CN107632193B - 一种基于超材料结构的微波功率传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超材料结构的微波功率传感器，包括基板、输入微带信号线、悬臂梁结构输入微带信号线、悬臂梁结构输出微带信号线、输出微带信号线、叉指结构、开路短截线电感以及微带线地线，该微波功率传感器是在基板上放置由悬空的叉指结构和开路短截线电感构成的超材料结构，当输入的微波功率发生变化时，微波功率对相互平行、悬空的叉指结构的吸引，导致叉指结构的位移，从而使得叉指电容和开路短截线电感构成的超材料结构产生相应的相移输出，通过检测超材料结构的相移，实现微波功率的测量，本发明灵敏度高，且为相移输出，测量误差小，同时还具有结构简单、成本低、体积小、功耗低、工艺兼容等优势。

Description

一种基于超材料结构的微波功率传感器
技术领域
本发明是一种基于超材料结构的微波功率传感器，属于微电子器件技术领域。
背景技术
在微波技术研究中，微波功率是表征微波信号特征的一个重要参数。在微波无线应用和测量技术中，微波功率的探测是一个非常重要的部分。传统的测量微波功率的技术是基于热敏电阻、热偶或二极管实现，而这些均为终端器件，微波信号将会在功率测量中被完全消耗掉。近年来，国内外提出了三类基于MEMS技术的在线式微波功率传感器结构：一种是利用共面波导信号线上的欧姆损耗，通过放置在附近的热电堆将其转化为热电势输出；第二种是在共面波导的上方放置MEMS膜，通过测量膜因共面波导上传输的微波功率对其的吸引产生的位移实现微波功率的测量；第三种是在共面波导的上方放置MEMS膜，
通过膜与信号线之间的耦合电容将一小部分微波功率耦合出来并引入热电堆实现微波功率的测量。这三种类型的在线式微波功率传感器在对微波信号的功率进行测量后，微波信号仍然可以使用，而且具有结构简单、体积小、与Si工艺或GaAs工艺相兼容等优点，但是现在人们还在不断研究更灵敏、测量范围更大、测量误差更小的传感器。
发明内容
正对上述问题，本发明提供了一种基于超材料结构的微波功率传感器，该微波功率传感器利用超材料结构的相移输出原理实现，当输入的微波功率发生变化时，微波功率对相互平行、悬空的叉指结构的吸引导致叉指结构的位移，从而使得叉指结构构成的叉指电容发生变化，导致由叉指电容和开路短截线电感构成的超材料结构产生相应的相移输出，通过检测超材料结构的相移，实现微波功率的测量。采用该结构可以实现高灵敏度、相移输出和低功耗，并且能与Si或GaAs工艺相兼容，解决在材料、工艺、可靠性、可重复性和生产成本等诸多方面的问题，从而为实现基于超材料结构的微波功率传感器在集成电路中的产业化应用提供了支持和保证。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于超材料结构的微波功率传感器，该微波功率传感器包括基板、输入微带信号线、悬臂梁结构输入微带信号线、悬臂梁结构输出微带信号线、输出微带信号线、悬臂梁结构输入微带信号线和悬臂梁结构输出微带信号线之间的叉指结构、开路短截线电感以及微带线地线。该微波功率传感器是在基板上放置由悬空的叉指结构和开路短截线电感构成的超材料结构，具体结构为微带线地线位于基板的下表面，其余部分放置于基板的上表面，输入微带信号线与输出微带信号线平行放置，悬臂梁结构输入微带信号线与悬臂梁结构输出微带信号线平行放置在基板上表面两侧，输入微带信号线和输出微带信号线分别与悬臂梁结构输入微带信号线和悬臂梁结构输出微带信号线连接，开路短截线电感分别与输入微带信号线和输出微带信号线连接，叉指结构分为两组，两组叉指结构相互平行、相互交错、悬空的放置于悬臂梁结构输入微带信号线与悬臂梁结构输出微带信号线之间，其中一组叉指结构与悬臂梁结构输入微带信号线连接，另一组叉指结构与悬臂梁结构输出微带信号线连接。当输入的微波功率发生变化时，微波功率对相互平行、悬空的叉指结构的吸引导致叉指结构的位移，从而使得叉指结构构成的叉指电容发生变形，导致由叉指电容和开路短截线电感构成的超材料结构产生相应的相移输出，通过检测超材料结构的相移，实现微波功率的测量。超材料结构的相移公式为：
其中，Δφ是相移变化，f是输入微波信号频率，L是开路短截线电感量，C是没有输入微波功率时的基准叉指电容量，ΔC是输入微波功率时叉指电容变化量。
本发明的有益效果是：
本发明所述的微波功率传感器结构简单，整个传感器通过微电子加工工艺，结构尺寸的精度可以达到较高水平，体积大幅缩小，有利于实现传感器的小型化；该微波功率传感器悬空的叉指结构的叉指电容对微波功率非常敏感，灵敏度高，且为相移输出，测量误差小，本发明突破了传统检测原理的思维限制，寻找到了基于相移检测的实现方法，同时还具有结构简单、成本低、功耗低、工艺兼容等优势。
附图说明
图1是基于超材料结构的微波功率传感器。
其中有：基板1、输入微带信号线2、悬臂梁结构输入微带信号线3、悬臂梁结构输出微带信号线4、输出微带信号线5、悬臂梁结构输入微带信号线3和悬臂梁结构输出微带信号线4之间的叉指结构6、7、开路短截线电感8、9、微带线地线10。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明提供了一种基于超材料结构的微波功率传感器，该微波功率传感器包括基板1、输入微带信号线2、悬臂梁结构输入微带信号线3、悬臂梁结构输出微带信号线4、输出微带信号线5、悬臂梁结构输入微带信号线3和悬臂梁结构输出微带信号线4之间的叉指结构6、7、开路短截线电感8、9、微带线地线10。微带线地线10位于基板1的下表面，其余部分放置于基板1的上表面，输入微带信号线2与输出微带信号线5平行放置，悬臂梁结构输入微带信号线3与悬臂梁结构输出微带信号线4平行放置在基板上表面两侧，输入微带信号线2和输出微带信号线5分别与悬臂梁结构输入微带信号线3和悬臂梁结构输出微带信号线4连接，开路短截线电感8、9分别与输入微带信号线2和输出微带信号线5连接，叉指结构6、7分为两组，叉指结构6、7相互平行、相互交错、悬空的放置于悬臂梁结构输入微带信号线3与悬臂梁结构输出微带信号线4之间，其中一组叉指结构6与悬臂梁结构输入微带信号线3连接，另一组叉指结构7与悬臂梁结构输出微带信号线4连接。
当输入的微波功率发生变化时，微波功率对相互平行、悬空的叉指结构6、7的吸引导致叉指结构的位移，从而使得叉指结构6、7构成的叉指电容发生变化，导致由叉指电容和开路短截线电感8、9构成的超材料结构产生相应的相移输出，通过检测超材料结构的相移，实现微波功率的测量。
该微波功率传感器结构简单，整个传感器通过微电子加工工艺，结构尺寸的精度可以达到较高水平，体积大幅缩小，有利于实现传感器的小型化；该微波功率传感器悬空的叉指结构的叉指电容对微波功率非常敏感，灵敏度高，且为相移输出，测量误差小。
本发明中基于超材料结构的微波功率传感器不同于其它的MEMS在线式微波功率传感器，该微波功率传感器具有以下主要特点：一、超材料结构中悬空的叉指结构构成的叉指电容对微波功率非常敏感，使得超材料结构的相移输出变化较大，因此可以提高灵敏度；二、该微波功率传感器为相移输出，相较于其它MEMS在线式微波功率传感器的电压或电容变化量的输出测量范围更大，测量误差更小；三、该微波功率传感器结构简单、体积小、且几乎不消耗微波功率，可以实现高可靠、微型化和低功耗的应用需求；四、该微波功率传感器的制作无需特殊的材料并且与Si或GaAs工艺完全兼容。
区分是否为该结构的标准如下：
(a)采用由叉指电容和开路短截线电感构成的超材料结构，
(b)采用悬空的叉指结构实现微波功率对其吸引产生位移来感应微波功率变化。
满足以上两个条件的结构即应视为该结构的微波功率传感器。
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 (2)

1.一种基于超材料结构的微波功率传感器，其特征在于：包括基板（1）、输入微带信号线（2）、悬臂梁结构输入微带信号线（3）、悬臂梁结构输出微带信号线（4）、输出微带信号线（5）、悬臂梁结构输入微带信号线（3）和悬臂梁结构输出微带信号线（4）之间的叉指结构（6）（7）、开路短截线电感（8）（9）、微带线地线（10）；所述微带线地线（10）位于基板（1）的下表面，其余部分放置于基板（1）的上表面，输入微带信号线（2）与输出微带信号线（5）平行放置，悬臂梁结构输入微带信号线（3）与悬臂梁结构输出微带信号线（4）平行放置在基板上表面两侧，输入微带信号线（2）和输出微带信号线（5）分别与悬臂梁结构输入微带信号线（3）和悬臂梁结构输出微带信号线（4）连接，开路短截线电感（8）（9）分别与输入微带信号线（2）和输出微带信号线（5）连接，叉指结构（6）（7）分为两组，叉指结构（6）（7）相互平行、相互交错、悬空的放置于悬臂梁结构输入微带信号线（3）与悬臂梁结构输出微带信号线（4）之间，其中一组叉指结构（6）与悬臂梁结构输入微带信号线（3）连接，另一组叉指结构（7）与悬臂梁结构输出微带信号线（4）连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于超材料结构的微波功率传感器的使用方法，其特征在于：当输入的微波功率发生变化时，微波功率对相互平行、悬空的叉指结构（6）（7）的吸引导致叉指结构的位移，从而使得叉指结构（6）（7）构成的叉指电容发生变化，导致由叉指电容和开路短截线电感（8）（9）构成的超材料结构产生相应的相移输出，通过检测超材料结构的相移，实现微波功率的测量。
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