CN103076504A - 悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的相位检测装置及方法 - Google Patents

悬臂梁电容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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基于悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的微波相位检测装置及方法，该装置包括悬臂梁电容式微机械微波功率传感器（15）可调数字式移相器（8）、功率合成器（12）、电容-数字转换器（18）；在悬臂梁电容式微机械微波功率传感器（15）中，电容-数字转换器的测试端口一（16）、电容-数字转换器的测试端口二（17）分别接电容-数字转换器（18），悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口（14）接功率合成器的输出端口（13）；在功率合成器（12）中，功率合成器的输入端口一（10）接参考微波信号Vref，功率合成器的输入端口二（11）接可调数字式移相器的输出端口（9），可调数字式移相器的输入端口（7）接待测信号Vx。

Description

悬臂梁电容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。相位检测装置在相移键控(PSK)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，但这种微波相位传感器往往具有不可忽略的噪声和功耗，这是因为它使用了有源器件，因此检测的准确度也会降低。继上世纪末开始，射频微机电系统(RF MEMS)技术的产生与发展为人们实现低噪声和低功耗的微波相位检测系统成为可能，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悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的相位检测装置及方法，通过测量经过可调数字式移相器移相的待测信号与参考信号合成后的信号功率，实现精确检测微波信号相位的目的。
技术方案：本发明的基于悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的微波相位检测装置包括悬臂梁电容式微机械微波功率传感器可调数字式移相器、功率合成器、电容-数字转换器；在悬臂梁电容式微机械微波功率传感器中，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分别接电容-数字转换器，悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口接功率合成器的输出端口；在功率合成器中，功率合成器的输入端口一接参考微波信号Vref，功率合成器的输入端口二接可调数字式移相器的输出端口，可调数字式移相器的输入端口接待测信号Vx。
基于悬臂梁电容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：采用测量参考信号Vref与经过可调数字式移相器移相的待测信号Vx合成后的信号功率，通过移相、功率合成和功率检测三部分，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，将待测微波信号经过可调数字式移相器搬移一定的角度后加到功率合成器的输入端口二，功率合成器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；
可调数字式移相器在待测信号Vx的原相位的基础上增加一定角度的相位，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度或0度，即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，再通过电容-数字转换器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 BDA00002656349400021
加上180度再减去数字式移相器所示移相度数
Figure BDA00002656349400022
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减去数字式移相器所示移相度数
Figure BDA00002656349400025
后即为待测信号Vx的相位
Figure BDA00002656349400026
其中两次附加相位角度
Figure BDA00002656349400027
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 BDA00002656349400028
是一个唯一的值。
有益效果：与已有的微波相位检测装置相比，这种新型的基于悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的相位检测装置具有以下显著的优点：
1、可调数字式移相器可以实现对合成信号功率的精确控制从而提高了测量精度；
2、悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的制备过程与单片微波集成电路(MMIC)工艺完全兼容；
由于该检测装置是基于MEMS技术的，因此具备了MEMS器件所普遍共有的重量轻、功耗低等优点，这是传统的微波相位检测装置无法比拟的，所以具有相当的科学研究和工业应用的价值。
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相位检测装置的原理图。
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是基于悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的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：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，可调数字式移相器的输入端口7，可调数字式移相器8，可调数字式移相器的输出端口9，功率合成器的输入端口一10，功率合成器的输入端口二11，功率合成器12，功率合成器的输出端口13，悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口14，悬臂梁电容式微机械微波功率传感器15，电容-数字转换器的测试端口一16，电容-数字转换器的测试端口二17，电容-数字转换器18。
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：
该装置包括悬臂梁电容式微机械微波功率传感器15可调数字式移相器、功率合成器12、电容-数字转换器18；在悬臂梁电容式微机械微波功率传感器中，电容-数字转换器的测试端口一16、电容-数字转换器的测试端口二17分别接电容-数字转换器18，悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口14接功率合成器的输出端口13；在功率合成器12中，功率合成器的输入端口一10接参考微波信号Vref，功率合成器的输入端口二11接可调数字式移相器的输出端口9，可调数字式移相器的输入端口7接待测信号Vx。该系统利用了悬臂梁电容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电容-数字转换器。其中，悬臂梁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。
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一10，将待测微波信号Vx加到可调数字式移相器输入端口7，经过可调数字式移相器8搬移一定的相位角度后加到功率合成器的输入端口二11。这两路信号经过功率合成器12进行矢量合成后到达功率合成器的输出端口13，然后加在悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口14，电容-数字转换器的测试端口一16和测试端口二17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。
通过可调数字式移相器8可以在待测信号Vx的相位
Figure BDA00002656349400041
的基础上增加额外的附加相位角度
Figure BDA00002656349400042
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 BDA00002656349400043
成为180度或0度，即
Figure BDA00002656349400044
或
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13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13处的信号功率为最大值，其中两次附加相位角度
Figure BDA00002656349400046
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 BDA00002656349400047
是一个唯一的值。
悬臂梁电容式微机械微波功率传感器15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18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。如果该角度成为180度，则意味着参考信号的相位角度
Figure BDA00002656349400048
加上180度再减去可调数字式移相器8所示移相度数后即为待测信号的相位
Figure BDA000026563494000410
如果该角度成为0度，则意味着参考信号的相位角度
Figure BDA000026563494000411
减去可调数字式移相器8所示移相度数
Figure BDA000026563494000412
后即为待测信号Vx的相位
Figure BDA000026563494000413
其中两次附加相位角度
Figure BDA000026563494000414
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 BDA000026563494000415
是一个唯一的值。
实现悬臂梁电容式微机械微波功率传感器15所使用的MEMS制造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)旋涂聚酰亚胺作为牺牲层，
d)钛/金/钛被电镀作为种子层，
e)移除顶部钛层，然后电镀金层，
f)刻蚀钛/金/钛形成孔，
g)刻蚀聚酰亚胺，释放牺牲层，
h)减薄衬底至100μm。
区分是否为该结构的标准如下：
该微波相位检测装置采了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，实现了对微波相位的精确测量，由移相、功率合成和功率检测三个部分组成。即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一10，将待测微波信号Vx经过可调数字式移相器8搬移一定的相位角度后加到功率合成器的输入端口二11。通过功率合成器12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14，通过装置的检测部分(电容-数字转换器18)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12的输出端口13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 BDA00002656349400051
加上180度再减去数字式移相器8所示移相度数
Figure BDA00002656349400052
后即为待测信号的相位
Figure BDA00002656349400053
如果该角度成为0度，则意味着参考信号的相位角度
Figure BDA00002656349400054
减去数字式移相器8所示移相度数
Figure BDA00002656349400055
后即为待测信号Vx的相位
Figure BDA00002656349400056
其中两次附加相位角度
Figure BDA00002656349400057
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 BDA00002656349400058
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悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的微波相位检测装置。

Claims (2)

1.一种基于悬臂梁电容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悬臂梁电容式微机械微波功率传感器（15）可调数字式移相器（8）、功率合成器（12）、电容-数字转换器（18）；在悬臂梁电容式微机械微波功率传感器（15）中，电容-数字转换器的测试端口一（16）、电容-数字转换器的测试端口二（17）分别接电容-数字转换器（18），悬臂梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口（14）接功率合成器的输出端口（13）；在功率合成器（12）中，功率合成器的输入端口一（10）接参考微波信号Vref，功率合成器的输入端口二（11）接可调数字式移相器的输出端口（9），可调数字式移相器的输入端口（7）接待测信号Vx。
2.一种如权利要求1所述的基于悬臂梁电容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，其特征在于，
采用测量参考信号Vref与经过可调数字式移相器移相的待测信号Vx合成后的信号功率，通过移相、功率合成和功率检测三部分，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（10），将待测微波信号经过可调数字式移相器（8）搬移一定的角度后加到功率合成器的输入端口二（11），功率合成器（12）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（14）；
可调数字式移相器（8）在待测信号Vx的原相位的基础上增加一定角度的相位，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度或0度，即分别对应在功率合成器的输出端口（13）处的信号功率为最小值与最大值，再通过电容-数字转换器（18）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的输出端口（13）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 FDA00002656349300011
加上180度再减去数字式移相器（8）所示移相度数
Figure FDA00002656349300012
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 FDA00002656349300014
减去数字式移相器（8）所示移相度数
Figure FDA00002656349300015
后即为待测信号Vx的相位
Figure FDA00002656349300016
其中两次附加相位角度
Figure FDA00002656349300017
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 FDA00002656349300018
是一个唯一的值。
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