K. Entesari 等人[14]利用MEMS 電容式開關和微帶線，在玻璃襯底上制作了小型化4 位數字可調濾波器( 圖6) 。為了實現高的調諧分辨率，將電容式MEMS 開關與高Q 值MAM電容相串聯形成電容庫。器件在6.5~10 GHz 頻段實現了數字調諧，較多MEMS 開關的使用使得其濾波特性又接近于連續可調。在整個調諧范圍內，濾波器的相對帶寬為(5.1±0.4) %，回波損耗優于16 dB，插入損耗在9.8GHz、6.5 GHz 時分別為4.1 dB 和5.6 dB。濾波器的整體尺寸為5 mm×4 mm。

圖6 玻璃襯底上的6.5~10 GHz 頻段數字可調濾波器

利用兩個λ/4 共面波導諧振器，E. Fourn 等人[15]還設計了一種兩階數字可調帶通濾波器。諧振器與終端開路的短截線間的可變串聯電容由懸臂梁式MEMS 開關實現。當懸臂梁被下拉的時候，由于諧振器的電容部分發生改變，諧振頻率也發生變化。MEMS 開關處于上拉狀態時，濾波器中心頻率是21.05 GHz，3 dB 帶寬為14%，插入損耗為3.5 dB；當開關下拉時，中心頻率移到18.5 GHz，3 dB 帶寬為13%，插入損耗為3.8 dB。

以上MEMS 可調濾波器，由于僅用一種可變容性電抗元件來達到頻率調諧的目的，可調電感無法同時實現，也未能充分利用基于CPW周期性結構的微波/毫米波的慢波特性，因此其可調范圍有限。J. H. Park 等人[16]報道了一種利用分形自相似結構來實現的低損耗可重構低通濾波器，將通帶頻段推向了毫米波段，它是通過同時利用可調電感和電容實現的。該濾波器基于20 世紀80 年代美國科學家B. B. Mandelbrot 提出的分形理論，是一種按比例縮小/放大的自相似結構，從而達到多頻段上實現可重構濾波的目標。圖7 是制作的利用可調電感和電容獲得的RF MEMS 可調低通濾波器。該濾波器采用單一驅動的多觸點MEMS 開關實現濾波器重構的控制，使總的開關數目得以減小，也有效地降低了器件的插入損耗，并使得器件的整體尺寸得以減小。制備的濾波器3 dB 截止頻率從67 GHz重構到28 GHz。

圖7 分形可重構低通MEMS 濾波器

另外，通過將傳輸線諧振器做成“U”形以減小器件尺寸，A. Ocera 等人[17]制作了新穎的MEMS可調發夾線型濾波器，如圖8。該濾波器制作在525 μm 厚的高阻硅襯底上，通過10 個歐姆接觸式MEMS 懸臂梁開關給發夾型濾波器的諧振器U 型分支增加傳輸線長度，來改變諧振器的開路短截線的長度，從而得到濾波器諧振頻率的可調。濾波器在6.2 GHz 頻率上有15%的帶寬，并有著10%的調節范圍，插入損耗和回波損耗分別為4.5 dB 和17 dB。

圖8 MEMS 可調發夾型數字可調濾波器

除了上面的單刀單擲MEMS 開關實現的MEMS可調濾波器外，也有單刀多擲MEMS 開關實現的MEMS 可調濾波器的報道。I. C. Reines 等人[ 18]利用單刀三擲開關設計了Ku 波段開關型可調帶通濾波器。濾波器可調中心頻率分別為14.9、16.2、17.8 GHz，在中間頻段插入損耗小于2 dB，帶寬約7.7%，三個頻段的回波損耗優于10 dB。另外，為了適應復雜環境( 例如要求高的隔離度) ，B. Pillans等人[19]設計制作了級聯的低通和高通濾波單元，實現了中心頻率和帶寬均可調的帶通濾波器。濾波器在6~15 GHz 內實現了可調，帶外衰減快( 40 dB/GHz) ，隔離度大于50 dB。但它的插入損耗較大( 4~11 dB) 。

4、結語

基于MEMS 技術的濾波器是現在RF 系統中的一個關鍵MEMS 器件。借助于MEMS 加工技術的進步及與射頻/微波技術的結合，MEMS 濾波器的研究得到了快速的發展。MEMS 濾波器從RF 到毫米波段有很高的Q 值、插入損耗低、線性好，適應現代日益復雜的RF 環境要求。其中，可調MEMS 濾波器的開發，有著更為迫切的現實意義，它有利于開發可調諧的收發模塊，以改善多信道收發系統的性能，從而為新一代無線通信系統的開發起著不可或缺的積極作用。

作者：歐陽煒霞、張永華、王超、郭興龍、賴宗聲，華東師范大學微電子電路與系統研究所