CN103018559A - 基于间接式微机械微波功率传感器的相位检测装置及方法 - Google Patents

基于间接式微机械微波功率传感器的相位检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种基于直接式微机械微波功率传感器的微波相位检测装置及方法，该装置包括可调数字式移相器（12）、功率合成器（16）、直接式微机械微波功率传感器（19）、数字式万用表（20）；其中，参考微波信号Vref接功率合成器的输入端口一（14），待测信号Vx接可调数字式移相器的输入端口（11），可调数字式移相器的输出端口（13）接功率合成器的输入端口二（15），功率合成器的输出端口（17）接直接式微机械微波功率传感器的输入端口（18），直接式微机械微波功率传感器（19）上的背孔（8）接数字式万用表（20）。并利用测量参考信号与经过可调数字式移相器移相后的待测信号这二者合成后的功率的方法，实现精确检测微波信号相位的目的。

Description

基于间接式微机械微波功率传感器的相位检测装置及方法
技术领域
本发明提出了基于微电子机械系统(MEMS)技术的微波相位检测装置，属于微电子机械系统的技术领域。
背景技术
在微波技术研究中，微波相位是表征微波信号特征的一个重要参数。相位检测装置在天线相位方向图的测试和近场诊断等方面有极其广泛的应用，应用最广泛的微波相位检测器是利用场效应晶体管构成的吉尔伯特乘法器，这种微波相位传感器的缺点在于使用了有源器件，从而带来了不可忽略的噪声和功耗，影响了检测的准确度。自从二十世纪末以来，人们使用RF MEMS技术来实现低噪声和低功耗的微波相位检测系统，本发明即为基于此技术的检测装置。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种基于间接式微机械微波功率传感器的相位检测装置及方法，并利用测量参考信号与经过可调数字式移相器移相后的待测信号这二者合成后的功率的方法，实现精确检测微波信号相位的目的。
技术方案：本发明的基于直接式微机械微波功率传感器的微波相位检测装置包括可调数字式移相器、功率合成器、直接式微机械微波功率传感器、数字式万用表；其中，参考微波信号Vref接功率合成器的输入端口一，待测信号Vx接可调数字式移相器的输入端口，可调数字式移相器的输出端口接功率合成器的输入端口二，功率合成器的输出端口接直接式微机械微波功率传感器的输入端口，直接式微机械微波功率传感器上的背孔接数字式万用表。
基于直接式微机械微波功率传感器的微波相位检测装置的检测方法是：
该微波相位检测装置采用测量经过可调数字式移相器移相的待测信号Vx与参考信号Vref合成后的信号功率的方法，实现对微波相位的精确测量，即将待测微波信号经过可调数字式移相器10搬移一定的相位角度后加到功率合成器的输入端口二，将与待测信号频率相同的参考微波信号Vref加到功率合成器的输入端口一；这两路信号经过功率合成器进行矢量合成后加在直接式微机械微波功率传感器的输入端口；
可调数字式移相器在待测信号Vx的相位的基础上增加额外的附加相位，结果使得即将与其进行矢量合成的参考信号Vref相对于此路信号的角度成为180度和0度，这分别对应在功率合成器的输出端口处的信号功率为最小值与最大值，然后通过数字式万用表便可以精确地检测出直接式微机械微波功率传感器的输出端口电压的最小值和最大值，分别对应功率合成器的输出端口处的信号功率的最小值和最大值，从而判断被合成的两个矢量之间的角度是180度还是0度。如果该角度成为180度，则意味着参考信号的相位角度加上180度再减去可调数字式移相器所示移相度数
Figure BDA00002656547600022
后即为待测信号的相位
Figure BDA00002656547600023
如果该角度成为0度，则意味着参考信号的相位角度
Figure BDA00002656547600024
减去可调数字式移相器所示移相度数
Figure BDA00002656547600025
后即为待测信号Vx的相位
Figure BDA00002656547600026
其中两次附加相位角度之差肯定为180度，这样保证推算出的待测信号Vx的原相位
Figure BDA00002656547600028
是一个唯一的值。
直接式微机械微波功率传感器基于热电转换原理，可以把微波功率通过热电偶转化成热，然后基于热电偶的Seebeck效应转换为热电势输出。使用数字式万用表测量此电压的值，通过判断最小值或最大值，从而可以得知角度是180度还是0度。
有益效果：与已有的微波相位检测装置相比，这种新型的基于直接式微机械微波功率传感器的频率检测装置具有以下显著的优点：
1、具有较高的线性度；
2、采用了直接式微机械微波功率传感器，可以获得较大的带宽；
3、该传感器的制备过程与单片微波集成电路(MMIC)工艺完全兼容；
与传统的微波相位检测装置相比，由于该装置是基于MEMS技术的，因此具有MEMS器件所普遍共有的重量轻、功耗低等一系列优点，所以具有极高的工业应用和科学研究价值。
附图说明
图1是基于直接式微机械微波功率传感器的微波相位检测装置的原理图。
图2是直接式微机械微波功率传感器的正面俯视图及A-A面、B-B面剖视图。
图3是基于直接式微机械微波功率传感器的微波相位检测装置的线路连接图。
图4是功率合成器。
图5是两个矢量合成原理图。
图中包括：第一层金1，第二层金2，氮化硅薄膜3，砷化镓衬底4，热电偶5，压焊块6，隔离电容7，背孔8，可调数字式移相器的输入端口11、包括可调数字式移相器12、可调数字式移相器的输出端口13、功率合成器的输入端口一14、功率合成器的输入端口二15、功率合成器16、功率合成器的输出端口17、直接式微机械微波功率传感器的输入端口18、直接式微机械微波功率传感器19、数字式万用表20。
具体实施方式
本发明的基于微电子机械系统(MEMS)技术的微波相位检测装置是一种使用了矢量合成原理的微波相位检测装置，具体实施方案如下：
该系统利用了直接式微机械微波功率传感器、功率合成器、可调数字式移相器以及数字式万用表。其中，直接式微机械微波功率传感器由第一层金1，第二层金2，氮化硅薄膜3，砷化镓衬底，4，热电偶5，压焊块6，隔离电容7，背孔8，组成。
将与待测信号Vx频率相同的参考微波信号Vref加到功率合成器的输入端口一，将待测微波信号Vx加到可调数字式移相器的输入端口，经过可调数字式移相器搬移一定的相位角度后加到功率合成器的输入端口二。这两路信号经过功率合成器进行矢量合成后到达功率合成器的输出端口，然后加在直接式微机械微波功率传感器的输入端口，数字式万用表接在压焊块6上。
通过可调数字式移相器可以在待测信号Vx的相位
Figure BDA00002656547600031
的基础上增加额外的附加相位
Figure BDA00002656547600032
结果使得此路信号的相位角度相对于即将与其进行矢量合成的参考信号Vref的相位角度
Figure BDA00002656547600033
成为180度和0度，即
Figure BDA00002656547600034
和
Figure BDA00002656547600035
如果该角度成为180度，由于矢量相减，则在功率合成器的输出端口处的信号功率为最小值；如果该角度成为0度，由于矢量相加，则在功率合成器的输出端口处的信号功率为最大值，其中两次附加相位角度
Figure BDA00002656547600041
之差肯定为180度，这样保证推算出的待测信号Vx的原相位
Figure BDA00002656547600042
是一个唯一的值。
直接式微机械微波功率传感器的主体为热电偶5。当微波信号通过由第一层金1和第二层金2组成的共面波导传输线进入该传感器后，被热电偶等效电阻吸收后产生热量，基于热电偶的Seebeck效应转换为热电势输出，通过数字式万用表可以测量出直接式微机械微波功率传感器的输出端口电压的最小值和最大值，分别对应功率合成器的输出端口处的信号功率的最小值和最大值，从而判断被合成的两个矢量之间的角度是180度还是0度。如果该角度成为180度，则意味着参考信号的相位角度
Figure BDA00002656547600043
加上180度再减去可调数字式移相器所示移相度数后即为待测信号的相位
Figure BDA00002656547600045
如果该角度成为0度，则意味着参考信号的相位角度
Figure BDA00002656547600046
减去可调数字式移相器所示移相度数
Figure BDA00002656547600047
后即为待测信号Vx的相位其中两次附加相位角度
Figure BDA00002656547600049
之差肯定为180度，这样保证推算出的待测信号Vx的原相位是一个唯一的值。
采用与砷化镓微波单片集成电路(MMIC)工艺相兼容的MEMS制备工艺来制造直接式微机械微波功率传感器，以下列出了具体的工艺步骤：
a)使用未掺杂的砷化镓作为衬底，厚度为500μm，
b)外延生长n+砷化镓，由此实现热电偶的砷化镓臂，
c)蒸发金锗镍/金，作为热电偶的金属臂，
d)淀积并光刻氮化钽制作电阻，
e)溅射并光刻钛/金/钛，作为共面波导传输线，
f)电镀金作为共面波导传输线，
g)减薄衬底至100μm，
h)刻蚀砷化镓衬底，在热电偶下方形成背孔。
区分是否为该结构的标准如下：
该微波相位检测系统采用了测量经过可调数字式移相器移相的待测信号Vx与参考信号Vref合成后的信号功率的方法，实现了对微波相位的精确测量，有移相、功率合成和功率检测三个组成部分。即将待测微波信号Vx经过可调数字式移相器搬移一定的相位角度后加到功率合成器的输入端口二，将与待测信号频率相同的参考微波信号Vref加到功率合成器的输入端口一。这两路信号经过功率合成器矢量合成，然后加在基于直接式微机械微波功率传感器的输入端口，通过系统的检测部分(数字式万用表)就可以精确地检测出直接式微机械微波功率传感器的输出端口电压的最小值和最大值，分别对应功率合成器的输出端口处的信号功率的最小值和最大值，从而判断被合成的两个矢量之间的角度是180度还是0度。如果该角度成为180度，则意味着参考信号的相位角度加上180度再减去可调数字式移相器所示移相度数
Figure BDA00002656547600052
后即为待测信号的相位如果该角度成为0度，则意味着参考信号的相位角度
Figure BDA00002656547600054
减去可调数字式移相器所示移相度数后即为待测信号Vx的相位
Figure BDA00002656547600056
其中两次附加相位角度之差肯定为180度，这样保证推算出的待测信号Vx的原相位
Figure BDA00002656547600058
是一个唯一的值。
满足以上条件的结构即被视为本发明的基于直接式微机械微波功率传感器的微波相位检测装置。

Claims (2)

1.一种基于直接式微机械微波功率传感器的微波相位检测装置，其特征在于该装置包括可调数字式移相器（12）、功率合成器（16）、直接式微机械微波功率传感器（19）、数字式万用表（20）；其中，参考微波信号Vref接功率合成器的输入端口一（14），待测信号Vx接可调数字式移相器的输入端口（11），可调数字式移相器的输出端口（13）接功率合成器的输入端口二（15），功率合成器的输出端口（17）接直接式微机械微波功率传感器的输入端口（18），直接式微机械微波功率传感器（19）上的背孔（8）接数字式万用表（20）。
2.一种如权利要求1所述的基于直接式微机械微波功率传感器的微波相位检测装置，其特征在于：
该微波相位检测装置采用测量经过可调数字式移相器移相的待测信号Vx与参考信号Vref合成后的信号功率的方法，实现对微波相位的精确测量，即将待测微波信号经过可调数字式移相器10搬移一定的相位角度后加到功率合成器的输入端口二，将与待测信号频率相同的参考微波信号Vref加到功率合成器的输入端口一；这两路信号经过功率合成器进行矢量合成后加在直接式微机械微波功率传感器的输入端口；
可调数字式移相器在待测信号Vx的相位的基础上增加额外的附加相位，结果使得即将与其进行矢量合成的参考信号Vref相对于此路信号的角度成为180度和0度，这分别对应在功率合成器的输出端口处的信号功率为最小值与最大值，然后通过数字式万用表便可以精确地检测出直接式微机械微波功率传感器的输出端口电压的最小值和最大值，分别对应功率合成器的输出端口处的信号功率的最小值和最大值，从而判断被合成的两个矢量之间的角度是180度还是0度。如果该角度成为180度，则意味着参考信号的相位角度
Figure FDA00002656547500011
加上180度再减去可调数字式移相器所示移相度数后即为待测信号的相位
Figure FDA00002656547500013
如果该角度成为0度，则意味着参考信号的相位角度
Figure FDA00002656547500014
减去可调数字式移相器所示移相度数
Figure FDA00002656547500015
后即为待测信号Vx的相位
Figure FDA00002656547500016
其中两次附加相位角度
Figure FDA00002656547500017
之差肯定为180度，这样保证推算出的待测信号Vx的原相位是一个唯一的值。
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