基于腔结构的射频微机械谐振元件的设计

　　1　引　言

　　当前,对微观条件下的机械系统的运动规律,微小构件的电磁和热力学特性等尚缺乏充分的理论基础和实践经验,还没有形成基于一定理论基础之上的微 电机械系统的设计理论与方法,只能根据经验和试探的方法进行研究[1]。因此,微电机械系统的设计过程至关重要,是微电机械系统研制过程中的关键阶段,微 电机械系统的制造须根据设计的参数和方法进行加工,它们将决定随后制造的微电机械系统的性能。

　　在射频系统中,可使用微电机械系统技术实现一些关键器件[2],它们具有较好的性能参数(如微机械滤波器的插入损耗、相位噪声、热稳定性等)。 这些微机械射频元件的一个显著特征是在射频电路中加入了微机械(如梁、板、腔等),热、流体等元件,利用某一信号激励这些元件,寻求它们的响应规律,进而 选择相应的微机械元件,并加上一些外围设备,最后设计出相应的射频器件。随着通信技术的发展,近年来国内外兴起一股研究射频微机械技术热潮,主要研究领域 有开关、微机械带贴片天线、微机械电感、谐振器、滤波器等高性能器件[3]。

　　基于腔结构的射频微机械器件是射频微机电系统的一个研究分支,它可把信号通过波导(或其他介质)耦合到集成电路中,进而与集成电路构成一片上系 统,具有微小尺寸、高Q值、高频特性稳定等优点[4]。近年来移动通信技术高速发展,对射频谐振器件的工作频带、Q值、插入损耗等方面性能要求更高,而尺 寸要求却更小,为此本项目设计出一种基于腔体结构的微机械谐振元件,并对该元件特性进行了研究。根据组成微器件的电磁场数学方程和微细加工工艺设计出元件 结构尺寸和耦合方式,通过对它们的电磁特性和结构特性(主要是微尺度特性)进行理论推导,得出各元件的理论性能参数,最后对该结构模型进行计算机辅助分 析,得出该结构模型性能的仿真参数。仿真计算结果和实际理论的平均误差不到1%,二者吻合得很好,说明了该设计的合理性。该设计可克服目前的微机械谐振元 件工作频段低、器件体积大、批量生产困难等问题。最后根据结论提出了要获取实际的腔结构微机械谐振器件还需进一步的探索。

　　2　微机械谐振元件设计

　　2.1　谐振腔的选择

　　普通电感、电容式谐振器有一个弱点,就是当工作频率增加时,为了保持谐振器谐振,必须减少谐振电路的电感和电容,而谐振电路的增益-带宽有限, 因此普通的谐振器不能在较宽的频率范围内产生一个大的输出。要保证在宽带范围内得到大的增益,必须尽量采用高Q值的结构,而使用谐振腔无疑是一个理想的选 择。射频系统中谐振腔主要用来储存电磁波能量和选择电磁波频率,其结构形式主要有矩形、圆柱形和球形等。它的主要特性参数有固有谐振频率f0、固有品质因 素Q0,特征阻抗Z0等。理论上,一个给定的谐振腔有无穷个谐振模式,每一个模式对应一个谐振频率,当某个特征信号频率等于谐振频率时,将出现最大的驻波 振幅,且存储在电场和磁场中的峰值能量相等。一般情况下,谐振腔的基模模式最为稳定,因此这里只讨论谐振腔的基模谐振模式。同等条件下,圆柱形腔比其他结 构谐振腔有更高的Q值,故微机械谐振腔的形状可选择圆柱结构。