高了接地通孔截面積的金屬面積,降低了諧振器根部的電阻,從而降低了諧振器的金屬損耗。故可認為接地孔徑直徑越大,諧振器的Q越高。諧振器的頻率隨孔徑的增加而升高,小孔徑可降低諧振器的尺寸,但是諧振器的Q會惡化。本文設計中設定諧振器通孔孔徑為?100 μm。

表3 諧振頻率對通孔直徑的敏感度

圖5 硅通孔直徑對諧振器性能的影響

2.6 工藝敏感度對器件性能的影響

金屬圖案的尺寸誤差影響諧振器的諧振頻率,金屬線條間距影響耦合的強弱。單層金屬圖案通過光刻形成,其尺寸和間距變化主要受光刻膠曝光和顯影工藝的影響,變化范圍較小,一般約±3 μm,對諧振頻率和耦合系數影響較小。通過磨拋工藝對硅片厚度進行調整,厚度變化范圍為±5 μm,對諧振頻率有影響。通過ICP刻蝕后硅通孔會產生一定誤差(在±3 μm內),會對頻率產生影響。結合上述仿真結果對工藝誤差的敏感度進行分析,如表4所示,以此確定工藝指標要求。

表4 工藝指標誤差對諧振頻率的影響

磨拋誤差和孔徑誤差對器件的影響不同。磨拋工藝誤差是整體指標一起變化,在片內不會產生很大的厚度分布,不會在單個濾波器內出現頻率離散,只會影響濾波器中心頻率和帶外抑制,而不會惡化駐波,但片間的誤差能否控制好,還需工藝驗證。

孔徑誤差受曝光和ICP兩道工藝共同影響,造成圓片內中心區域和邊緣區域的濾波器頻率發生變化,但在單個濾波器內不會出現頻率離散,將影響濾波器中心頻率和帶外抑制,而端口駐波不會惡化。在首輪流片對誤差檢測確定后,可導入設計模型進行修正。

片厚和孔徑對頻率的影響最大,在最差情況下,濾波器的工作頻率可達13 MHz,但端口的駐波無明顯惡化。

3 電性能仿真

根據諧振器仿真結果的Q值建立濾波器拓撲結構。濾波器由4個諧振器組成,在諧振器1-4間通過交叉耦合方式,在通帶兩側均產生一個傳輸零點,以提高濾波器的帶外抑制。通帶在高頻和低頻位置均拓展40 MHz,以改善邊帶插損,并使諧振器的儲能最強頻率點遠離通帶,改善器件的功率容量。其電路仿真結果曲線如圖6所示。

圖6 濾波器電路仿真結果

器件結構設計中,濾波器在硅片表面制作金屬諧振器圖案,通過硅通孔實現接地,如圖7(a)所示。諧振器采用SIR結構以便更好地利用硅片面積。同時利用SIR的開路端實現電耦合,實現CQ交叉耦合,產生傳輸零點。在硅片表面增加聚酰亞胺(PI)薄膜層,實現對表面Cu的保護和抗氧化,濾波器剖面結構及工藝示意圖如圖7(b)所示。

圖7 濾波器結構

4 耐功率設計

4.1 熱損耗分析

單晶硅具有良好的導熱特性,熱導率為148 W/(m·K),而鐵的熱導率為60 W/(m·K),鋁的熱導率為237 W/(m·K)。單晶硅的導熱系數可保障工作中濾波器產生的熱量能良好地擴散并導出,所以濾波器內部因材料介質損耗產生的熱量能及時擴散傳導出去。濾波器的金屬損耗體現在面電流流經金屬表面產生的損耗。諧振器的面電流主要集中在硅通孔根部,只要保證濾波器安裝良好,下方印制板接地和有散熱孔,在功率5 W下濾波器不發生熱膨脹。

4.2 電擊穿

對濾波器的電路結構進行功率仿真,以確定功率容量最易發生放電的諧振器結構。設計中對指標要求的抗燒毀功率(37 dBm)增加3 dB余量,當端口輸入功率為40 dBm時,首腔儲能和兩個電耦合零點腔儲能計算結果如圖8所示。由圖可看出第2、第3諧振器儲能最大(達8.38 nJ)。

圖8 濾波器易發生放電諧振器的儲能仿真結果

硅基單層濾波器中金屬諧振器上下面均為高阻硅材料,不會發生放電。表面金屬圖案被PI薄膜覆蓋,有效地防止了表面金屬間的放電現象。因此,濾波器在輸入功率為5 W時不會發生放電現象。

5 仿真結果

采用三維電磁仿真軟件和電路仿真軟件進行聯合仿真,結果如圖9所示。

圖9 濾波器全腔仿真結果

在工作頻帶范圍內,器件的端口駐波<1.3 dB,插入損耗<3.5 dB,帶外抑制>30 dB。根據圖6、9可知,濾波器的全腔仿真結果和電路仿真結果基本一致,器件所有實測數據均滿足設計指標。仿真數據結果表明,該器件的集成化設計方法完全滿足要求,其結構新穎且合理。

6 結束語

本文創新性的通過集成化設計方法,在小體積范圍內選擇SIR結構,并實現了交叉耦合的方式。在此基礎上進行電訊仿真、耐功率設計及材料選型等研究,最終成功研制了滿足高功率、高集成度、低成本等要求的S波段交指型MEMS濾波器,并分析討論了設計中出現的頻率響應、相對帶寬、阻帶抑制和插入損耗等問題。本文對濾波器的理論分析為MEMS濾波器的設計和制作提供了理論依據和指導。此外,采用更復雜的模型設計出要求嚴格的濾波器。

該器件的設計思路為公司進一步開展高集成度、高功率器件的研制提供了經驗與借鑒,設計方法對以后類似項目的研發具有一定的參考價值。