CN103076496B - 悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的频率检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的微波频率检测装置及方法，该装置包括悬臂梁电容式微机械微波功率传感器（22）、传输线移相器（15）、可调数字式移相器（12）、功率分配器（8）、功率合成器（19）和电容-数字转换器（25）：通过采用该微波功率传感器和可调数字式移相器判定传输线移相器对待测微波信号相位搬移大小的方法，实现精确检测微波信号频率的目的。

Description

悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的频率检测装置及方法

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接收机中，这是因为雷达信号的频率是在对信号进行分类和识别的过程中最重要的参数。在目前应用比较广泛的一种微波频率检测器中，混频器被一起加上了待测信号和本机的外差振荡器准确的标准频率，可以在混频器的输出端取得差频信号，在判断时采用零拍法作为测量依据。但是，一方面微波信号本身很有可能带有谐波，另一方面，信号频率通过混频器后也很容易产生谐波，因此使用这种微波频率检测器并不易得到准确的测量结果。因此，继二十世纪末开始，随着RF MEMS技术的产生与发展，低噪声和低功耗的微波频率检测装置的实现开始成为可能，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悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的频率检测装置及方法，通过采用该微波功率传感器和可调数字式移相器判定传输线移相器对待测微波信号相位搬移大小的方法，实现精确检测微波信号频率的目的。

技术方案：本发明的悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的频率检测装置，包括包括悬臂梁电容式微机械微波功率传感器、传输线移相器、可调数字式移相器、功率分配器、功率合成器和电容-数字转换器：

其中，待测信号V_x接功率分配器的输入端口，功率分配器的输出端口一接传输线移相器的输入端口，传输线移相器的输出端口接功率合成器的输入端口一，功率分配器的输出端口二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悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口，电容-数字转换器的测试端口一，电容-数字转换器的测试端口二接电容-数字转换器。

悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的频率检测装置的检测方法是，

将待测信号V_x加到功率分配器的输入端口，待测信号V_x被等分为功率(P)、频率(f)和相位均相同的两路信号V_x1和V_x2，V_x1通过传输线移相器，V_x2将通过可调数字式移相器，在分别被搬移一定的相位角度后这两路信号均被加到功率合成器的输入端口进行矢量合成，经过矢量合成后信号加在悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口上；

通过一个有固定中心频率f₀的二分之一波长传输线移相器使微波信号V_x1移动一个与其长度ΔL有关的相位因此该移相器把具有该中心频率f₀的微波信号搬移180度，将在该中心频率f₀附近且小于该中心频率f₀的微波信号的相位角度搬移小于180度，将在该中心频率f₀附近且大于该中心频率f₀的微波信号的相位角度搬移大于180度，所搬移的相位角度与微波信号的频率成线性关系；通过可调数字式移相器将微波信号V_x2在原相位的基础上增加一个被准确设定的相位结果使得这两路信号相位的相对角度值为180度或0度，即

或

如果该角度值成为180度，则由于方向相反的矢量相减，通过矢量合成后功率合成器输出端口处的信号功率为最小值；如果该角度值成为0度，则由于方向相同的矢量相加，则与通过矢量合成后功率合成器输出端口处的信号功率的最大值对应，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V_x1的是一个唯一的值。

悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的主体为MEMS悬臂梁。微波信号通过共面波导传输线进入该传感器后在悬臂梁与共面波导信号线之间产生了静电力，从而使悬臂梁产生位移，因此使悬臂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V_x1的相位如果该角度为0度，那么通过传输线移相器后待测信号V_x1的相位即为数字式移相器的示数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V_x1的是一个唯一的值。由通过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

并在已知待测信号经传输线移相器后的相位的基础上，便可以得知待测信号的频率f。在上式中，c为光速，ε_er为传输线移相器的有效介电常数。

有益效果：与已有的微波频率检测装置相比，这种基于悬臂梁电容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、可调数字式移相器被使用以精确控制信号附加相移的大小，从而可以提高测量精度；

2、该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，因此具有MEMS普遍共有的重量轻、功耗低等一系列优点，这些都是传统的微波频率检测器件所无法比拟的，所以该检测装置具有极高的科学研究和工业应用价值。

附图说明

图1是基于悬臂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是悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的正面俯视图及A-A面剖视图。

图3是传输线移相器的正面俯视图及A-A面剖视图。

图4是基于悬臂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悬臂梁4，MEMS悬臂梁的下电极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，悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口21，悬臂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

本发明的基于悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的频率检测装置是一种使用矢量合成原理的微波频率检测装置，具体实施方案如下：

该系统利用了悬臂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悬臂梁4、MEMS悬臂梁的下电极5和砷化镓衬底6组成。

先将待测信号V_x加到功率分配器的输入端口7，它可以被等分为功率(P)、频率(f)和相位均相同的两路信号V_x1和V_x2，其中V_x1加在传输线移相器的输入端口14进行移相，然后加在功率合成器的输入端口一17，而V_x2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。这两路信号经过功率合成器19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，然后被加在悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口21上，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悬臂梁的下电极5和共面波导传输线的地平面2。

一个具有特定中心频率f₀的传输线移相器15使待测信号的相位V_x1增加了一个与其长度ΔL（二分之一波长）有关的附加相位频率与该中心频率f₀相同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，频率在该中心频率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。而通过可调数字式移相器12可以在待测信号V_x2的相位的基础上增加额外的附加相位结果使得这两路信号的相位差值为180度或0度，即

或

如果该相位差值成为180度，由于相反方向矢量相减，则与通过矢量合成后功率合成器的输出端口20处的最小信号功率值对应；如果该相位差值成为0度，由于相同方向矢量相加，则通过矢量合成后功率合成器的输出端口20处的信号功率为最大值，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V_x1的是一个唯一的值。

悬臂梁电容式微机械微波功率传感器22的主体为MEMS悬臂梁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悬臂梁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悬臂梁4产生位移，从而使MEMS悬臂梁4与MEMS悬臂梁的下电极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12的示数减去180度即为通过传输线移相器15后待测信号V_x1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V_x1的相位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V_x1的是一个唯一的值。在已知待测信号经传输线移相器后的相位的基础上，由通过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

便可以得知待测信号的频率f。在上式中，c为光速，ε_er为传输线移相器的有效介电常数。

制备传输线移相器15和悬臂梁电容式微机械微波功率传感器22的工艺与砷化镓微波单片集成电路(MMIC)工艺相兼容，具体的工艺步骤如下：

a)蒸发金锗镍/金层在砷化镓衬底上,砷化镓衬底为500μm厚，

b)淀积氮化硅作为介质层，

c)牺牲层由聚酰亚胺旋涂而成，

d)电镀钛/金/钛种子层，

e)移除顶部钛层，再电镀金层，

f)梁上的开孔由刻蚀钛/金/钛形成，

g)刻蚀聚酰亚胺牺牲层，

h)减薄衬底，直至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V_x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，从而实现了对微波频率的精确测量，由功率分配、移相、功率合成和功率检测四部分组成。即将待测信号V_x等分为功率、频率和相位均相同的两路信号V_x1和V_x2，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和输入端口二17和18。在功率合成器19对这两路信号进行矢量合成后，加在悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口21上，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之差肯定为180度，这样保证推算出的信号V_x1的是一个唯一的值。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

并且在已知待测信号经传输线移相器所搬移相位的基础上，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悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的微波频率检测装置。

Claims (2)

1.一种悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的频率检测装置，其特征在于该装置包括悬臂梁电容式微机械微波功率传感器(22)、传输线移相器(15)、可调数字 

式移相器(12)、功率分配器(8)、功率合成器(19)和电容-数字转换器(25)： 

其中，待测信号V_x接功率分配器的输入端口(7)，功率分配器的输出端口一(9)接传输线移相器的输入端口(14)，传输线移相器的输出端口(16)接功率合成器的输入端口一(17)，功率分配器的输出端口二(10)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(18)，功率合成器的输出端口(20)接悬臂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)，电容-数字转换器的测试端口二(24)分别接悬臂梁电容式微机械微波功率传感器(22)的下电极(5)和共面波导传输线的地平面(2)。 

2.根据权利要求1所述的悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的频率检测装置的检测方法，其特征在于： 

将待测信号V_x加到功率分配器的输入端口，待测信号V_x被等分为功率P、频率f和相位均相同的两路信号Vx1和Vx2，Vx1通过传输线移相器，Vx2将通过可调数字式移相器，在分别被搬移一定的相位角度后这两路信号均被加到功率合成器的输入端口进行矢量合成，经过矢量合成后信号加在悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口上； 

通过一个有固定中心频率f0的二分之一波长传输线移相器使微波信号Vx1移动一个与其长度ΔL有关的相位因此该移相器把具有该中心频率f0的微波信号搬移180度，将在该中心频率f0附近且小于该中心频率f0的微波信号的相位角度搬移小于180度，将在该中心频率f0附近且大于该中心频率f0的微波信号的相位角度搬移大于180度，所搬移的相位角度与微波信号的频率成线性关系；通过可调数字式移相器将微波信号Vx2在原相位的基础上增加一个被准确设定的相位结果使得这两路信号相位的相对角度值为180度或0度，即 

或

如果该角度值成为180度，则由于方向相反的矢量相减，通过矢量合成后功率 合成器输出端口处的信号功率为最小值；如果该角度值成为0度，则由于方向相同的矢量相加，则与通过矢量合成后功率合成器输出端口处的信号功率的最大值对应，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的是一个唯一的值，在已知的基础上，由通过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 

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。