在線監(jiān)測式MEMS微波功率傳感器的設(shè)計.pdf

1、本文提出的在線監(jiān)測式微波功率傳感器是一種可以實現(xiàn)功率監(jiān)測、增益控制和電路保護的新型微波功率傳感器。在MEMS技術(shù)興起的推動下，當(dāng)微波功率傳感器的制造工藝與GaAs MMIC工藝兼容時，可以將微波功率傳感器嵌入到微波和毫米波單片集成電路中，實現(xiàn)功率的在線測量。 本文的在線監(jiān)測式微波功率傳感器是由微波功率耦合器和間接加熱式微波功率傳感器組成，微波功率耦合器結(jié)構(gòu)類似于MEMS電容式開關(guān)，其在共面波導(dǎo)上方有一個MEMS膜，當(dāng)沒有直流控

2、制電壓時，它與共面波導(dǎo)的信號線構(gòu)成一個很小的電容，從而幾乎不耦合微波功率，而當(dāng)加入直流控制電壓時，MEMS膜由于靜電力被拉下而與其下方的支撐結(jié)構(gòu)接觸，導(dǎo)致它與共面波導(dǎo)的信號線之間的電容變大，從而可以將共面波導(dǎo)上傳輸?shù)奈⒉üβ蜀詈铣鲆恍〔糠?，耦合出的微波功率被匹配電阻吸收而轉(zhuǎn)化為熱量，通過在電阻附近的熱電堆將熱信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枌崿F(xiàn)微波功率的測量。該傳感器可以實現(xiàn)平均功率的測量，且與輸入波形無關(guān)、測量頻率范圍寬、線性度好、測量的功率范圍大。

3、 本文提出的在線監(jiān)測式微波功率傳感器的獨特之處在于它有監(jiān)測和不監(jiān)測兩種狀態(tài)，這就使得在不需要對微波功率進行測量的時候可以將傳感器對電路的影響減到最小，并避免不必要的功率消耗。本文所設(shè)計的傳感器的主要性能指標(biāo)是：功率范圍0.1-500mW;頻率范圍8-12GHz；閾值電壓20V左右；不監(jiān)測狀態(tài)下的插入損耗小于0.2dB，反射系數(shù)小于-20dB;監(jiān)測狀態(tài)下的插入損耗小于0.5dB，反射系數(shù)小于-15dB：靈敏度大于20mV/W：單位

4、功率信噪比大于1.0×10<'6>W<'-1>。 本文對微波功率耦合器主要根據(jù)閾值電壓、插入損耗和反射系數(shù)三個指標(biāo)進行設(shè)計，通過有限元分析軟件HFSS和CoventorWare對微波功率耦合器結(jié)構(gòu)進行了S參量分析和閾值電壓及電容分析，設(shè)計出了符合性能指標(biāo)要求的MEMS膜的尺寸；對間接加熱式微波功率傳感器主要根據(jù)靈敏度和信噪比兩個指標(biāo)進行設(shè)計，通過有限元分析軟件CoventorWare對間接加熱式微波功率傳感器進行了溫度分布的模擬

5、，確定了熱電堆的位置和熱偶臂的尺寸，并結(jié)合模擬結(jié)果和有關(guān)理論估算出了傳感器的靈敏度和信噪比，其結(jié)果符合性能指標(biāo)的要求。此外，本文還對一些可能會對傳感器性能產(chǎn)生影響的因素進行了分析，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高性能。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)信息產(chǎn)業(yè)部55所的工藝條件，對本文的在線監(jiān)測式微波功率傳感器進行了工藝和版圖設(shè)計，設(shè)計出了幾組可以對比的試驗結(jié)構(gòu)，以得出各種設(shè)計參數(shù)對傳感器性能的影響。本文所設(shè)計的在線監(jiān)測式微波功率傳感器工藝與GaAs