毕业设计开题报告
一种应用RF MEMS开关的SIW可调滤波器的设计
- 研究背景和意义
现代通信技术高速发展，已经形成多种通信制式并存的局面。科学技术作为第一生产力，不仅应用于日常生活，在国防与战争中的应用也如过江之鲫，蔚为大观。微波滤波器是一种二端口网络，在微波系统中用来控制频率响应，是信号在滤波器的通带内得以传输阻带内得以衰减。（4）可调滤波器就是谐振频率可以调节的滤波器，它可分为可调带通滤波器和可调带阻滤波器两种，其中可调带通滤波器保持滤波特性基本不变，中心工作频率可以在很宽的频率范围内快速改变（5）。在现代电子干扰和电子侦察及防止其他环境干扰的电子战中，通信系统必须具备很强的抗干扰手段，快速改变无线信道或频率是其中的一种重要手段。在雷达战中，雷达系统为了保证不被对方截获，在避免干扰的情况下要求接收机和发射机中心频率能在任何时刻迅速改变（1）因此可调滤波器便成为了系统快速改变通信频道的核心部件与分机，是用于提升通信设备的ECCM（电子反对抗）能力的重要器件[2]。
为了控制复杂军事系统“制电磁权”，DARPA（美国国防高级研究计划局）把可重构可调频微波射波滤波器作为重点研究项目之一（ARP）（3）,美国汲取海湾战争中误炸己方坦克的教训，把军事电台有海陆空各占一段频率方式改为海陆空互通互联，这对提高电台的工作频率范围和抗干扰能力提出了更高的要求，这就要使用可以快速变频的带通滤波器，因为带通滤波器跳频速率越高，带宽越宽，矩形系数越好，则通信距离越远抗干扰能力越强。于是专门研究生产可调滤波器的POLEZERO公司应运而生，近几十年来可调滤波器也是国内外研究的热点。
- 目前国内外研究现状分析
到目前为止，实现可调滤波器的技术组要有四种，第一种是文献（8）中使用的以BST为代表的铁电薄膜材料，这种材料在上世纪60年代提出，94年美国军事研究实验室指出该材料将给军事微波系统带来巨大的变革，因此它在近二十年发展迅猛，然而它的制备受工艺水平的限制，且偏压结构复杂，性能不稳定，难以符合发展的需要，第二种是文献（12）中提出的铁氧体材料，使用这种材料的以YIG磁调谐滤波器为标志，国外发达国家如美国的ALQ系列、ALR系列、F系列等各类战斗机都已全面配备这种滤波器OMINYIG公司和MICROLAMBDA公司的产品在数量和质量上都已走在世界的前列国内自六十年代起已有许多使用这种材料的滤波器应用于微博前端的接收设备当中，但较国际水平而言落后，这种滤波器线性度低，工作时消耗功率大，体积很大难以做小，而且受磁滞效应影响反应很慢，也难以符合发展需要，第三种是文献（13）中提出的变容二极管，使用这种材料的滤波器还没有大批量的投入生产，目前国外研究机构和公司如菲利普和摩托罗拉已有相应的专利，而国内仅有零星的报道，它的响应很快，但是由于缺乏对射频应用的开发而导致损耗极大，相比较而言，微机电系统（MEMS）开关体积小，损耗小，易集成且性能稳定（5）。MEMS封装好的开关使用方便，因此本课题选用MEMS开关来设计可调滤波器。
微机电机械系统（MEMS）是指采用微机械加工技术制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路甚至接口、通信和电源于一体的微型器件，在体积和性能上具有一致性和稳定性，也有功率损耗和响应时间方面等很多优势，具有集成化、智能化、成本低、可批量生产的优点，特征尺寸在1微米到1毫米。把MEMS应用在平面微波滤波器的设计当中，可以实现损耗小、隔离度高、线性度好、体积小的带通滤波器和可调滤波器。RF MEMS是MEMS技术在射频领域的应用，它用于构造低插入损耗、宽调谐范围、高线 性度的射频组件（7），来取代电容、电感、开关等离散组建实现单片集成，使射频芯片的处理速度和处理能力得到提升，这是由于它可以使现阶段的多模多频段射频芯片的体积、重量、功耗和和成本降低一个数量级。
采用MEMS技术的研究和产品在国内外已经有了很多成果。早期的 YIG 小球磁调谐宽带可调滤波器，它通过外部电流或电压控制YIG小球周围磁场的改变来实现谐振频率的改变（8），已用于微波扫频源，但其调谐速度较低。采用 MEMS 开关一分布参数式可调带通滤波器，已有产品出现。美国POLEZERO公司已生产1.5MHZ～2 GHz电调带通滤波器和 1.5MHz～1 GHz 开关电容式跳频滤波器，其中 30～400MHz 其最高功率可达 100W（6）。 PARATEK MICROWAVE 公司基于 BST(钛酸锶钡)压敏电容特性业化生产可调带通滤波器（BPF）。国内中电科13 所研制的SiMF系列MEMS带通滤波器，采用高精度微纳米加工，硅圆片直接键合、TSV等MEMS技术制作，产品频率覆盖S到Ka波段，全屏蔽，抗干扰，具有很好的微博性能，另外武汉博畅、广州圣大、北京七星华创等也都是国内这项技术研制的主要生产者（3）。
在确定了使用MEMS技术来进行可调滤波器设计之后，滤波器腔体构成应该选用哪种的问题随之而来。比较传统的谐振腔大都是使用的矩形波导，但是矩形波导并不适用于本课题这种较高频率下的应用，而且还具有电路不同部分互相干扰、体积大、成本高等缺点。容差是指频率的选取范围。波长越小，容差便越大。在高频应用中，由于波长过小，过于高的容差要求常常使微带线失效。波导常使用于高频情况，但是波导体积大，不易于集成。为了应对这样的问题，本课题拟采用基片集成波导(SIW)。它是利用金属通孔在介质基片上实现波导的场传播模式，主要采用印刷电路板PCB和低温共烧陶瓷技术来实现（9），类似于金属波导，它是一种准封闭式的平面导波结构，除了具有微带线的平面传输特性以外，几乎全部消除了由于辐射和基片的导波模引起的电路不同部分的互相干扰。SIW腔体可以等效为一个平面L-C谐振腔（5）。当频率增高时，普通LC回路两个主要缺点会越来越显著，一是损耗增加，二是储能变小，一般到分米波段LC回路已经难以适用，由分布参数微波传输线构成的谐振腔可以很好的替代LC总参数电路（10），与传统的矩形波导不同，SIW与有源器件兼容性好，便于平面集成及小型化，具有体积小、重量轻、装配简单、加工容易和成本低的传统波导所没有的优点，虽然它的Q值不如金属波导那么高，但是更利于批量加工而且损耗很小（11），它可以用来设计各种高Q值的无源器件，如转换器，环形器，滤波器及天线等，中心频率可调的可调滤波器也是可以应用SIW进行生产的。
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