基于MEMS微波功率傳感技術(shù)的微波頻率檢測(cè)器的研究.pdf

1、頻率是微波信號(hào)三個(gè)重要的參數(shù)（功率、頻率和相位）之一，微波頻率測(cè)量技術(shù)在軍事、航天、航空以及通信等領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有的微波頻率計(jì)不是系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高就是頻帶較窄、可靠性低，且制備工藝無法與主流的砷化鎵單片微波集成電路(GaAs MMIC)工藝兼容。因此，本文針對(duì)微波頻率計(jì)的以上不足，利用GaAs MMIC工藝，基于熱電式MEMS微波功率傳感器和電容式MEMS微波功率傳感器，對(duì)MEMS微波頻率檢測(cè)器進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容及其創(chuàng)

2、新點(diǎn)包括:
　　(1)在熱電式MEMS微波功率傳感器的模型、溫濕度效應(yīng)以及頻率補(bǔ)償方面
　　基于傅里葉熱傳導(dǎo)方程，本文建立了熱電式MEMS微波功率傳感器的二維熱傳導(dǎo)模型，使得與有限元軟件模擬結(jié)果之間的相對(duì)誤差由一維模型的20％減小為10％。實(shí)驗(yàn)表明，熱電式MEMS微波功率傳感器的靈敏度約為0.26mV/mW，與通過二維模型計(jì)算的靈敏度0.25mV/mW接近。此外，測(cè)試了熱電式MEMS微波功率傳感器的溫濕度效應(yīng)，并建立了相應(yīng)的

3、溫度解析模型。實(shí)驗(yàn)表明，該傳感器的輸出熱電勢(shì)隨著環(huán)境溫度的增加而增大，其斜率約為0.15mV/K@10GHz，當(dāng)環(huán)境濕度變化時(shí)，輸出熱電勢(shì)基本不變，原因是結(jié)構(gòu)中的負(fù)載電阻、GaAs襯底以及熱電偶材料對(duì)環(huán)境濕度不敏感。最后，設(shè)計(jì)并制備了一種頻率補(bǔ)償式的微波功率傳感器。測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)試端口和補(bǔ)償端口的回波損耗均小于-26dB，通過補(bǔ)償，使得在1-20GHz范圍內(nèi)，輸入功率為100mW時(shí)，輸出熱電勢(shì)穩(wěn)定在10.9mV左右，不再隨著微波信號(hào)的

4、頻率變化。以上內(nèi)容的創(chuàng)新之處在于熱電式MEMS微波功率傳感器的二維熱傳導(dǎo)模型減小了與測(cè)量結(jié)果之間的誤差，較好地詮釋了傳感器中電-熱-電轉(zhuǎn)換的物理行為;溫濕度效應(yīng)的研究探索性地提出了熱電式MEMS微波功率傳感器可靠性的實(shí)驗(yàn)和理論方法，為其在微波信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ);頻率補(bǔ)償式的微波功率傳感器克服了靈敏度隨著微波頻率變化的缺點(diǎn)。
　　(2)在電容式MEMS微波功率傳感器的模型和三階互調(diào)失真方面
　　基于力學(xué)理論，本文建

5、立了電容式MEMS微波功率傳感器的一維模型，并對(duì)制備的電容式MEMS微波功率傳感器進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，在X波段，回波損耗小于-25dB，插入損耗約為0.1dB，其功率響應(yīng)的靈敏度分別為6.16aF/mW@8GHz，6.27aF/mW@10GHz和6.03aF/mW@12GHz，與在X波段模型計(jì)算的結(jié)果6.44aF/mW基本接近。在此基礎(chǔ)上，本文還測(cè)試了電容式MEMS微波功率傳感器的三階互調(diào)失真現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)雙音信號(hào)的頻率差大于20

6、0kHz時(shí)，功率傳感器的三階互調(diào)分量很小。以上內(nèi)容的創(chuàng)新之處在于電容式MEMS微波功率傳感器的一維模型探明了MEMS懸臂梁的位移、電容變化與微波功率之間的關(guān)系，較好地詮釋了傳感器中電-力-電轉(zhuǎn)換的物理行為;并通過實(shí)驗(yàn)探索了電容式MEMS微波功率傳感器的三階互調(diào)失真現(xiàn)象，突破了傳統(tǒng)的基于二極管檢波的功率傳感器中普遍存在的非線性失真問題的技術(shù)瓶頸。
　　(3)在MEMS微波功率傳感器功率測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍方面
　　本文提出了一種由熱

7、電式微波功率傳感器和耦合式微波功率傳感器構(gòu)成的高動(dòng)態(tài)范圍的級(jí)聯(lián)式MEMS微波功率傳感器。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)輸入功率在1-100mW的范圍內(nèi)，熱電式微波功率傳感器檢測(cè)微波功率，靈敏度約為0.088mV/mW@10GHz，當(dāng)輸入功率在100-150mW的范圍內(nèi)，耦合式微波功率傳感器檢測(cè)微波功率，靈敏度約為8.6μV/mW@10GHz。在此基礎(chǔ)上，采用阻抗補(bǔ)償技術(shù)優(yōu)化其微波性能，結(jié)果表明，在8-12GHz頻帶上，未采用阻抗補(bǔ)償技術(shù)的功率傳感器的

8、回波損耗只有-22dB，而采用阻抗補(bǔ)償技術(shù)的功率傳感器的回波損耗低于-26dB。以上內(nèi)容的創(chuàng)新之處在于級(jí)聯(lián)式MEMS微波功率傳感器擴(kuò)展了功率測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍，突破了熱電式功率傳感器測(cè)量高功率信號(hào)時(shí)線性度退化甚至燒毀、耦合式功率傳感器測(cè)量低功率信號(hào)時(shí)靈敏度過低的技術(shù)瓶頸;級(jí)聯(lián)式MEMS微波功率傳感器阻抗補(bǔ)償技術(shù)的研究優(yōu)化了微波性能，解決了MEMS梁引入的額外電容對(duì)器件產(chǎn)生影響的問題。
　　(4)在基于MEMS微波功率傳感技術(shù)的微波頻率

9、檢測(cè)器方面
　　本文設(shè)計(jì)了一種一分二式MEMS微波頻率檢測(cè)器，并對(duì)其進(jìn)行制備、封裝和測(cè)試，其中，熱電式MEMS微波功率傳感器和電容式MEMS微波功率傳感器分別檢測(cè)低功率信號(hào)和高功率信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明，在中心頻率處，回波損耗約為-17dB，對(duì)于低功率信號(hào)，頻率測(cè)試的靈敏度分別為0.033μV·MHz-1@10dBm，0.110μV·MHz-1@15dBm和0.343μV·MHz-1@20dBm，對(duì)于高功率信號(hào)，頻率測(cè)試的靈敏度約為0.0

10、13fF·MHz-1@24dBm。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種一分三式MEMS微波頻率檢測(cè)器，并對(duì)其進(jìn)行制備和測(cè)試。實(shí)驗(yàn)表明，在中心頻率處，頻率檢測(cè)器的回波損耗小于-28dB，當(dāng)頻率由11GHz增加到13GHz時(shí)，對(duì)于低功率信號(hào)(20dBm)，熱電式MEMS微波功率傳感器輸出熱電勢(shì)的比值由1.25減小到0.7，頻率檢測(cè)的靈敏度約為0.323/GHz，對(duì)于高功率信號(hào)(26dBm)，電容式MEMS微波功率傳感器輸出電容變化的比值由約1.15減小到

11、0.8，頻率檢測(cè)的靈敏度接近0.2/GHz。同時(shí)，設(shè)計(jì)并制備了一種在線式MEMS微波頻率檢測(cè)器。測(cè)試結(jié)果表明，在X波段上，該頻率檢測(cè)器的回波損耗小于-14dB，插入損耗小于1.2dB，當(dāng)輸入功率為10dBm，頻率從8GHz增加到12GHz時(shí)，輸出熱電勢(shì)從0.21mV增加到0.35mV，靈敏度約為0.035mV/GHz。以上內(nèi)容的創(chuàng)新之處在于一分三式MEMS微波頻率檢測(cè)器不僅提高了頻率測(cè)試的精度，更突破了無法對(duì)功率未知的微波信號(hào)實(shí)現(xiàn)頻率檢

12、測(cè)的技術(shù)瓶頸;在線式微波頻率檢測(cè)器達(dá)到了頻率測(cè)量對(duì)正在傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘?hào)幾乎不產(chǎn)生影響的目的;上述三種頻率檢測(cè)器均由無源元件構(gòu)成，無直流功耗。
　　(5)在基于MEMS微波功率傳感技術(shù)的微波頻率檢測(cè)器的S參數(shù)方面
　　本文首先提取了CPW、ACPS和邊緣耦合的CPW傳輸線的特征阻抗和衰減系數(shù)，并在此基礎(chǔ)上，利用奇偶模方法分析并推導(dǎo)了一分二功分器的S參數(shù)模型。根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論，建立了一分二式微波頻率檢測(cè)器和一分三式微波頻率檢測(cè)器的

13、S參數(shù)模型，研究了移相器的相移量、功分器中ACPS傳輸線的阻抗值及其長度三個(gè)因素對(duì)頻率檢測(cè)器微波性能的影響。以上內(nèi)容的創(chuàng)新之處在于通過分析和研究MEMS微波頻率檢測(cè)器的S參數(shù)，降低回波損耗(S11)以抑制其電壓駐波，較好地解決了微波信號(hào)檢測(cè)與分析系統(tǒng)中電磁兼容的設(shè)計(jì)問題，為實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的電磁兼容奠定了理論基礎(chǔ)。
　　本文所提出的結(jié)構(gòu)，均經(jīng)過理論分析與計(jì)算，以及有限元軟件HFSS和ANSYS的模擬，并對(duì)制備的熱電式MEMS微波功率傳

14、感器、電容式MEMS微波功率傳感器及MEMS微波頻率檢測(cè)器進(jìn)行了測(cè)試與分析。以上基于MEMS微波功率傳感技術(shù)的微波頻率檢測(cè)器的設(shè)計(jì)理論和實(shí)現(xiàn)方法均在MEMS領(lǐng)域重要的國際學(xué)術(shù)期刊IEEE Sensors Journal和Journal of Micromechanicsand Microengineering以及重要的學(xué)術(shù)會(huì)議IEEESensors和IEEE RFIC上發(fā)表，具有較高的學(xué)術(shù)價(jià)值;同時(shí)，以上研究成果取得了多項(xiàng)國家發(fā)明專利的