小型高選擇性MEMS射頻濾波器的設(shè)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(yè)的快速發(fā)展,可集成化和小型化成為微波通信系統(tǒng)中微波組件的重要發(fā)展趨勢,尤其是軍工行業(yè)的航空航天通信對組件的體積、質(zhì)量要求極嚴,而濾波器作為通信系統(tǒng)中必不可少的微波無源器件,其小型化[1]成為未來發(fā)展趨勢。

交指型微機電系統(tǒng)(MEMS)[2]濾波器是指采用MEMS工藝制備出的交指型結(jié)構(gòu)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(cè)均產(chǎn)生2個傳輸零點,優(yōu)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(zhì)因數(shù)(Q)。交指型MEMS濾波器具有損耗小,耦合系數(shù)強,寄生通帶遠及體積小等優(yōu)點,近年來受到國內(nèi)外學者和機構(gòu)的關(guān)注和研究[3]。

硅微機械技術(shù)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(jié)構(gòu)。本文采用腔體濾波器[6]的耦合理論設(shè)計了一種S波段MEMS濾波器。設(shè)計結(jié)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(shù)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(gòu)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(gòu)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(shù);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(shù)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(shù)。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(shù);另外還可通過諧振器的場分布或耦合結(jié)構(gòu)的相位變化情況判斷耦合極性。

2 分析與計算

2.1 技術(shù)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(xù)波);封裝尺寸為10 mm×10 mm×0.4 mm。

2.2 諧振器設(shè)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(zhì)損耗、金屬損耗和輻射損耗組成。在硅基單層濾波器設(shè)計中,上下表面的金屬層和通孔實現(xiàn)了對電磁場的密封,輻射損耗已經(jīng)確定且被有效減弱。通過選用高阻硅材料降低介質(zhì)損耗,且介質(zhì)損耗需根據(jù)硅材料的阻值變化,可優(yōu)化范圍有限。通過對諧振器的結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化實現(xiàn)了,金屬損耗在設(shè)計中可優(yōu)化空間較大。

圖2 UIR和SIR電磁場分

在諧振器的具體實現(xiàn)中,選擇階躍阻抗諧振器(SIR)結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)。與UIR結(jié)構(gòu)相比,SIR在結(jié)構(gòu)設(shè)計上多一個自由度,可靈活調(diào)整傳輸線的長度與寬度來實現(xiàn)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(xiàn)了對高次諧波的抑制,改善帶外抑制。在四分之一諧振器設(shè)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(xiàn)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(zhì)損耗增加,所以在諧振器仿真中SIR的Q值略低于UIR結(jié)構(gòu)的Q值。

2.3 硅片厚度對諧振器性能的影響

根據(jù)仿真結(jié)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(shè)計中設(shè)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(shè)計中設(shè)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(shè)計中設(shè)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(shù)影響較小。通過磨拋工藝對硅片厚度進行調(diào)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(chǎn)生一定誤差(在±3 μm內(nèi)),會對頻率產(chǎn)生影響。結(jié)合上述仿真結(jié)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(nèi)不會產(chǎn)生很大的厚度分布,不會在單個濾波器內(nèi)出現(xiàn)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(nèi)中心區(qū)域和邊緣區(qū)域的濾波器頻率發(fā)生變化,但在單個濾波器內(nèi)不會出現(xiàn)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(shè)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(jù)諧振器仿真結(jié)果的Q值建立濾波器拓撲結(jié)構(gòu)。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(cè)均產(chǎn)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(jié)果曲線如圖6所示。

圖6 濾波器電路仿真結(jié)果

器件結(jié)構(gòu)設(shè)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(xiàn)接地,如圖7(a)所示。諧振器采用SIR結(jié)構(gòu)以便更好地利用硅片面積。同時利用SIR的開路端實現(xiàn)電耦合,實現(xiàn)CQ交叉耦合,產(chǎn)生傳輸零點。在硅片表面增加聚酰亞胺(PI)薄膜層,實現(xiàn)對表面Cu的保護和抗氧化,濾波器剖面結(jié)構(gòu)及工藝示意圖如圖7(b)所示。

圖7 濾波器結(jié)構(gòu)

4 耐功率設(shè)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(shù)可保障工作中濾波器產(chǎn)生的熱量能良好地擴散并導出,所以濾波器內(nèi)部因材料介質(zhì)損耗產(chǎn)生的熱量能及時擴散傳導出去。濾波器的金屬損耗體現(xiàn)在面電流流經(jīng)金屬表面產(chǎn)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(fā)生熱膨脹。

4.2 電擊穿

對濾波器的電路結(jié)構(gòu)進行功率仿真,以確定功率容量最易發(fā)生放電的諧振器結(jié)構(gòu)。設(shè)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(jié)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(fā)生放電諧振器的儲能仿真結(jié)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(fā)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(xiàn)象。因此,濾波器在輸入功率為5 W時不會發(fā)生放電現(xiàn)象。

5 仿真結(jié)果

采用三維電磁仿真軟件和電路仿真軟件進行聯(lián)合仿真,結(jié)果如圖9所示。

圖9 濾波器全腔仿真結(jié)果

在工作頻帶范圍內(nèi),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(jù)圖6、9可知,濾波器的全腔仿真結(jié)果和電路仿真結(jié)果基本一致,器件所有實測數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計指標。仿真數(shù)據(jù)結(jié)果表明,該器件的集成化設(shè)計方法完全滿足要求,其結(jié)構(gòu)新穎且合理。

6 結(jié)束語

本文創(chuàng)新性的通過集成化設(shè)計方法,在小體積范圍內(nèi)選擇SIR結(jié)構(gòu),并實現(xiàn)了交叉耦合的方式。在此基礎(chǔ)上進行電訊仿真、耐功率設(shè)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(shè)計中出現(xiàn)的頻率響應(yīng)、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(shè)計和制作提供了理論依據(jù)和指導。此外,采用更復雜的模型設(shè)計出要求嚴格的濾波器。

該器件的設(shè)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(jīng)驗與借鑒,設(shè)計方法對以后類似項目的研發(fā)具有一定的參考價值。