專利名稱：懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器的相位檢測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出了基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的微波相位檢測裝置，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在微波技術(shù)研究中，微波相位是表征微波信號特征的一個(gè)重要參數(shù)。相位檢測裝置在相移鍵控(PSK)等方面有極其廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用最廣泛的微波相位檢測器是利用場效應(yīng)晶體管構(gòu)成的吉爾伯特乘法器，但這種微波相位傳感器往往具有不可忽略的噪聲和功耗，這是因?yàn)樗褂昧擞性雌骷?，因此檢測的準(zhǔn)確度也會降低。繼上世紀(jì)末開始，射頻微機(jī)電系統(tǒng)(RF MEMS)技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展為人們實(shí)現(xiàn)低噪聲和低功耗的微波相位檢測系統(tǒng)成為可能，本發(fā)明即為基于此技術(shù)的檢測裝置。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器的相位檢測裝置及方法，通過測量經(jīng)過可調(diào)數(shù)字式移相器移相的待測信號與參考信號合成后的信號功率，實(shí)現(xiàn)精確檢測微波信號相位的目的。技術(shù)方案本發(fā)明的基于懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器的微波相位檢測裝置包括懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器可調(diào)數(shù)字式移相器、功率合成器、電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器；在懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器中，電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的測試端口一、電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的測試端口 二分別接電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器的輸入端口接功率合成器的輸出端口 ；在功率合成器中，功率合成器的輸入端口 一接參考微波信號，功率合成器的輸入端口二接可調(diào)數(shù)字式移相器的輸出端口，可調(diào)數(shù)字式移相器的輸入端口接待測信號Vx。基于懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器的微波相位檢測裝置的檢測方法是采用測量參考信號Vref與經(jīng)過可調(diào)數(shù)字式移相器移相的待測信號Vx合成后的信號功率，通過移相、功率合成和功率檢測三部分，將與待測信號頻率相同的參考微波信號加到功率合成器的輸入端口一，將待測微波信號經(jīng)過可調(diào)數(shù)字式移相器搬移一定的角度后加到功率合成器的輸入端口二，功率合成器對這兩路信號進(jìn)行矢量合成后加在懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器的輸入端口；可調(diào)數(shù)字式移相器在待測信號Vx的原相位的基礎(chǔ)上增加一定角度的相位，結(jié)果使得即將與其進(jìn)行矢量合成的參考信號Vref相對于此路信號的角度成為180度或O度，即分別對應(yīng)在功率合成器的輸出端口處的信號功率為最小值與最大值，再通過電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器精確地檢測出電容的最小值和最大值，分別對應(yīng)功率合成器的輸出端口處的信號功率的最小值和最大值，從而判斷被合成的兩個(gè)矢量之間的角度是180度還是O度；如果該角度成為180度，則意味著參考信號的相位角度丹ef加上180度再減去數(shù)字式移相器所示移相度數(shù)%后即為待測信號的相位ft;如果該角度成為O度，則意味著參考信號的相位角度Pref減去數(shù)字式移相器所示移相度數(shù)料后即為待測信號Vx的相位辦，其中兩次附加相位角度料之差肯定為180度，這樣保證推算出的待測信號Vx的原相位_是一個(gè)唯一的值。有益效果與已有的微波相位檢測裝置相比，這種新型的基于懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器的相位檢測裝置具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)1、可調(diào)數(shù)字式移相器可以實(shí)現(xiàn)對合成信號功率的精確控制從而提高了測量精度；2、懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器的制備過程與單片微波集成電路(MMIC)工藝完全兼容；由于該檢測裝置是基于MEMS技術(shù)的，因此具備了 MEMS器件所普遍共有的重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，這是傳統(tǒng)的微波相位檢測裝置無法比擬的，所以具有相當(dāng)?shù)目茖W(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用的價(jià)值。


圖1是基于懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器的相位檢測裝置的原理圖。圖2是懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器的正面俯視圖及A-A面剖視圖。圖3是基于懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器的相位檢測裝置的線路連接圖。圖4是功率合成器。圖5是兩個(gè)矢量合成原理圖。圖中包括共面波導(dǎo)傳輸線1，共面波導(dǎo)傳輸線的地平面2，氮化硅薄膜3，MEMS懸臂梁4，MEMS懸臂梁的下電極5，砷化鎵襯底6，可調(diào)數(shù)字式移相器的輸入端口 7，可調(diào)數(shù)字式移相器8,可調(diào)數(shù)字式移相器的輸出端口 9,功率合成器的輸入端口一 10,功率合成器的輸入端口二 11，功率合成器12,功率合成器的輸出端口 13,懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器的輸入端口 14，懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器15，電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的測試端口一 16，電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的測試端口二 17，電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器18。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的基于懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器的相位檢測裝置是一種使用了矢量合成原理的微波相位檢測裝置，具體實(shí)施方案如下該裝置包括懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器15可調(diào)數(shù)字式移相器、功率合成器12、電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器18 ;在懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器中，電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的測試端口一 16、電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的測試端口二 17分別接電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器18，懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器的輸入端口 14接功率合成器的輸出端口 13;在功率合成器12中，功率合成器的輸入端口一 10接參考微波信號Vraf ,功率合成器的輸入端口二 11接可調(diào)數(shù)字式移相器的輸出端口 9，可調(diào)數(shù)字式移相器的輸入端口 7接待測信號Vx。該系統(tǒng)利用了懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器、功率合成器、可調(diào)數(shù)字式移相器以及電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。其中，懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器由共面波導(dǎo)傳輸線1、氮化硅薄膜3、MEMS懸臂梁4、MEMS懸臂梁的下電極5和砷化鎵襯底6組成。將與待測信號Vx頻率相同的參考微波信號Vref加到功率合成器的輸入端口一 10，將待測微波信號Vx加到可調(diào)數(shù)字式移相器輸入端口 7，經(jīng)過可調(diào)數(shù)字式移相器8搬移一定的相位角度后加到功率合成器的輸入端口二 11。這兩路信號經(jīng)過功率合成器12進(jìn)行矢量合成后到達(dá)功率合成器的輸出端口 13，然后加在懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器的輸入端口 14，電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的測試端口一 16和測試端口二 17分別接在MEMS懸臂梁的下電極5和共面波導(dǎo)傳輸線的地平面2。通過可調(diào)數(shù)字式移相器8可以在待測信號Vx的相位內(nèi)的基礎(chǔ)上增加額外的附加相位角度科，結(jié)果使得此路信號的相位角度相對于即將與其進(jìn)行矢量合成的參考信號Vref的相位角度成為180度或O度，即
死 + 扒—Pref = 180° 或爐 +φ — φκ = O0如果該角度成為180度，由于矢量相減，則在功率合成器的輸出端口 13處的信號功率為最小值；如果該角度成為O度，由于矢量相加，則在功率合成器的輸出端口 13處的信號功率為最大值，其中兩次附加相位角度辦之差肯定為180度，這樣保證推算出的待測信號Vx的原相位是一個(gè)唯一的值。懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器15的主體為MEMS懸臂梁4。當(dāng)微波信號通過共面波導(dǎo)傳輸線I進(jìn)入該傳感器后，由于MEMS懸臂梁4與共面波導(dǎo)傳輸線I之間產(chǎn)生了靜電力，此靜電力將使MEMS懸臂梁4產(chǎn)生位移，從而使MEMS懸臂梁4與MEMS懸臂梁的下電極5之間的電容值發(fā)生變化，通過電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器18測量出此電容的最小值和最大值，分別對應(yīng)功率合成器的輸出端口處的信號功率的最小值和最大值，從而判斷被合成的兩個(gè)矢量之間的角度是180度還是O度。如果該角度成為180度，則意味著參考信號的相位角度爐ref加上180度再減去可調(diào)數(shù)字式移相器8所示移相度數(shù)辦后即為待測信號的相位內(nèi);如果該角度成為O度，則意味著參考信號的相位角度Pref減去可調(diào)數(shù)字式移相器8所示移相度數(shù)料后即為待測信號Vx的相位辦，其中兩次附加相位角度內(nèi)之差肯定為180度，這樣保證推算出的待測信號Vx的原相位丹是一個(gè)唯一的值。實(shí)現(xiàn)懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器15所使用的MEMS制造工藝與砷化鎵微波單片集成電路(MMIC)工藝相兼容，具體的工藝步驟如下:`
a)蒸發(fā)金鍺鎳/金層在500 μ m厚的砷化鎵襯底上，b)淀積氮化硅作為介質(zhì)層，c)旋涂聚酰亞胺作為犧牲層，d)鈦/金/鈦被電鍍作為種子層，e)移除頂部鈦層，然后電鍍金層，f)刻蝕鈦/金/鈦形成孔，g)刻蝕聚酰亞胺，釋放犧牲層，h)減薄襯底至100 μ m。區(qū)分是否為該結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)如下:該微波相位檢測裝置采了用測量經(jīng)過可調(diào)數(shù)字式移相器移相的待測信號Vx與參考信號Vref合成后的信號功率的方法，實(shí)現(xiàn)了對微波相位的精確測量，由移相、功率合成和功率檢測三個(gè)部分組成。即將與待測信號頻率相同的參考微波信號VMf加到功率合成器的輸入端口一 10，將待測微波信號Vx經(jīng)過可調(diào)數(shù)字式移相器8搬移一定的相位角度后加到功率合成器的輸入端口二 11。通過功率合成器12對這兩路信號進(jìn)行矢量合成后加在懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器的輸入端口 14，通過裝置的檢測部分(電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器18)精確地檢測出電容的最小值和最大值，分別對應(yīng)功率合成器12的輸出端口 13處的信號功率的最小值和最大值，從而判斷被合成的兩個(gè)矢量之間的角度是180度還是O度。如果該角度成為180度，則意味著參考信號的相位角度細(xì)f加上180度再減去數(shù)字式移相器8所示移相度數(shù) ^后即為待測信號的相位％;如果該角度成為O度，則意味著參考信號的相位角度抖ef減去數(shù)字式移相器8所示移相度數(shù)％后即為待測信號Vx的相位9 ，其中兩次附加相位角度辦之差肯定為180度，這樣保證推算出的待測信號Vx的原相位是一個(gè)唯一的值。滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即被視為本發(fā)明的基于懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器的微波相位檢測裝置?！?br> 權(quán)利要求
1.一種基于懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器的微波相位檢測裝置，其特征在于該裝置包括懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器(15)可調(diào)數(shù)字式移相器(8)、功率合成器(12)、電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(18);在懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器(15)中，電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的測試端口一( 16)、電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的測試端口二( 17)分別接電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(18),懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器的輸入端口( 14)接功率合成器的輸出端口(13);在功率合成器(12)中，功率合成器的輸入端口一(10)接參考微波信號VMf，功率合成器的輸入端口二( 11)接可調(diào)數(shù)字式移相器的輸出端口(9)，可調(diào)數(shù)字式移相器的輸入端口(7)接待測信號Vx。
2.—種如權(quán)利要求1所述的基于懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器的微波相位檢測裝置的檢測方法，其特征在于， 采用測量參考信號與經(jīng)過可調(diào)數(shù)字式移相器移相的待測信號Vx合成后的信號功率，通過移相、功率合成和功率檢測三部分，將與待測信號頻率相同的參考微波信號Vref加到功率合成器的輸入端口一(10)，將待測微波信號經(jīng)過可調(diào)數(shù)字式移相器(8)搬移一定的角度后加到功率合成器的輸入端口二(11)，功率合成器(12)對這兩路信號進(jìn)行矢量合成后加在懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器的輸入端口(14)； 可調(diào)數(shù)字式移相器(8)在待測信號Vx的原相位的基礎(chǔ)上增加一定角度的相位，結(jié)果使得即將與其進(jìn)行矢量合成的參考信號相對于此路信號的角度成為180度或O度，即分別對應(yīng)在功率合成器的輸出端口( 13)處的信號功率為最小值與最大值，再通過電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(18)精確地檢測出電容的最小值和最大值，分別對應(yīng)功率合成器的輸出端口(13)處的信號功率的最小值和最大值，從而判斷被合成的兩個(gè)矢量之間的角度是180度還是O度；如果該角度成為180度，則意味著參考信號的相位角度^et加上180度再減去數(shù)字式移相器(8)所示移相度數(shù)_后即為待測信號的相位外;如果該角度成為O度，則意味著參考信號的相位角度減去數(shù)字式移相器(8)所示移相度數(shù)內(nèi)后即為待測信號Vx的相位％，其中兩次附加相位角度％之差肯定為180度，這樣保證推算出的待測信號Vx的原相位辦是一個(gè)唯一的值。
全文摘要
基于懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器的微波相位檢測裝置及方法，該裝置包括懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器(15)可調(diào)數(shù)字式移相器(8)、功率合成器(12)、電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(18)；在懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器(15)中，電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的測試端口一(16)、電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的測試端口二(17)分別接電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(18)，懸臂梁電容式微機(jī)械微波功率傳感器的輸入端口(14)接功率合成器的輸出端口(13)；在功率合成器(12)中，功率合成器的輸入端口一(10)接參考微波信號Vref，功率合成器的輸入端口二(11)接可調(diào)數(shù)字式移相器的輸出端口(9)，可調(diào)數(shù)字式移相器的輸入端口(7)接待測信號Vx。
文檔編號G01R29/08GK103076504SQ20121058148
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月26日
發(fā)明者廖小平, 崔焱 申請人:東南大學(xué)