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毫米波濾波器是當今無線通信領(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結(jié)構(gòu)，從而在數(shù)10μm寬度的帶條上實現(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金屬帶條厚度可大于帶條寬度，不僅能夠滿足在毫米波頻率范圍濾波器電路對高耦合度和低損耗的需要，而且金屬帶條厚度

2、作為LIGA傳輸線的設(shè)計參數(shù)，有效地提高了微帶傳輸線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)信機系統(tǒng)中。本文根據(jù)LIGA傳輸線在毫米波波段呈現(xiàn)的優(yōu)點，討論了一種LIGA毫米波帶通濾波器的設(shè)計。實驗樣機測試結(jié)果表明，在中心頻率33.2GHz實現(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)計這種Ka波段寬帶濾波器時，中

3、心頻率將產(chǎn)生偏差，所以在設(shè)計具有厚度不可忽略的三維微帶線時，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算具有任意厚度、適合LIGA工藝制作的三維微帶線的方法。本文從傳統(tǒng)平行耦合帶通濾波器設(shè)計理論出發(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)計理論。 本文分別采用準靜態(tài)方法和全波方法對LIGA毫米波濾波器進行建模分析。在準靜態(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)的分析計算方法。通過保角變換理論的Schwarz-Christoffel變換，可以推廣到分析任意厚度微帶傳輸線，并可以得到封閉解析表達式。在分析耦合傳輸線時，通過這種方法對奇偶模阻抗進行分析，求得了耦合微帶線的奇模和偶模阻抗的通用表達式。對于Schwarz-Christoffel中遇到的超橢圓積分至今沒有解析解的問題

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，通過數(shù)值解可得到各種傳輸線閉式的特性參數(shù)。該分析結(jié)果與仿真工具計算結(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阻抗和耦合微帶線的奇偶模阻抗的精確計算公式。證實了本文所提出的分析方法的可信性。本文為RFMEMS無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)點在于并不需要對PML空間進行特殊處理，也不需對邊界的電場和磁場進行分裂，吸收邊界和工作空間可以通過參數(shù)轉(zhuǎn)換來完成。同時，UnsplitPML公式簡單，易于理解和編程。通過對LIGA微帶線的全波分析，包括對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L

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