許愛國(guó),梅 迪

(南京國(guó)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(shì),尤其是軍工行業(yè)的航空航天通信對(duì)組件的體積、質(zhì)量要求極嚴(yán),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(shì)。

交指型微機(jī)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(gè)傳輸零點(diǎn),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(qiáng),寄生通帶遠(yuǎn)及體積小等優(yōu)點(diǎn),近年來受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者和機(jī)構(gòu)的關(guān)注和研究[3]。

硅微機(jī)械技術(shù)主要采用電感耦合等離子體(ICP)刻蝕[4]微機(jī)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(dǎo)[5]結(jié)構(gòu)。本文采用腔體濾波器[6]的耦合理論設(shè)計(jì)了一種S波段MEMS濾波器。設(shè)計(jì)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(diǎn)。

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(zhǎng)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(chǎng)矢量;H1,H2為磁場(chǎng)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(dǎo)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(shí)存在,只是大小不同。電耦合是指兩個(gè)諧振器間主要依靠電場(chǎng)完成能量的傳遞或交換,磁耦合是指兩個(gè)諧振器間主要依靠磁場(chǎng)完成能量的傳遞或交換。當(dāng)兩個(gè)諧振器的諧振頻率不同時(shí),兩個(gè)諧振器間的耦合系數(shù)為

(2)

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

當(dāng)兩個(gè)諧振器的諧振頻率相同時(shí),可將式(2)簡(jiǎn)化為

(3)

一般窄帶濾波器的f01、f02相差很小,故常用式(3)計(jì)算耦合系數(shù)。采用仿真軟件計(jì)算出一對(duì)耦合諧振器的前兩個(gè)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(chǎng)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(jì)算

2.1 技術(shù)指標(biāo)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(shí)帶外抑制≥30 dB,3.4～3.5 GHz時(shí)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(jì)

四分之一波長(zhǎng)諧振器的電場(chǎng)在開路端最強(qiáng),磁場(chǎng)和面電流最強(qiáng)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(chǎng)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(jì)中,上下表面的金屬層和通孔實(shí)現(xiàn)了對(duì)電磁場(chǎng)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(duì)諧振器的結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了,金屬損耗在設(shè)計(jì)中可優(yōu)化空間較大。

圖2 UIR和SIR電磁場(chǎng)分

在諧振器的具體實(shí)現(xiàn)中,選擇階躍阻抗諧振器(SIR)結(jié)構(gòu)。SIR是由兩個(gè)以上具有不同特征阻抗的傳輸線組合而成的橫向電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。與UIR結(jié)構(gòu)相比,SIR在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上多一個(gè)自由度,可靈活調(diào)整傳輸線的長(zhǎng)度與寬度來實(shí)現(xiàn)諧振器的小型化,同時(shí)通過改變不同段傳輸線的阻抗比,實(shí)現(xiàn)了對(duì)高次諧波的抑制,改善帶外抑制。在四分之一諧振器設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)諧振器的小型化,其電磁場(chǎng)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(jì)中設(shè)定硅片厚度為400 μm。

表1 諧振頻率對(duì)硅片厚度的敏感度

圖3 硅片厚度對(duì)諧振器性能的影響

2.4 金屬線條寬度對(duì)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(duì)金屬寬度的敏感度如表2所示。本文設(shè)計(jì)中設(shè)定金屬線條寬度為700 μm。

表2 諧振頻率對(duì)金屬寬度的敏感度

圖4 金屬寬度對(duì)諧振器性能的影響

2.5 通孔孔徑對(duì)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(duì)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(rèn)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(huì)惡化。本文設(shè)計(jì)中設(shè)定諧振器通孔孔徑為?100 μm。

表3 諧振頻率對(duì)通孔直徑的敏感度

圖5 硅通孔直徑對(duì)諧振器性能的影響

2.6 工藝敏感度對(duì)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(qiáng)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(duì)諧振頻率和耦合系數(shù)影響較小。通過磨拋工藝對(duì)硅片厚度進(jìn)行調(diào)整,厚度變化范圍為±5 μm,對(duì)諧振頻率有影響。通過ICP刻蝕后硅通孔會(huì)產(chǎn)生一定誤差(在±3 μm內(nèi)),會(huì)對(duì)頻率產(chǎn)生影響。結(jié)合上述仿真結(jié)果對(duì)工藝誤差的敏感度進(jìn)行分析,如表4所示,以此確定工藝指標(biāo)要求。

表4 工藝指標(biāo)誤差對(duì)諧振頻率的影響

磨拋誤差和孔徑誤差對(duì)器件的影響不同。磨拋工藝誤差是整體指標(biāo)一起變化,在片內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生很大的厚度分布,不會(huì)在單個(gè)濾波器內(nèi)出現(xiàn)頻率離散,只會(huì)影響濾波器中心頻率和帶外抑制,而不會(huì)惡化駐波,但片間的誤差能否控制好,還需工藝驗(yàn)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(gè)濾波器內(nèi)不會(huì)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(huì)惡化。在首輪流片對(duì)誤差檢測(cè)確定后,可導(dǎo)入設(shè)計(jì)模型進(jìn)行修正。

片厚和孔徑對(duì)頻率的影響最大,在最差情況下,濾波器的工作頻率可達(dá)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。濾波器由4個(gè)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(gè)傳輸零點(diǎn),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(chǔ)能最強(qiáng)頻率點(diǎn)遠(yuǎn)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(jì)中,濾波器在硅片表面制作金屬諧振器圖案,通過硅通孔實(shí)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(shí)利用SIR的開路端實(shí)現(xiàn)電耦合,實(shí)現(xiàn)CQ交叉耦合,產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)。在硅片表面增加聚酰亞胺(PI)薄膜層,實(shí)現(xiàn)對(duì)表面Cu的保護(hù)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(jì)

4.1 熱損耗分析

單晶硅具有良好的導(dǎo)熱特性,熱導(dǎo)率為148 W/(m·K),而鐵的熱導(dǎo)率為60 W/(m·K),鋁的熱導(dǎo)率為237 W/(m·K)。單晶硅的導(dǎo)熱系數(shù)可保障工作中濾波器產(chǎn)生的熱量能良好地?cái)U(kuò)散并導(dǎo)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(shí)擴(kuò)散傳導(dǎo)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(duì)濾波器的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jì)中對(duì)指標(biāo)要求的抗燒毀功率(37 dBm)增加3 dB余量,當(dāng)端口輸入功率為40 dBm時(shí),首腔儲(chǔ)能和兩個(gè)電耦合零點(diǎn)腔儲(chǔ)能計(jì)算結(jié)果如圖8所示。由圖可看出第2、第3諧振器儲(chǔ)能最大(達(dá)8.38 nJ)。

圖8 濾波器易發(fā)生放電諧振器的儲(chǔ)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(huì)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(shí)不會(huì)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(jìn)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。仿真數(shù)據(jù)結(jié)果表明,該器件的集成化設(shè)計(jì)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(jì)方法,在小體積范圍內(nèi)選擇SIR結(jié)構(gòu),并實(shí)現(xiàn)了交叉耦合的方式。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行電訊仿真、耐功率設(shè)計(jì)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(jì)中出現(xiàn)的頻率響應(yīng)、相對(duì)帶寬、阻帶抑制和插入損耗等問題。本文對(duì)濾波器的理論分析為MEMS濾波器的設(shè)計(jì)和制作提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)。此外,采用更復(fù)雜的模型設(shè)計(jì)出要求嚴(yán)格的濾波器。

該器件的設(shè)計(jì)思路為公司進(jìn)一步開展高集成度、高功率器件的研制提供了經(jīng)驗(yàn)與借鑒,設(shè)計(jì)方法對(duì)以后類似項(xiàng)目的研發(fā)具有一定的參考價(jià)值。