CN103033684A - 基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的频率检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的微波频率检测装置，该检测装置包括功率分配器、传输线移相器、可调数字式移相器、功率合成器以及固支梁电容式微机械微波功率传感器；其中，功率分配器用于接收待测信号（Vx），并将待测信号（Vx）等分为功率、频率和相位均相同的两路信号，即第一路信号（Vx1）和第二路信号（Vx2），第一路信号（Vx1）通过传输线移相器，第二路信号（Vx2）将通过可调数字式移相器，这两路信号均被搬移一定的相位角度后加到功率合成器的输入端口进行矢量合成，进行矢量合成后信号加在固支梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口上。本发明实现精确检测微波信号频率的目的。

Description

基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的频率检测装置
技术领域
本发明提出了基于微电子机械系统(MEMS)技术的微波频率检测装置，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，微波频率是表征微波信号特征的一个重要参数，微波频率检测器广泛应用于雷达系统。在雷达接收机中，雷达信号的频率是对信号进行分类和识别的最重要参数。在目前应用比较广泛的一种微波频率检测器中，待测信号和本机的外差振荡器准确的标准频率被一同加于混频器，在混频器的输出端取得差频信号，并使用零拍法作为判断时的测量依据。这种微波频率检测装置不易得到准确的测量结果，缺点在于微波信号本身很有可能带有谐波，而且信号频率通过混频器后也很容易产生谐波，因此，继上世纪末开始，RF MEMS技术的产生与发展使低噪声和低功耗的微波频率检测装置的实现成为可能，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固支梁电容式微机械微波功率传感器的频率检测装置，采用通过该微波功率传感器和可调数字式移相器判定被传输线移相器所改变的待测微波信号的相位的方法，实现精确检测微波信号频率的目的。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明公开了一种基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的微波频率检测装置，该检测装置包括
功率分配器、传输线移相器、可调数字式移相器、功率合成器以及固支梁电容式微机械微波功率传感器；其中，
功率分配器用于接收待测信号，并将待测信号等分为功率、频率和相位均相同的两路信号，即第一路信号和第二路信号，第一路信号通过传输线移相器，第二路信号将通过可调数字式移相器，这两路信号均被搬移一定的相位角度后加到功率合成器的输入端口进行矢量合成，进行矢量合成后信号加在固支梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口上。
优选的，其特征在于，固支梁电容式微机械微波功率传感器包括共面波导传输线、薄膜、固支梁、固支梁的下电极和衬底；其中，
共面波导传输线设在衬底的表面，共面波导传输线的地平面设在共面波导传输线上，固支梁与共面波导传输线相对设置且绝缘、共面波导传输线与固支梁之间保持有间距，设在共面波导传输线上且与固支粱相对设置的固支梁的下电极，覆盖在固支粱下电极表面的薄膜。
优选的，衬底为砷化镓衬底，薄膜为氮化硅薄膜。
优选的，通过可调数字式移相器，在第二路信号的相位的基础上增加一个被精确控制的额外的附加相位，具有特定中心频率的传输线移相器则使第一路信号搬移了一个与其长度ΔL有关的相位角度
Figure BDA00002657688800021
ΔL即二分之一波长，是一个唯一的值。
优选的，由通过了传输线移相器的信号频率、传输线长度和移相度三者之间的关系，即
Figure BDA00002657688800023
便可以得知待测信号的频率f，f0为传输线移相器的特定中心频率，c为光速，εer为传输线移相器的有效介电常数，ΔL即二分之一波长。
有益效果：与已有的微波频率检测装置相比，这种基于的频率检测装置具有以下显著的优点：
1、可调数字式移相器可以精确控制信号附加相移的大小从而提高测量精度；
2、固支梁电容式微机械微波功率传感器的制备与单片微波集成电路(MMIC)工艺完全兼容，可与信息处理电路集成；
由于该检测装置是基于MEMS技术的，因此它具备了MEMS普遍共有的一些特征，比如重量轻、功耗低等一系列优点，这是传统的微波频率检测器件无法比拟的，所以具有极高的科学研究和工业应用的价值。
附图说明
图1是基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的频率检测装置的原理图。
图2是固支梁电容式微机械微波功率传感器的正面俯视图。
图3是传输线移相器的正面俯视图。
图4是基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的频率检测装置的线路连接图。
图5是功率合成器和功率分配器。
图6是两个矢量合成原理图。
图中包括：共面波导传输线1，共面波导传输线的地平面2，氮化硅薄膜3，MEMS固支梁4，MEMS固支梁的下电极5，砷化镓衬底6，功率分配器的输入端口7，功率分配器8，功率分配器的输出端口一9，功率分配器的输出端口二10，可调数字式移相器的输入端口11，可调数字式移相器12，可调数字式移相器的输出端口13，传输线移相器的输入端口14，传输线移相器15，传输线移相器的输出端口16，功率合成器的输入端口一17，功率合成器的输入端口二18，功率合成器19，功率合成器的输出端口20，固支梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口21，固支梁电容式微机械微波功率传感器22，电容-数字转换器的测试端口一23，电容-数字转换器的测试端口二24，电容-数字转换器25。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步说明。
本发明的基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的频率检测装置利用了功率分配器、传输线移相器、可调数字式移相器、功率合成器以及固支梁电容式微机械微波功率传感器：
先将待测信号Vx加到功率分配器的输入端口，然后待测信号Vx被等分为功率P、频率f和相位
Figure BDA00002657688800031
均相同的两路信号Vx1和Vx2，Vx1通过传输线移相器，Vx2将通过可调数字式移相器，这两路信号均被搬移一定的相位角度后加到功率合成器的输入端口进行矢量合成，进行矢量合成后信号加在固支梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口上。
通过一个具有特定中心频率f0的二分之一波长传输线移相器可以使微波信号Vx1移动一个与其长度ΔL（即二分之一波长）有关的相位
Figure BDA00002657688800032
所搬移的相位角度与频率成线性关系，当具有该中心频率f0的微波信号通过此移相器时相位角度会被搬移180度，在该中心频率f0附近且小于该中心频率f0的微波信号的相位角度则会被搬移小于180度的相位角度，在该中心频率f0附近且大于该中心频率f0的微波信号的相位角度则会被搬移大于180度的相位角度。借助于可调数字式移相器能够使微波信号Vx2在原相位的基础上增加某个可以被准确设定的相位
Figure BDA00002657688800041
从而使得这两路信号的相位差值为180度或0度，即
Figure BDA00002657688800042
或
Figure BDA00002657688800043
如果该相位差值成为180度，由于这两路信号的矢量方向相反，故矢量相减，与通过矢量合成后功率合成器输出端口处的最小信号功率值相对应；如果该相位差值成为0度，由于这两路信号的矢量方向相同，故矢量相加，通过矢量合成后功率合成器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 BDA00002657688800044
之差肯定为180度，这样保证推算出的信号Vx1的
Figure BDA00002657688800045
是一个唯一的值。
固支梁电容式微机械微波功率传感器的主体为MEMS固支梁。当微波信号通过共面波导传输线进入该传感器后，由于MEMS固支梁与共面波导信号线之间产生了静电力，此静电力将使MEMS固支梁产生位移，从而使MEMS固支梁与下电极之间的电容值发生变化，通过ADI公司的24位电容-数字转换器AD7747EBZ测量出此电容的最小值和最大值，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，从而判断相对角度是180度还是0度。如果该角度为180度，则意味着可调数字式移相器的示数减去180度即为通过传输线移相器后待测信号Vx1的相位
Figure BDA00002657688800047
如果该角度为0度，则意味着可调数字式移相器的示数
Figure BDA00002657688800048
即为通过传输线移相器后待测信号Vx1的相位
Figure BDA00002657688800049
其中两次附加相位角度
Figure BDA000026576888000410
之差肯定为180度，这样保证推算出的信号Vx1的
Figure BDA000026576888000411
是一个唯一的值。在待测信号经传输线移相器后的相位
Figure BDA000026576888000412
已知的基础上，借助于通过了传输线移相器的微波信号频率、传输线长度和移相度三者之间的关系，即
便可以得知待测信号的频率f。在上式中，c为光速，εer为传输线移相器的有效介电常数。
本发明的基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的频率检测装置是一种基于矢量合成原理的微波频率检测装置，具体实施方案如下：
该系统利用了固支梁电容式微机械微波功率传感器、功率分配器、功率合成器、传输线移相器、可调数字式移相器以及电容-数字转换器。其中，电容式微机械微波功率传感器由共面波导传输线1、氮化硅薄膜3、MEMS固支梁4、MEMS固支梁的下电极5和砷化镓衬底6组成。
固支梁电容式微机械微波功率传感器包括共面波导传输线1、薄膜3、固支梁4、固支梁的下电极5和衬底6；其中，
共面波导传输线1设在衬底6的表面，共面波导传输线的地平面2设在共面波导传输线1上，固支梁4与共面波导传输线1相对设置且绝缘、共面波导传输线1与固支梁4之间保持有间距，设在共面波导传输线1上且与固支粱4相对设置的固支梁的下电极5，覆盖在固支粱下电极5表面的薄膜3衬底6为砷化镓衬底，薄膜3为氮化硅薄膜3。
将待测信号Vx加到微波功率分配器的输入端口7，待测信号Vx可以被等分为功率(P)、频率(f)和相位
Figure BDA00002657688800051
均相同的两路信号Vx1和Vx2，然后Vx1加在传输线移相器的输入端口14，经移相后加在功率合成器的输入端口一17，Vx2则加在可调数字式移相器的输入端口11，经过可调数字式移相器12搬移一定的角度后加到功率合成器的输入端口二18。功率合成器19对这两路信号进行矢量合成，合成后的信号到达功率合成器的输出端口20，然后加在固支梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口21，电容-数字转换器的测试端口一23和测试端口二24分别接在MEMS固支梁的下电极5和共面波导传输线的地平面2。
通过可调数字式移相器12可以在待测信号Vx2的相位的基础上增加一个可以被精确控制的额外的附加相位而具有特定中心频率f0的传输线移相器15则使Vx1搬移了一个与其长度ΔL（即二分之一波长）有关的相位角度
Figure BDA00002657688800053
具有该中心频率f0的微波信号通过传输线移相器15时会被搬移180度的相位角度，在该中心频率f0附近且小于该中心频率f0的微波信号则会被搬移小于180度的相位角度，在该中心频率f0附近且大于该中心频率f0的微波信号则会被搬移大于180度的相位角度，所搬移的相位角度与频率成线性关系。借助于可调数字式移相器能够使微波信号Vx2在原相位的基础上增加某个可以被准确设定的相位
Figure BDA00002657688800054
结果使得这两路信号的相位差值为180度或0度，即
Figure BDA00002657688800055
或
Figure BDA00002657688800056
如果该相位差值成为180度，由于相反方向的矢量相减，则通过矢量合成后功率合成器的输出端口20处的信号功率为最小值；如果该相位差值成为0度，由于相同方向的矢量相加，则与通过矢量合成后功率合成器的输出端口20处的最大信号功率值对应，其中两次附加相位角度
Figure BDA00002657688800057
之差肯定为180度，这样保证推算出的信号Vx1的是一个唯一的值。
固支梁电容式微机械微波功率传感器22的主体为MEMS固支梁4。当微波信号通过共面波导传输线1进入该传感器后，由于MEMS固支梁4与共面波导传输线1之间产生了静电力，此静电力将使MEMS固支梁4产生位移，从而使MEMS固支梁4与MEMS固支梁的下电极5之间的电容值发生变化，通过电容-数字转换器25测量出此电容的最小值和最大值，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。如果该角度为180度，则意味着可调数字式移相器12的示数
Figure BDA00002657688800062
减去180度即为通过传输线移相器15后待测信号Vx1的相位如果该角度为0度，则意味着可调数字式移相器12的示数即为通过传输线移相器15后待测信号Vx1的相位
Figure BDA00002657688800065
其中两次附加相位角度之差肯定为180度，这样保证推算出的信号Vx1的
Figure BDA00002657688800067
是一个唯一的值。在待测信号经传输线移相器后的相位变化
Figure BDA00002657688800068
为已知的基础上，由通过了传输线移相器的信号频率、传输线长度和移相度三者之间的关系，即
Figure BDA00002657688800069
便可以得知待测信号的频率f。在上式中，c为光速，εer为传输线移相器的有效介电常数。
传输线移相器15和固支梁电容式微机械微波功率传感器22的制备可以采用与砷化镓微波单片集成电路(MMIC)工艺相兼容的MEMS加工工艺来实现，具体的工艺步骤如下：
a)金锗镍/金层被蒸发在500μm厚的砷化镓衬底上，
b)淀积氮化硅作为介质层，
c)旋涂聚酰亚胺牺牲层，
d)电镀钛/金/钛种子层，
e)移除顶部钛层，再电镀金层，
f)刻蚀钛/金/钛，形成孔，
g)刻蚀聚酰亚胺牺牲层，
h)减薄衬底至100μm。
区分是否为该结构的标准如下：
该微波频率检测系统采用了测量待测信号Vx分别经过传输线移相器和可调数字式移相器移相后再进行合成的信号功率的方法，可以量精确测微波频率，整个过程由功率分配、移相、功率合成和功率检测四个部分组成。即将待测信号Vx等分为功率、频率和相位均相同的两路信号Vx1和Vx2，分别经传输线移相器15和可调数字式移相器12移相后加到功率合成器的输入端口一17和输入端口二18。这两路信号经过功率合成器19进行矢量合成后加在固支梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口21，通过系统的检测部分(电容-数字转换器25)精确地检测出电容的最小值和最大值，分别对应功率合成器19所合成的微波信号的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，其中两次附加相位角度
Figure BDA00002657688800071
之差肯定为180度，这样保证推算出的信号Vx1的
Figure BDA00002657688800072
是一个唯一的值。在待测信号经传输线移相器后的相位变化被已知的基础上，借助于通过了传输线移相器的信号频率、传输线长度和移相度三者之间的关系便可以得知待测信号的频率f。
满足以上条件的结构即被视为本发明的基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的微波频率检测装置。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的微波频率检测装置，其特征在于，该检测装置包括
功率分配器、传输线移相器、可调数字式移相器、功率合成器以及固支梁电容式微机械微波功率传感器；其中，
功率分配器用于接收待测信号（Vx），并将待测信号（Vx）等分为功率、频率和相位均相同的两路信号，即第一路信号（Vx1）和第二路信号（Vx2），第一路信号（Vx1）通过传输线移相器，第二路信号（Vx2）将通过可调数字式移相器，这两路信号均被搬移一定的相位角度后加到功率合成器的输入端口进行矢量合成，进行矢量合成后信号加在固支梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口上。
2.根据权利要求1所述的基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的微波频率检测装置，其特征在于，固支梁电容式微机械微波功率传感器包括共面波导传输线（1）、共面波导传输线的地平面（2）、薄膜（3）、固支梁（4）、固支梁的下电极（5）和衬底（6）；其中，
共面波导传输线（1）设在衬底（6）的表面，共面波导传输线的地平面（2）设在共面波导传输线（1）上，固支梁（4）与共面波导传输线（1）相对设置且绝缘、共面波导传输线（1）与固支梁（4）之间保持有间距，设在共面波导传输线（1）上且与固支粱（4）相对设置的固支梁的下电极（5），覆盖在固支粱的下电极（5）表面的薄膜（3）。
3.根据权利要求2所述的基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的微波频率检测装置，其特征在于，衬底（6）为砷化镓衬底，薄膜（3）为氮化硅薄膜（3）。
4.根据权利要求1所述的基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的微波频率检测装置，其特征在于，通过可调数字式移相器，在第二路信号（Vx2）的相位的基础上增加一个被精确控制的额外的附加相位具有特定中心频率(f0）的传输线移相器则使第一路信号（Vx1）搬移了一个与其长度ΔL有关的相位角度ΔL即二分之一波长，
Figure FDA00002657688700013
是一个唯一的值。
5.根据权利要求4所述的基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的微波频率检测装置，其特征在于，
由通过了传输线移相器的信号频率、传输线长度和移相度三者之间的关系，即
Figure FDA00002657688700021
便可以得知待测信号（Vx）的频率f，f0为传输线移相器的特定中心频率，c为光速，εer为传输线移相器的有效介电常数，ΔL即二分之一波长。
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