【摘要】：在微波信號檢測中,微波的功率、頻率和相位是三大基本的測量參數,微波信號檢測廣泛應用在幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)、微波定位、天線相位方向圖的測試和近場診斷等微波通訊系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在實際應用中迫切需要重量輕、體積小、功耗低和集成度高的電子裝備�，F(xiàn)有的微波功率、相位和頻率檢測器都為單個獨立電路,這些分立器件不僅具有體積較大的缺點,而且無法完成對同一時刻的微波信號的功率、相位和頻率的檢測。為此急需一種可以同時對三種微波參量實現(xiàn)集成檢測的系統(tǒng)來滿足微波通訊領域的應用需求。針對這些需求,本文基于單個分立的檢測器的研究,完成了微電子機械微波通訊集成檢測系統(tǒng)的設計理論和實現(xiàn)方法的研究,主要內容包括:(1)針對電容式MEMS微波功率傳感器在大功率下非線性的問題:提出了一種最大功率達到4W的電容式MEMS微波功率傳感器,應用Ansys HFSS軟件對電容式MEMS功率傳感器的結構進行了模擬,得到了MEMS梁表面的電場和磁場分布,從而確定了有效傳感范圍;并利用Ansys FEM軟件分析電容傳感器的機械性能,得到MEMS梁在4W輸入功率下的位移分布,對傳統(tǒng)的微波-力-電轉換模型進行了第一次修正;在此基礎上,進一步考慮大功率輸入下電容增大所導致的信號反射,進行了第二次修正;最后,通過對該電容式MEMS功率傳感器的大功率下輸出特性進行了測試,驗證了經兩次修正后的傳感器非線性模型的有效性,為大功率的電容式MEMS微波功率傳感器的研究奠定了理論基礎。(2)針對MEMS微波相位檢測器相位全周期和大功率信號檢測的問題:基于GaAs MMIC工藝制備了一種基于MEMS功率傳感器的MEMS微波相位檢測器,測試表明,該MEMS微波相位檢測器的相移測量結果與一個完整周期的計算結果吻合良好;在輸入23dBm功率10GHz頻率下,由熱電式和電容式兩種MEMS功率傳感器所測得的相位靈敏度分別為16.62μV/°和23.94aF/°;進一步,為充分研究性能良好的MEMS微波相位檢測器的應用可行性,本文還對其進行了大功率下的相位檢測,相移測試結果依然符合余弦曲線關系。電容式MEMS微波功率傳感器彌補了熱電式功率傳感器處理高功率的不足,將MEMS微波相位檢測器的動態(tài)范圍擴大到4W。(3)針對MEMS微波信號檢波器的問題:提出了熱電式、在線式和級聯(lián)式三種基于GaAs MMIC工藝的MEMS檢波器,這些檢波器利用熱電轉換器和靜電力執(zhí)行器的平方律特性和低通特性。實驗表明,熱電式MEMS檢波器可以實現(xiàn)載波頻率為0.35-10GHz的幅度調制信號的直接檢波,功率檢測范圍覆蓋0-20dBm;在線式MEMS檢波器的回波損耗在0.01-10GHz頻段內優(yōu)于20dB,插入損耗小于0.5dB,并可以對幅度調制信號實現(xiàn)在線直接檢波;級聯(lián)式MEMS檢波器具有高功率處理能力的優(yōu)點,能夠覆蓋0-23dBm的功率范圍。這三種MEMS檢波器都具有無直流功耗的優(yōu)勢。(4)針對MEMS懸臂梁開關的介質層電荷注入相關的可靠性問題:針對MEMS懸臂梁開關結構的介質層電荷注入所引起的可靠性問題進行了深入的研究,提出了一種平衡電橋表征方法,首先,建立了平衡電橋的等效電路模型,推導了平衡電橋法的精度公式。通過激光多普勒測速儀分析了懸臂梁的振動模態(tài),確保了懸臂梁開關結構的機械對稱性;利用函數信號發(fā)生器和示波器分析了懸臂梁開關結構的電學對稱性;研究了直流電壓條件下的電荷充電過程,實驗結果表明,平衡電橋法的精度可以達到10Ω/fF,通過使用該方法可以觀察到接觸和非接觸的充電過程,這兩種充電效果可以根據擬合后的弛豫時間和拉伸指數因子來區(qū)分;在此基礎上研究了26-33dBm功率26GHz頻率RF信號下的介電層電荷充電過程,并對相應的機理進行了分析和討論。實驗結果表明,相比于直流電壓,RF信號下的下介電層充電的效應十分有限。(5)針對MEMS微波通訊信號集成檢測系統(tǒng)設計理論和實現(xiàn)方法方面的問題:設計理論:本文首先通過n端口無源網絡信號疊加合成過程,給出了n端口信號檢測的通用公式,并由該通用公式推導出六端口微波信號集成檢測系統(tǒng)的理論公式,從而為集成檢測系統(tǒng)的拓撲結構設計提供依據;其次,在此基礎上提出了基于幅度比值和相位比較檢測頻率的兩種微波信號集成檢測系統(tǒng)的結構,并且針對這兩種微波信號集成檢測系統(tǒng)分別利用Ansys HFSS軟件進行了結構模擬,確定了這兩種微波信號集成檢測系統(tǒng)的最終結構尺寸。實現(xiàn)方法:利用GaAs MMIC工藝制備了基于幅度比值和相位比較檢測頻率的兩種微波信號集成檢測系統(tǒng)。這兩種微波信號集成檢測系統(tǒng)首先利用幅度比值和相位比較法對待測信號的頻率進行了檢測,并且頻率檢測與功率無關;其次利用耦合的方法對待測信號的功率進行了檢測,并且在測得頻率的基礎上對測試結果進行了校正,使得功率檢測與頻率無關;這兩種微波信號集成檢測系統(tǒng)都利用正交雙通道的方法實現(xiàn)了相位檢測;進一步,這兩種微波信號集成檢測系統(tǒng)都可以對調幅信號實現(xiàn)直接檢波;最后,利用微波網絡理論,推導并計算MEMS微波傳感器及其集成檢測系統(tǒng)的S參數模型,為微波通訊系統(tǒng)中的嵌入式應用提供了有力的理論支撐。該MEMS微波通訊信號集成檢測系統(tǒng),實現(xiàn)了對同一時刻的微波信號的功率、相位、頻率檢測及調幅信號的檢波;并且單片集成系統(tǒng)具有抑制加工工藝所導致的不對稱偏差的優(yōu)點,保證了檢測系統(tǒng)內部的各個傳感結構的一致性�；谝陨螹EMS微波通訊信號集成檢測系統(tǒng)的設計理論和實現(xiàn)方法的研究已獲得多項中華人民共和國國家發(fā)明專利授權和受理(見成果表),具有自主知識產權,填補了國內MEMS微波通訊信號集成檢測系統(tǒng)在設計理論和實現(xiàn)方法方面的空白。
【圖文】：

電子機械系統(tǒng)（MEMS），又稱微機械（日本），或微系統(tǒng)（歐洲）是一個涉及電子工程、材料工程、物理學、化學以及生物醫(yī)學等領域內容的新興前沿交叉學科，度在亞微米至亞毫米范圍[1-3]。具體地，MEMS 技術是一種能夠批量制造微型機械和系統(tǒng)的技術。一方面 MEMS 技術依托于現(xiàn)有成熟的集成電路（IC）制造技術，技術本身也為傳統(tǒng)的 IC 領域帶來許多新的優(yōu)勢[4]。這些優(yōu)勢包括：（1）批量制造成本；（2）光刻技術和蝕刻技術使得器件具有很好的一致性；（3）尺寸縮小所帶和輕重量。此外，通過使用例如硅材料和與 IC 技術兼容的制造技術，MEMS 部件的電子器件集成，制造出與外部環(huán)境完美交互的智能片上系統(tǒng)（SoC）。以上這些S 成為許多應用領域的成功技術，包括加速度計[5-6]，壓力傳感器[7]，微光學[8]和其中有些器件通過提升設備性能，降低制造成本，已經超過了傳統(tǒng)器件。 RF/微波 MEMS 技術的基本特征F/微波微電子機械系統(tǒng)（RF MEMS）是 MEMS 領域的一個重要組成部分，該技微波器件的設計和加工提供了新途徑。由于 MEMS 器件本身就是三維結構，所以合到 MMIC 和三維單片微波集成電路（3D-MMIC）中，從而構成嶄新的微波組件統(tǒng)整機結構更加緊湊，這也是實現(xiàn)現(xiàn)代微型探測器及航天系統(tǒng)微小型化器件的重。并且，由于 RF MEMS 器件的可集成、低功耗、高線性度以及小型化等優(yōu)異性用和軍事領域都有著非常廣闊的應用前景[10]。

最廣泛應用的器件是開關。目前 RFMEMS 開關的性能廣泛地應用于實現(xiàn)高性能和數字控制的組件（例如：電感和電容減器，移相器，阻抗調諧器，濾波器和天線）和子系統(tǒng)（例如，T/R 模塊和扇區(qū)天線陣列）。而 RFMEMS 可變電容器被應（例如移相器，阻抗調諧器和濾波器），特別是在調諧線性度經可以取代傳統(tǒng)的變容二極管。其他比較常用的 RF MEMS 器，具有輻射方向和工作頻率可重構的特性。隨著這些 RF M當的組裝解決方案，將其全部封裝到 RF 微系統(tǒng)中是非常重要部因素（例如 RF 性能，制造技術和成本）。最終將 RFMEMS提供更高的 RF 性能和顯著增強的功能，從而實現(xiàn)一種更優(yōu)越MS 的發(fā)展現(xiàn)狀了歐洲的射頻微/納系統(tǒng)計劃的應用研究路徑圖（ARRRO），A RF 納米系統(tǒng)技術，，產品和應用的未來需求的現(xiàn)狀進行戰(zhàn)略評主要分析了 5 類的 RF MEMS 技術：（1）RF MEMS 開關；（波諧振器；（4）微機械諧振器；（5）其他新興的 RFMEMS 包究的結果將為參與此領域的歐洲專家和利益攸關方提供寶貴下分析歐洲 RF MEMS 和納米系統(tǒng)研究領域，本研究應有助MS 中的整合。
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH-39

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

1 者文明,崔大付,陳德勇;微梁結構熱偶微波功率傳感器的靈敏度分析[J];儀表技術與傳感器;2003年03期

2 者文明,崔大付,陳德勇,王利,王蕾;微梁結構熱偶微波功率傳感器芯片的制作工藝[J];傳感器技術;2002年11期

3 劉光輝,亢春梅;MEMS技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J];傳感器技術;2001年01期

本文編號：2697416