基于MEMS微波功率传感技术的微波频率检测器的研究.caj

基于MEMS微波功率传感技术的微波频率检测器的研究
作 者 : 易真翔
学位授予单位 : 东南大学
学位名称 : 博士
导师姓名 : 廖小平
学位年度 : 2015
摘 要 : 频率是微波信号三个重要的参数(功率、频率和相位)之一,微波频率测量技术在军事、航天、航空以及通信等领域都有着非常广泛的应用。现有的微波频率计不是系统复杂、成本较高就是频带较窄、可靠性低,且制备工艺无法与主流的砷化镓单片微波集成电路(GaAs MMIC)工艺兼容。因此,本文针对微波频率计的以上不足,利用GaAs MMIC工艺,基于热电式MEMS微波功率传感器和电容式MEMS微波功率传感器,对MEMS微波频率检测器进行了研究,主要内容及其创新点包括:(1)在热电式MEMS微波功率传感器的模型、温湿度效应以及频率补偿方面基于傅里叶热传导方程,本文建立了热电式MEMS微波功率传感器的二维热传导模型,使得与有限元软件模拟结果之间的相对误差由一维模型的20%减小为10%。实验表明,热电式MEMS微波功率传感器的灵敏度约为0.26mV/mW,与通过二维模型计算的灵敏度0.25mV/mW接近。此外,测试了热电式MEMS微波功率传感器的温湿度效应,并建立了相应的温度解析模型。实验表明,该传感器的输出热电势随着环境温度的增加而增大,其斜率约为0.15mV/K@10GHz,当环境湿度变化时,输出热电势基本不变,原因是结构中的负载电阻、GaAs衬底以及热电偶材料对环境湿度不敏感。最后,设计并制备了一种频率补偿式的微波功率传感器。测试结果表明,测试端口和补偿端口的回波损耗均小于-26dB,通过补偿,使得在1-20GHz范围内,输入功率为100mW时,输出热电势稳定在10.9mV左右,不再随着微波信号的频率变化。以上内容的创新之处在于热电式MEMS微波功率传感器的二维热传导模型减小了与测量结果之间的误差,较好地诠释了传感器中电-热-电转换的物理行为;温湿度效应的研究探索性地提出了热电式MEMS微波功率传感器可靠性的实验和理论方法,为其在微波信号检测系统中的应用奠定了基础;频率补偿式的微波功率传感器克服了灵敏度随着微波频率变化的缺点。(2)在电容式MEMS微波功率传感器的模型和三阶互调失真方面基于力学理论,本文建立了电容式MEMS微波功率传感器的一维模型,并对制备的电容式MEMS微波功率传感器进行了测试。结果表明,在X波段,回波损耗小于-25dB,插入损耗约为0.1dB,其功率响应的灵敏度分别为6.16aF/mW@8GHz,6.27aF/mW@10GHz和6.03aF/mW@12GHz,与在X波段模型计算的结果6.44aF/mW基本接近。在此基础上,本文还测试了电容式MEMS微波功率传感器的三阶互调失真现象。实验表明,当双音信号的频率差大于200kHz时,功率传感器的三阶互调分量很小。以上内容的创新之处在于电容式MEMS微波功率传感器的一维模型探明了MEMSg臂梁的位移、电容变化与微波功率之间的关系,较好地诠释了传感器中电-力-电转换的物理行为;并通过实验探索了电容式MEMS微波功率传感器的三阶互调失真现象,突破了传统的基于二极管检波的功率传感器中普遍存在的非线性失真问题的技术瓶颈。(3)在MEMS微波功率传感器功率测量的动态范围方面本文提出了一种由热电式微波功率传感器和耦合式微波功率传感器构成的高动态范围的级联式MEMS微波功率传感器。测试结果表明,当输入功率在1-100mmW的范围内,热电式微波功率传感器检测微波功率,灵敏度约为0.088mV/mW@10GHz,当输入功率在100-150mW的范围内,耦合式微波功率传感器检测微波功率,灵敏度约为8.6μV/mW@10GHzo在此基础上,采用阻抗补偿技术优化其微波性能,结果表明,在8-12GHz频带上,未采用阻抗补偿技术的功率传感器的回波损耗只有-22dB,而采用阻抗补偿技术的功率传感器的回波损耗低于-26dB。以上内容的创新之处在于级联式MEMS微波功率传感器扩展了功率测量的动态范围,突破了热电式功率传感器测量高功率信号时线性度退化甚至烧毁、耦合式功率传感器测量低功率信号时灵敏度过低的技术瓶颈;级联式MEMS微波功率传感器阻抗补偿技术的研究优化了微波性能,解决了MEMS梁引入的额外电容对器件产生影响的问题。(4)在基于MEMS微波功率传感技术的微波频率检测器方面本文设计了一种一分二式MEMS微波频率检测器,并对其进行制备、封装和测试,其中,热电式MEMS微波功率传感器和电容式MEMS微波功率传感器分别检测低功率信号和高功率信号。实验表明,在中心频率处,回波损耗约为-17dB,对于低功率信号,频率测试的灵敏度分别为0.033μV·MHz-1@10dBm, 0.110μV·MHz-1@15dBm和O.343μV·MHz-1@20dBm,对于高功率信号,频率测试的灵敏度约为0.013fF·MHz-1@24dBm。在此基础上,设计了一种一分三式MEMS微波频率检测器,并对其进行制备和测试。实验表明,在中心频率处,频率检测器的回波损耗小于-28dB,当频率由11GHz增加到13GHz时,对于低功率信号(20dBm),热电式MEMS微波功率传感器输出热电势的比值由1.25减小到0.7,频率检测的灵敏度约为0.323/GHz,对于高功率信号(26dBm),电容式MEMS微波功率传感器输出电容变化的比值由约1.15减小到0.8,频率检测的灵敏度接近0.2/GHz。同时,设计并制备了一种在线式MEMS微波频率检测器。测试结果表明,在X波段上,该频率检测器的回波损耗小于-14dB,插入损耗小于1.2dB,当输入功率为10dBm,频率从8GHz增加到12GHz时,输出热电势从0.21mV增加到0.35mV,灵敏度约为0.035mV/GHzo以上内容的创新之处在于一分三式MEMS微波频率检测器不仅提高了频率测试的精度,更突破了无法对功率未知的微波信号实现频率检测的技术瓶颈;在线式微波频率检测器达到了频率测量对正在传输的微波信号几乎不产生影响的目的;上述三种频率检测器均由无源元件构成,无直流功耗。(5)在基于MEMS微波功率传感技术的微波频率检测器的S参数方面本文首先提取了CPW、ACPS和边缘耦合的CPW传输线的特征阻抗和衰减系数,并在此基础上,利用奇偶模方法分析并推导了一分二功分器的S参数模型。根据微波网络理论,建立了一分二式微波频率检测器和一分三式微波频率检测器的S参数模型,研究了移相器的相移量、功分器中ACPS传输线的阻抗值及其长度三个因素对频率检测器微波性能的影响。以上内容的创新之处在于通过分析和研究MEMS微波频率检测器的S参数,降低回波损耗(S11)以抑制其电压驻波,较好地解决了微波信号检测与分析系统中电磁兼容的设计问题,为实现整个系统的电磁兼容奠定了理论基础。本文所提出的结构,均经过理论分析与计算,以及有限元软件HFSS和ANSYS的模拟,并对制备的热电式MEMS微波功率传感器、电容式MEMS微波功率传感器及MEMS微波频率检测器进行了测试与分析。以上基于MEMS微波功率传感技术的微波频率检测器的设计理论和实现方法均在4EMS领域重要的国际学术期刊IEEE Sensors Journal 和 Journal of Micromechanics and Microengineering以及重要的学术会议IEEE Sensors和IEEE RFIC上发表,具有较高的学术价值;同时,以上研究成果取得了多项国家发明专利的授权,这些具有自主知识产权的研究成果填补了我国基于MEMS传感技术的微波频率检测的空白,具有潜在的应用价值。

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