毫米波LIGA MEMS帶通濾波器的研究.pdf

1、采用LIGA工藝制作的高性能MEMS毫米波濾波器是當(dāng)今無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)性的課題之一。與傳統(tǒng)的微帶傳輸線(xiàn)不同，該MEMS毫米波濾波器采用LIGA工藝制作技術(shù)產(chǎn)生具有一定厚度的微帶金屬帶條的三維傳輸線(xiàn)結(jié)構(gòu)，從而在數(shù)10μm寬度的帶條上實(shí)現(xiàn)厚度為10μm-1mm的金屬結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)大的高寬比特性。這種LIGA工藝制作的微帶傳輸線(xiàn)金屬帶條厚度可大于帶條寬度，不僅能夠滿(mǎn)足在毫米波頻率范圍濾波器電路對(duì)高耦合度和低損耗的需要，而且金屬帶條厚度

2、作為L(zhǎng)IGA傳輸線(xiàn)的設(shè)計(jì)參數(shù)，有效地提高了微帶傳輸線(xiàn)在毫米波波段的傳輸特性。并且由于金屬帶條厚度的大大增加，LIGA傳輸線(xiàn)更能承受較大電流密度而被應(yīng)用到高功率MMIC收發(fā)信機(jī)系統(tǒng)中。本文根據(jù)LIGA傳輸線(xiàn)在毫米波波段呈現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，討論了一種LIGA毫米波帶通濾波器的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明，在中心頻率33.2GHz實(shí)現(xiàn)3dB帶寬為40％寬頻帶特性，而插入損耗可降低到1.7dB的水平。但采用傳統(tǒng)微帶電路理論設(shè)計(jì)這種Ka波段寬帶濾波器時(shí)，中

3、心頻率將產(chǎn)生偏差，所以在設(shè)計(jì)具有厚度不可忽略的三維微帶線(xiàn)時(shí)，傳統(tǒng)微帶電路理論將不再適用。因此必須找出一種可以計(jì)算具有任意厚度、適合LIGA工藝制作的三維微帶線(xiàn)的方法。本文從傳統(tǒng)平行耦合帶通濾波器設(shè)計(jì)理論出發(fā)，提出了考慮具有金屬帶條厚度的LIGA毫米波平行耦合帶通濾波器新的建模方法和設(shè)計(jì)理論。 本文分別采用準(zhǔn)靜態(tài)方法和全波方法對(duì)LIGA毫米波濾波器進(jìn)行建模分析。在準(zhǔn)靜態(tài)分析中采用保角變換，提出了一種分析任意金屬帶條厚度的微帶線(xiàn)的方

4、法。該方法采用保角變換的一種特殊形式，是基于Matlab的Schwarz-Christoffel(SC)變換工具箱混合技術(shù)的分析計(jì)算方法。通過(guò)保角變換理論的Schwarz-Christoffel變換，可以推廣到分析任意厚度微帶傳輸線(xiàn)，并可以得到封閉解析表達(dá)式。在分析耦合傳輸線(xiàn)時(shí)，通過(guò)這種方法對(duì)奇偶模阻抗進(jìn)行分析，求得了耦合微帶線(xiàn)的奇模和偶模阻抗的通用表達(dá)式。對(duì)于Schwarz-Christoffel中遇到的超橢圓積分至今沒(méi)有解析解的問(wèn)題

5、，本文提出采用一種快速有效的數(shù)值方法：基于Matlab的Schwarz-Christoffel變換工具箱，通過(guò)數(shù)值解可得到各種傳輸線(xiàn)閉式的特性參數(shù)。該分析結(jié)果與仿真工具計(jì)算結(jié)果能夠很好地吻合。采用該分析方法，獲得了任意金屬厚度微帶線(xiàn)阻抗和耦合微帶線(xiàn)的奇偶模阻抗的精確計(jì)算公式。證實(shí)了本文所提出的分析方法的可信性。本文為RFMEMS無(wú)源器件的理論分析和建模提供了新方法。 在全波分析中采用非分裂的完美吸收邊界條件(UnsplitPML

6、)的時(shí)域有限差分(FDTD)方法，把UnsplitPML應(yīng)用到三維結(jié)構(gòu)毫米波微帶電路中。UnsplitPML不同于Berenger的PML吸收邊界，采用了非分裂的吸收邊界條件。它的優(yōu)點(diǎn)在于并不需要對(duì)PML空間進(jìn)行特殊處理，也不需對(duì)邊界的電場(chǎng)和磁場(chǎng)進(jìn)行分裂，吸收邊界和工作空間可以通過(guò)參數(shù)轉(zhuǎn)換來(lái)完成。同時(shí)，UnsplitPML公式簡(jiǎn)單，易于理解和編程。通過(guò)對(duì)LIGA微帶線(xiàn)的全波分析，包括對(duì)具有厚度金屬帶條的特性阻抗、等效介電常數(shù)的分析和對(duì)L

7、IGA耦合微帶線(xiàn)奇偶模阻抗的分析，并與二階Mur吸收邊界條件進(jìn)行比較，仿真結(jié)果優(yōu)于Mur吸收邊界條件。最后對(duì)LIGA毫米波濾波器的S參數(shù)進(jìn)行分析，均能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。 本論文通過(guò)基于MEMS新概念的毫米波帶通濾波器機(jī)理、結(jié)構(gòu)、加工工藝特點(diǎn)、模型建模及仿真技術(shù)進(jìn)行研究，從理論上解決了在毫米波頻率下實(shí)現(xiàn)帶通濾波器精確設(shè)計(jì)的問(wèn)題，突破了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的障礙，為毫米波三維耦合傳輸線(xiàn)電路分析方法和設(shè)計(jì)理論方面提供新的思路，為毫米波電路系統(tǒng)的高