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

第卷第期年月机械工程学报CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGVol.No.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21（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0.99GHz至2.09GHz，中心频率为1.54GHz，相对3dB宽度为71.42%。4单元样品通带范围1.84GHz至3.36GHz，中心频率为2.6GHz，相对3dB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：TN603.50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：LeftHandedMaterials)，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ε和磁导率μ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-RingResonator)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，GeorgeV．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εr=2.2，厚度Hd=0.8。输入输出端口微带线宽度Ws=2.5mm，对应微带线特征阻抗Zo=50Ω。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1参数表参数8单元（mm）4单元(mm)微带长度Ls88微带宽度ws2.52.5并联电感长度Lstub2.22.2金属圆片半径Rp11铜层厚度Tm0.010.01介质板厚度Hd0.80.8蛇形线宽度Lw0.050.05蛇形线内半径Ri0.0750.075蛇形线外半径Ro0.1750.1751.2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Δl=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Δl增加电容时，对应的等效线长增加约为Δl/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Δl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）。]/)/[(*2NLRRWMwiosI−+=(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1.54GHz的单元长度为3.5mm，而采用文献[8]中的设计，工作于2.576GHz的器件单元长度为12mm。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=2.2GHz图4能量传输方向图f=2.2GHz图5磁场传输方向图f=6GHz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76mm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100nm。（3）旋涂光刻胶并光刻。光刻胶为正胶，厚度为12μm。（4）电镀厚度=10μm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98单元样品S11图图108单元样品S21图图114单元样品S11图图124单元样品S21图样品的仿真结果使用CSTMicrowaveStudioVersion5.0.0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0.99GHz至2.09GHz，中心频率为1.54GHz，相对3dB宽度为71.42%。4单元样品通带范围1.84GHz至3.36GHz，中心频率为2.6GHz，相对3dB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。0123-800-4000400相移常数β频率f/GHz测试仿真图138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0.99GHz至2.09GHz，中心频率为1.54GHz，相对3dB宽度为71.42%。4单元样品通带范围1.84GHz至3.36GHz，中心频率为2.6GHz，相对3dB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]VESELAGOVG,Electrodynamicsofsubstanceswithsimultaneouslynegativeelectricalandmagneticpermeabilities[J].SovietPhysicsUspekhi:1968，10（4）：5-13.[2]PENDRYJB,HOLDENAJ,STEWARTWJ,etal.Extremelylowfrequencyplasmonsinmetallicmesostructures[J].PhysicalReviewLetters:1996,76(25):4773-4776.[3]PENDRYJB,HOLDENAJ,ROBBINSDJ,etal..Lowfrequencyplasmonsinthin-wirestructure[J].J.Phys.:C.10:4785-4808.[4]LAIA,CALOZC,ITOHT.Compositeright/left-handedtransmissionlinemetamaterials[J].IEEEMicro2004:34–50.[5]KIMH,KOZYREVAB,KARBASSIA,etal.Lineartunablephaseshifterusingaleft-handedtransmissionline[J].IEEEMicrowave.WirelessCompon.Lett.:May2005,15(5):366–368,.[6]MAOSG,WUMS,CHUEHYZandCHENCH.Modelingofsymmetriccompositeright/left-handedcoplana