基于微机电系统工艺的微型左右手复合传输线宽带滤波器.pdf

第 卷第 期 年月 机 械 工 程 学 报 CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol N o 基于微机电系统工艺的微型左右手 复合传输线宽带滤波器 黄闯 1 陈迪1 靖向萌1 陈翔1 刘景全1 朱军 1 魏文婕2 魏泽勇2 李宏强2 1 微米纳米加工技术国家级重点实验室 薄膜与微细技术教育部重点实验室 上海交通大学微纳科技研究 院 上海 200040 2 同济大学物理系 上海 200092 摘要 设计并采用 MEMS 工艺加工制备了一种微型左右手复合传输线宽带滤波器 器件主要结构由两条平行的金 属蛇形线构成 蛇形线的末端接有金属圆片作为接地单元 蛇形线对产生左右手电感和电容 通过改变蛇形线的 单元数目 即可改变器件的工作频率 并且 本复合传输线单周期即可体现左手材料特性 给出了器件的电磁场 仿真结果 可以看到在左手频带中磁场沿着与能量相反的方向传输 测试结果得出 8 单元样品通带范围为 0 99 GHz 至 2 09 GHz 中心频率为 1 54 GHz 相对 3 dB 宽度为 71 42 4 单元样品通带范围 1 84 GHz 至 3 36 GHz 中 心频率为 2 6 GHz 相对 3 dB 宽度为 58 46 关键词 左右手复合传输线 宽带滤波器 左手材料 中图分类号 TN 603 5 0 前言 近来 相对介电常数和磁导率为负的异性材料 或者左手材料 LHMs Left Handed Materials 已经 成为一个研究热点 1 3 1968 年前苏联物理学家 Veselago对电磁波在介电常数 和磁导率 同时为负 数的介质中的传播特点作过纯理论的研究 1996 年 英国皇家科学院的Pendry等人从研究结构材料 的角度出发 提出了用周期性排列的金属条可以在 微波波段产生负等效介电常数 1999 年 Pendry 等 人 进 一 步 提 出 了 用 周 期 性 排 列 的 开口金属谐振环 Split Ring Resonator 可以在微波 波段产生负等效磁导率 2000 年 美国加州大学圣 地亚哥分校Smith等人将金属丝板和SRR板有规律 地排列在一起 制作了世界上第一块等效介电常数 和等效磁导率同时为负数的介质 在最先提出的缺陷环谐振器和金属线之后 George V Eleftheriades提出了传输线模型 他将传 输线中的电感 电容和电阻与左手材料中的Rod和 SRR相对应 这样不仅便于分析LHM 的特性 而 上海市科委重点基础研究项目 05JC14061 且可以构造具有左手特性的电路 成为研究过程中 的一个独特领域 基于传输线方法 新型的微波器 件和设计不断被提出 例如耦合器 滤波器 移相 器和天线等 4 6 然而 现有异性结构尺寸大 难于 实际应用和集成 另一方面 由于周期的不连续性 导致严重的耦合噪声 特别在大的或非常大的集成 电路中 周期性的器件需要较大的尺寸 7 将左手材料理论用于滤波器设计是左手材料的 一个重要应用 现有的左手材料滤波器设计主要是 应用左手材料等效电路理论进行设计 4 8 对其加 工精度 设计尺寸没有严格的要求 本文提出了一种新的微型左右手复合传输线结 构 其中并行的两条蛇形线用于产生串联电感和电 容 具体的传输特性将在下一节中介绍 采用 MEMS 技术可以使本结构易于制造和集成 我们用 电磁场仿真软件得出了电磁场的传播特性 采用 MEMS 工艺制备出了一种宽带滤波器 并对其进行 了测试 1 传输特性分析 1 1 传输线结构 机 械 工 程 学 报 第 卷第 期期 2 图 1 传输线结构图 图 1 给出了传输线结构图 器件介质层相对介 电常数 r 2 2 厚度Hd 0 8 输入输出端口微带线 宽度Ws 2 5 mm 对应微带线特征阻抗Zo 50 根 据SMA头的焊接需要 Ls 8mm 蛇形线半径及宽 度主要是根据加工的精度进行设计 并联电感长度 及金属圆片半径难于应用理论计算 因此 其设计 方法是基于已有的蛇形线半径及宽度 根据实验和 仿真结果取值 结构尺寸参数含义及取值如表 1 所 示 为表达方便 用单元表示蛇形线的一组完整的 折叠 表表 1 参数表参数表 参数 8 单元 mm 4 单元 mm 微带长度 Ls 8 8 微带宽度 ws 2 5 2 5 并联电感长度 Lstub 2 2 2 2 金属圆片半径 Rp 1 1 铜层厚度 Tm 0 01 0 01 介质板厚度 Hd 0 8 0 8 蛇形线宽度 Lw 0 05 0 05 蛇形线内半径 Ri 0 075 0 075 蛇形线外半径 Ro 0 175 0 175 1 2 等效电路 图 2 中给出了器件的等效电路 其中左手的部 分包括 CL 和 LL 右手部分包括蛇形线对产生的电 容 CR 和串联电感 LR 以及蛇形线端圆片产生的电 容 CRP Rs 和 GP 表示损耗部分 下面给出这种异 性结构的详细分析 并说明与传统左右手复合传输 线相比的优越性 图 2 传输线等效电路图 1 3 结构分析 首先研究蛇形线对 蛇形线在同样的空间长度 上可以获得相对多的电感 在蛇形线对间距和金属 层厚度不变的情况下 电容和电感与蛇形线的等效 线长成正比 与传统设计相比 本设计的优势在于 可以在增加电容的同时 相对于传统设计更多的增 加串行的电感 现设一变量 l 2 Ro Ri Lw 其中 2 Ro Ri Lw 为蛇形线一个周期宽度 由于传统设 计采用插指电容 当通过延长插指长度 l增加电容 时 对应的等效线长增加约为 l N 其中N为插指电 容的指数 这是因为插指电容的电感是插指间并联 的结果 而采用蛇形线设计 在增加一个单元宽度 l时 对应的等效线长增加为 2 Ws 按本文中的设 计增加一个单元时 增加的等效线长与插指电容的 设计相比 如式 1 2NLRRWM wiosI 1 其中MI表示两种设计相比较的比例结果 N表 示单元个数 将表 1 中的参数值代入上式 得 MI 2 2 5 2 0 175 0 075 0 05 N 12 5 N 因此 在希望降低器件工作频率时 采用蛇形 线设计具有更大的优势 本文中一个工作于 1 54 GHz的单元长度为 3 5 mm 而采用文献 8 中的设计 工作于 2 576 GHz的器件单元长度为 12 mm 如果采用多周期 传统设计将使得长度倍增 而本设计仅用一个周期即可实现左手性 本文中蛇 形线的单元排布方向与传输线方向相同 这使得一 个周期内也能获得左手材料特性 图 3 给出了软件 仿真出的左手性频带磁场强度传输方向 作为对比 图 4 给出了能量传输方向图 图 5 是普通右手频带 的磁场强度传输的方向图 图 3 和图 5 中的白圈区域为磁场峰值的移动方 向 结果表明 在左手区 磁场与能量传输方向相 反 并且 左手区的磁场传输方向与右手区的磁场 传输方向相反 这证明了单周期内出现了左手性 通过 MEMS 工艺 可以获得更小的线宽 本文 中样品最小线宽为 50 微米 MEMS 工艺使得在有 月 黄 闯等 一种基于 MEMS 工艺的微型左右手复合传输线宽带滤波器 3 限的面积上可以排布更长的蛇形线增加串联电感 同时 可以进一步缩小蛇形线对间距 从而增加串 联电容 图 3 磁场传输方向图 f 2 2 GHz 图 4 能量传输方向图 f 2 2 GHz 图 5 磁场传输方向图 f 6 GHz 本文设计的另一个特点是使用串联电容实现接 地连接 这可以避免传统设计中 由过孔带来的干 扰而引起器件性能下降 同时 在蛇形线的末端连 接金属圆片作为接地器件可以实现整个器件的共面 化 使得加工工艺简化 保证器件的精度 另一方 面 也使得器件易于集成到应用系统中 2 器件加工 由于铜刻蚀为各向同性刻蚀 因此 直接刻蚀 较厚的铜层就不能加工出精确的图形 所以 我们 采用电镀的方法 图 6 给出了相关步骤示意图 图 7 图 8 分别是光刻后和最终的样品图片 全部的加工过程共分为以下 5 个步骤 1 切割敷铜板作为基板 由于加工设备使用 的装卡模具关系 需要将敷铜板切割成直径为 76 mm 圆片 敷铜板单面敷有厚度为 30 微米的铜层 后续的加工主要在无铜面进行 2 溅射 Cr Cu 种子层 由于铜基板结合力不 理想 所以先溅射一层吸附力较好的 Cr 溅射层总 厚度约为 100 nm 3 旋涂光刻胶并光刻 光刻胶为正胶 厚度 为 12 m 4 电镀厚度 10 m 的铜 5 去除光刻胶 去除底膜 图 6 加工流程图 图 7 光刻后的显微镜照片 图 8 已完成的 4 单元与 8 单元样品 3 结果与讨论 本文设计的传输线利用左手通带和左右频带 间的带隙作为阻带形成滤波器 图 9 图 12 分别为 8 单元和 4 单元样品的 S11 回波损失 和 S21 输出 效率 结果图 机 械 工 程 学 报 第 卷第 期期 4 图 9 8 单元样品 S11 图 图 10 8 单元样品 S21 图 图 11 4 单元样品 S11 图 图 12 4 单元样品 S21 图 样品的仿真结果使用 CST Microwave Studio Version 5 0 0 微波仿真软件获得 样品的测试结果 使用网络分析仪 8722ES 测得 8 单元样品通带 范围 0 99 GHz 至 2 09 GHz 中心频率为 1 54 GHz 相对 3 dB 宽度为 71 42 4 单元样品通带范围 1 84 GHz 至 3 36 GHz 中心频率为 2 6 GHz 相对 3 dB 宽度为 58 46 结果表明设计具有较大的相对带 宽 同时 通过调节蛇形线的单元数目 可以实现 不同的工作频率 图 13 给出了 8 单元样品的相移常数曲线图 图中低频部分相移常数为负 证明在此频率范围 微波相速度在传输线中反向 在左手带边频率相移 常数出现正向的峰值为奇异现象 目前还无法解释 对比仿真结果与测试结果 发现 CST 微波仿真软 件可相对准确地预测设计的通带频率 但是在阻带 衰减幅度上仿真结果并不准确 其原因主要是仿真 软件仿真过程中的误差 仿真软件使用的是理想介 质材料 不能模拟介质材料的损耗 而实际使用的 介质板都是由损耗的 因此 在 S11 和 S21 曲线中 测试结果的性能都有所降低 这可以通过使用更低 损耗的介质来改善 0 1 2 3 800 4000400 相移常数 频 率f G H z 测试 仿真 图 13 8 单元 样品相移常数 4 结论 1 本文采用 MEMS 微加工工艺和左手材料理 论 设计并制备了一种新型的左右手复合传输线 软件仿真得出该复合传输线在不同频率下同时具有 左手性和右手性 2 测试结果得出 8 单元样品通带范围 0 99 GHz 至 2 09 GHz 中心频率为 1 54 GHz 相对 3 dB 宽度为 71 42 4 单元样品通带范围 1 84 GHz 至 3 36 GHz 中心频率为 2 6 GHz 相对 3 dB 宽度为 58 46 3 蛇形线对结构使这种设计较传统设计具有 体积小 结构简单 易于集成等优点 本文设计的 另一优点是可以在单周期内实现左手性 因此 可 以用单周期实现器件 这是传统设计不容易达到的 进一步的研究将解决设计的模型化 给出不同频率 对应的参数关系 月 黄 闯等 一种基于 MEMS 工艺的微型左右手复合传输线宽带滤波器 5 参 考 文 献 1 VESELAGO V G Electrodynamics of substances with simultaneously negative electrical and magnetic permeabilities J Soviet Physics Uspekhi 1968 10 4 5 13 2 PENDRY J B HOLDEN A J STEWART W J et al Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructures J Physical Review Letters 1996 76 25 4773 4776 3 PENDRY J B HOLDEN A J ROBBINS D J et al Low frequency plasmonsin thin wire structure J J Phys C 10 4785 4808 4 LAI A CALOZ C ITOH T Composite right left handed transmission line metamaterials J IEEE Micro 2004 34 50 5 KIM H KOZYREV A B KARBASSI A et al Linear tunable phase shifter using a left handed transmission line J IEEE Microwave Wireless Compon Lett May 2005 15 5 366 368 6 MAO S G WU M S CHUEH Y Z and CHEN C H Modeling of symmetric composite right left handed coplanar waveguides with applications to compact bandpass filters J IEEE Trans Microwave Theory Tech 2005 53 11 3460 3466 7 HEYDARI P PEDRAM M Capacitive coupling noise in high speed VLSI circuits J IEEE Trans Comput Aided Design Integr Circuits Syst 2005 24 3 478 487 8 LIN X Q MA H F BAO D and CUI T J Design and Analysis of Super Wide Bandpass Filters Using a Novel Compact Meta Structure J IEEE Trans Microwave Theory Tech 2007 55 4 747 753 A MICRO CRLH WIDEBAND FILTER BASED ON MEMS TECHNOLOGY Chuang Huang 1 Di Chen1 Xiangmeng Jing1 Xiang Chen 1 Jingquan Liu1 Jun Zhu1 Wenjie Wei 2 Zeyong Wei2 Hongqiang Li2 1 State key Laboratory of Micro nano Fabrication Technology Key Laboratory of Thin films and Microtechnology Ministry of Education Institute of micro nano Science and Technology Shanghai Jiao Tong University Shanghai 200030 2 Department of Physics Tongji University Shanghai 200092 Abstract A novel micro CRLH composite right left handed wide band filter based on MEMS technology was designed and fabricated This wide band filter has two parallel meander lines Two circular patches were used as the ends of the lines respectively which are used to connect with the ground Compared with the other designs a relatively large inductance can be obtained by the meander lines and also left hand property can be shown by one period This avoids increasing length of the d