【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(shù),微波信號檢測廣泛應(yīng)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(shí)際應(yīng)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(dú)立電路,這些分立器件不僅具有體積較大的缺點(diǎn),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(shí)現(xiàn)集成檢測的系統(tǒng)來滿足微波通訊領(lǐng)域的應(yīng)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(jī)械微波通訊集成檢測系統(tǒng)的設(shè)計理論和實(shí)現(xiàn)方法的研究,主要內(nèi)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(dá)到4W的電容式MEMS微波功率傳感器,應(yīng)用Ansys HFSS軟件對電容式MEMS功率傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jī)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(zhuǎn)換模型進(jìn)行了第一次修正;在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮大功率輸入下電容增大所導(dǎo)致的信號反射,進(jìn)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(jìn)行了測試,驗(yàn)證了經(jīng)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(chǔ)。(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(jié)果與一個完整周期的計算結(jié)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(jìn)一步,為充分研究性能良好的MEMS微波相位檢測器的應(yīng)用可行性,本文還對其進(jìn)行了大功率下的相位檢測,相移測試結(jié)果依然符合余弦曲線關(guān)系。電容式MEMS微波功率傳感器彌補(bǔ)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(kuò)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(zhuǎn)換器和靜電力執(zhí)行器的平方律特性和低通特性。實(shí)驗(yàn)表明,熱電式MEMS檢波器可以實(shí)現(xiàn)載波頻率為0.35-10GHz的幅度調(diào)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(nèi)優(yōu)于20dB,插入損耗小于0.5dB,并可以對幅度調(diào)制信號實(shí)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(diǎn),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(guān)的介質(zhì)層電荷注入相關(guān)的可靠性問題:針對MEMS懸臂梁開關(guān)結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層電荷注入所引起的可靠性問題進(jìn)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(dǎo)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(guān)結(jié)構(gòu)的機(jī)械對稱性;利用函數(shù)信號發(fā)生器和示波器分析了懸臂梁開關(guān)結(jié)構(gòu)的電學(xué)對稱性;研究了直流電壓條件下的電荷充電過程,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,平衡電橋法的精度可以達(dá)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(jù)擬合后的弛豫時間和拉伸指數(shù)因子來區(qū)分;在此基礎(chǔ)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(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了分析和討論。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相比于直流電壓,RF信號下的下介電層充電的效應(yīng)十分有限。(5)針對MEMS微波通訊信號集成檢測系統(tǒng)設(shè)計理論和實(shí)現(xiàn)方法方面的問題:設(shè)計理論:本文首先通過n端口無源網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù);其次,在此基礎(chǔ)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(jié)構(gòu),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(jìn)行了結(jié)構(gòu)模擬,確定了這兩種微波信號集成檢測系統(tǒng)的最終結(jié)構(gòu)尺寸。實(shí)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(jìn)行了檢測,并且頻率檢測與功率無關(guān);其次利用耦合的方法對待測信號的功率進(jìn)行了檢測,并且在測得頻率的基礎(chǔ)上對測試結(jié)果進(jìn)行了校正,使得功率檢測與頻率無關(guān);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(shí)現(xiàn)了相位檢測;進(jìn)一步,這兩種微波信號集成檢測系統(tǒng)都可以對調(diào)幅信號實(shí)現(xiàn)直接檢波;最后,利用微波網(wǎng)絡(luò)理論,推導(dǎo)并計算MEMS微波傳感器及其集成檢測系統(tǒng)的S參數(shù)模型,為微波通訊系統(tǒng)中的嵌入式應(yīng)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(shí)現(xiàn)了對同一時刻的微波信號的功率、相位、頻率檢測及調(diào)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(dǎo)致的不對稱偏差的優(yōu)點(diǎn),保證了檢測系統(tǒng)內(nèi)部的各個傳感結(jié)構(gòu)的一致性�；谝陨螹EMS微波通訊信號集成檢測系統(tǒng)的設(shè)計理論和實(shí)現(xiàn)方法的研究已獲得多項(xiàng)中華人民共和國國家發(fā)明專利授權(quán)和受理(見成果表),具有自主知識產(chǎn)權(quán),填補(bǔ)了國內(nèi)MEMS微波通訊信號集成檢測系統(tǒng)在設(shè)計理論和實(shí)現(xiàn)方法方面的空白。
【圖文】：

電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS），又稱微機(jī)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(xué)、化學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)容的新興前沿交叉學(xué)科，度在亞微米至亞毫米范圍[1-3]。具體地，MEMS 技術(shù)是一種能夠批量制造微型機(jī)械和系統(tǒng)的技術(shù)。一方面 MEMS 技術(shù)依托于現(xiàn)有成熟的集成電路（IC）制造技術(shù)，技術(shù)本身也為傳統(tǒng)的 IC 領(lǐng)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(shù)和蝕刻技術(shù)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(shù)兼容的制造技術(shù)，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(yīng)用領(lǐng)域的成功技術(shù)，包括加速度計[5-6]，壓力傳感器[7]，微光學(xué)[8]和其中有些器件通過提升設(shè)備性能，降低制造成本，已經(jīng)超過了傳統(tǒng)器件。 RF/微波 MEMS 技術(shù)的基本特征F/微波微電子機(jī)械系統(tǒng)（RF MEMS）是 MEMS 領(lǐng)域的一個重要組成部分，該技微波器件的設(shè)計和加工提供了新途徑。由于 MEMS 器件本身就是三維結(jié)構(gòu)，所以合到 MMIC 和三維單片微波集成電路（3D-MMIC）中，從而構(gòu)成嶄新的微波組件統(tǒng)整機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，這也是實(shí)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(lǐng)域都有著非常廣闊的應(yīng)用前景[10]。

最廣泛應(yīng)用的器件是開關(guān)。目前 RFMEMS 開關(guān)的性能廣泛地應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)高性能和數(shù)字控制的組件（例如：電感和電容減器，移相器，阻抗調(diào)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(yīng)（例如移相器，阻抗調(diào)諧器和濾波器），特別是在調(diào)諧線性度經(jīng)可以取代傳統(tǒng)的變?nèi)荻䴓O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(gòu)的特性。隨著這些 RF M當(dāng)?shù)慕M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(shù)和成本）。最終將 RFMEMS提供更高的 RF 性能和顯著增強(qiáng)的功能，從而實(shí)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(yīng)用研究路徑圖（ARRRO），A RF 納米系統(tǒng)技術(shù)，，產(chǎn)品和應(yīng)用的未來需求的現(xiàn)狀進(jìn)行戰(zhàn)略評主要分析了 5 類的 RF MEMS 技術(shù)：（1）RF MEMS 開關(guān)；（波諧振器；（4）微機(jī)械諧振器；（5）其他新興的 RFMEMS 包究的結(jié)果將為參與此領(lǐng)域的歐洲專家和利益攸關(guān)方提供寶貴下分析歐洲 RF MEMS 和納米系統(tǒng)研究領(lǐng)域，本研究應(yīng)有助MS 中的整合。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH-39

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 者文明,崔大付,陳德勇;微梁結(jié)構(gòu)熱偶微波功率傳感器的靈敏度分析[J];儀表技術(shù)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(jié)構(gòu)熱偶微波功率傳感器芯片的制作工藝[J];傳感器技術(shù);2002年11期

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

本文編號：2697416