来源：北京遥测技术研究所作者：焦海龙、赵广宏、李文博、骆伟、金小锋
摘要：概述基于MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统）技术的各类射频RF（RadioFrequency）无源器件及微小型单片集成系统的概念与内涵及其应用市场，重点介绍RFMEMS电容电感、开关、移相器、谐振器、滤波器、隔离器、微型同轴结构、天线、片上集成微纳系统等的国内外研究现状、典型研究成果和产品、技术方案和微纳制造工艺及性能特点等，最后浅析RFMEMS领域的发展趋势。
引言：
RFMEMS是指利用MEMS/NEMS技术微纳精细制造实现的射频微波结构、器件、单片集成子系统等。它具有小型化、低功耗、低成本、集成化等方面的优势，逐渐广泛应用于*民各领域，包括：①个人通讯，如移动电话、PDA（PersonalDigitalAssistant）、便携式计算机的数据交换；②车载、机载、船载收发机和卫星通信终端、GPS接收机等；③信息化作战指挥、战场通信、微型化卫星通信系统、相控阵雷达等。图1为RFMEMS应用领域示意图。
图1RFMEMS应用领域示意图
从技术层面上，RFMEMS主要包括：①由微机械开关、可变电容、电感、谐振器组成的基础结构单元层面；②由移相器、滤波器、VCO等组成的组件层面；③由T/R组件、单片接收机、变波束雷达、相控阵天线等组成的应用系统层面。下面主要从器件层面介绍RFMEMS现状和发展趋势，基础结构单元是组成器件的要素，片上集成子系统是器件发展的趋势。
1.RFMEMS市场RFMEMS是MEMS的一个重要的应用领域，全球RFMEMS市场正在经历着营收和出货量的双重增长。年，RFMEMS成熟市场占据了大部分的市场份额，预计未来几年新兴市场的复合年增长率将超过成熟市场。未来，全球RFMEMS市场将获得高速增长，就营收而言，复合年增长率将达到16.7%；就出货量而言，复合年增长率将达到21%；就应用类型而言，移动终端将是市场龙头，这是因为RFMEMS已广泛应用于3G、4G和下一代5G移动设备，用于提升网络和数据传输性能。*用市场，也因小型化、智能化的发展趋势，对RFMEMS器件和子系统的需求量巨大。~年MEMS市场份额预测如图2所示，~年MEMS市场增长预测如图3所示。
图2~年MEMS市场预测
图3~年MEMS市场增长预测（含RFMEMS未来趋势）
2.RFMEMS器件
RFMEMS器件主要有：①基于开关基本结构单元的移相器、可调滤波器、可变波束天线等，应用于相控阵雷达系统、平面阵列扫描天线等；②硅基/熔融石英基的高性能滤波器，应用于*用雷达/卫星通信、电子对抗等；③超小型化的声波滤波器（SAW、FBAR），大量应用于手机、无线人机交互设备、导航、微纳卫星等；④微纳电感、电容结构组成的天线阵列，用于雷达、电子对抗等；⑤微纳传输线/波导结构（如微同轴结构）组成的高性能T/R组件等。各类RFMEMS器件及其应用方向和优势特点见表1。
表1各类RFMEMS器件及其应用方向和优势特点
目前，RFMEMS领域的技术引领者主要是美国、日本及欧洲一些高科技企业，研究机构主要有HRLLaboratories、LLC、RoyalSocietyofChemistry、TexasInstruments、UniversityofMichigan-AnnArbor、UCBerkeley、NortheasternUniversity、MITLincoln、AnalogDevices、Raytheon、Motorola等，主要供货商包括Avago、Infineon、RadentMEMS、XCOMWireless、PanasonicMEW、WiSpry、Epcos（NXPSemiconductor）、RFMD、DelfMEMS、OMRON、Advantest、Toshiba、MEMTronics、SiTime、DisceraSiliconClocks等。
国内对RFMEMS的研究始于二十世纪九十年代后期，主要研究机构有清华大学（开关、滤波器）、北京大学（开关）、中电13所及美泰科技公司（滤波器）、中电55所（滤波器、开关）、东南大学（微波结构设计）、浙江大学（理论分析）、天津大学和中兴通讯公司（FBAR滤波器）、中物院电子工程所和电子科大（THz滤波器）、中科院上海微系统所、微电子所、电子所等。已经实现较好实际应用的主要是中电13所和中电55所的滤波器产品，其他大部分器件还处于实验室研究阶段。
2.1电容、电感基本器件单元
在RFMEMS器件单元中，电感和电容是重要的基本元器件，是各类部件的重要组成部分，影响着谐振电路、阻抗匹配网络、低噪声放大器、压控振荡器的性能。利用MEMS技术制作的电容、电感元件可以实现高Q值（~），而其更大的优势在于易集成和灵活性，适合现代射频微波领域对低损耗、小体积、低成本器件的要求。基于MEMS技术的可变电容、电感可以用于构建可重构滤波器、可重构网络等，对于实现可重构射频微波前端模块具有重要的意义。
RFMEMS电容主要有平板结构和叉指结构，常见的驱动方式有静电驱动、压电驱动、电磁驱动、热驱动、压阻驱动，其中静电驱动工艺简单，是最常用的方式。美国加州大学伯克利分校（UCBerkley）研究的电容基本单元，如图4（a）所示。RFMEMS电感是实现滤波、调谐、放大、阻抗耦合、频率耦合的重要器件，使用高频性能优异的片上电感能够大大提高射频滤波器、谐振器、PLL、VCO和LNA等射频单元的性能，Q值是电感的一个极为重要的参数，高Q值的片上电感对于实现高性能的滤波、调谐、放大有着极为重要的意义。美国密歇根大学（UniversityofMichigan，简写为UoM）和Radant公司研究的电感基本单元，如图4（b）所示。
图4MEMS电容和电感基本器件单元
2.2开关及衍生器件
RFMEMS开关及衍生器件大量应用在射频微波单机和系统领域，如美国RandentMEMS公司、RockWell公司、MEMTronics公司（从Raython公司独立出来）生产的基于开关的产品大量应用于DARPA和NASA主导的*事用途设备和系统中，日本Omron公司、美国WiSpry公司（被瑞声科技收购）生产的开关系列产品应用于民用领域，包括智能手机、导航终端、物联网等。目前商业化的MEMS开关产品比较见表2。
表2商业化RFMEMS开关产品对比
基于RFMEMS开关基本结构单元可以构建移相器、可调滤波器、可变波束天线等。图5为各类RFMEMS开关及衍生器件。
图5各类RFMEMS开关及衍生器件
RFMEMS开关按照驱动方式不同，可以分为静电驱动开关、电磁驱动开关、热驱动开关、压电驱动开关等；按照电路结构，可以分为串联开关和并联开关；按照接触方式不同，可以分为接触式开关和电容式开关等。目前，研究较为深入、已经产品化的RFMEMS开关是静电驱动的串联接触式和并联电容式开关。
RFMEMS开关的主要性能参数包括驱动电压、插入损耗、隔离度等，理想的开关具有极低驱动电压、零插入损耗、无限大的隔离度。
RFMEMS开关及衍生器件和子系统的发展趋势：更高性能指标（高频带、低插损、高隔离度、低驱动电压）；高可靠性、长寿命；更简单的微纳工艺、更低的成本；更高灵活性和集成度。
2.3滤波器
滤波器是构建射频微波子系统最重要、用量最大的器件之一，也是研究最广泛、成熟度最高的器件。RFMEMS滤波器有微带线滤波器、带状线滤波器、硅基腔体滤波器、熔融石英SIW滤波器、SAW滤波器、BAW和FBAR滤波器等，如图6所示。
图6各类RFMEMS滤波器
针对高性能指标、高可靠性、高功率容量的*工市场需求，RFMEMS滤波器主要有：①微带线滤波器；②硅基SIW和腔体滤波器，国内中电13所和55所研制的该类型产品已达到实用化程度；③MEMTronics公司的高性能熔融石英SIW滤波器，主要供应*工高端市场；④Avago公司FBAR和TriQuint公司BAW滤波器，主要针对超小体积、高性能的应用领域，如智能手机、消费电子无线终端、微纳卫星等。
民用市场的射频微波滤波器主要以SAW、BAW滤波器以及近年来的FBAR滤波器为主，SAW滤波器主要供应商有日本EPCOS、村田制作所、富士通MediaDevice、欧姆龙、MUTATA公司及国内的中电55所、中电26所等。SAW滤波器主要针对2GHz以下的应用领域，如早期的2G通信等。
FBAR滤波器频带可以达到20GHz，体积小到1mmx1mmx1.5mm，近年来受到RFMEMS业界极大