在线电容耦合型MEMS自加热微波功率传感器的模拟和设计

论文总字数：26227字

摘 要

当前，微波功率传感器在微波系统中得到广泛使用，但多数传感器普遍面临着灵敏度不高的问题。本文提出一种工作在8-12GHz的在线电容耦合型自加热微波功率传感器结构，其MEMS功率传感器是基于GaAs MMIC工艺制备的。它的工作原理为：在共面波导上方悬挂一个MEMS膜，当共面波导中传输的射频信号经过MEMS膜时，由MEMS膜与共面波导信号线构成的电容会耦合出一定比例的射频信号，被耦合出的射频信号经额外的两条共面波导分别传输到共面波导末端的两个热电偶上，发生电-热-电转换，实现了微波功率的测量。为了实现低反射损耗，每个热电偶（两个热电偶以并联方式连接到每个额外共面波导的末端）的电阻值被设计为100Ω，从而在共面波导和热电偶之间实现良好的阻抗匹配。为了提高该传感器的灵敏度，该结构利用渐变共面波导设计、锥形的热端设计、衬底微加工技术来提高热电偶冷热两端的温差。本文将首先建立该结构的等效电路模型，并对该模型进行模拟和尺寸的设计，然后着重利用HFSS电磁仿真软件对该传感器结构的微波性能进一步模拟和优化。通过优化各项参数，在8-12GHz得到了20 dB的耦合度和-30 dB以下的反射系数。

关键词：MEMS微波功率传感器、在线式、自加热

Simulation and Design of an Inline Capacitive Coupling Self-Heating Microwave Power Sensor

Abstract

Nowadays,microwave power sensors have been using widely in microwave systems.However,most of the sensors suffer from low sensitivity.This paper presents a design of an inline capacitive coupling self-heating microwave power sensor,which works at 8-12 GHz. The sensor is built using GaAs MMIC process. This is how it works: A MEMS membrane is hanged over the coplanar waveguide(CPW).When RF signal is transmitted on the CPW,part of the siganal is coupled by the capacity which is formed by both MEMS membrane and the CPW’s signal line.The coupled RF signal is transmitted on two extra CPWs, dissipated by termination resistors formed by two thermocouples,leading to a electronic-heat-electronic conversion.So that the sensor senses the RF power.For a lower reflection coefficient of the sensor,each thermocouple’s resistor value are designed at about 100Ω,reaching a good impedance matchting of the two CPWs.In order to raise the sensitivity of this sensor,a gradient coplanar waveguide,tapered hot junctions and a substrate technique are used to increase the temperature gap between hot and cold junctions of the thermocouples. In this paper,we will found a equivalent circuit of the sensor,so that we can analyze the length parameters.Then we focus on simulation and design of the power sensor with the help of HFSS,a software for electromagnetic simulation.After further parameter optimization we gain a coupling coefficient of about 20 dB and a reflection coefficient of below -30 dB.

Keywords:MEMS microwave power sensor,inline,self-heating

目 录

摘要 ……………………………………………………………………………………………………Ⅲ

Abstract ………………………………………………………………………………………………Ⅳ

第一章 绪论 …………………………………………………………………………………………1

1.1 引言 ………………………………………………………………………………………1

1.2 传统的微波功率传感器 …………………………………………………………………1

1.3 MEMS微波功率传感器 …………………………………………………………………1

1.3.1 MEMS微波功率传感器的分类 ……………………………………………………1

1.3.2 MEMS微波功率传感器的比较 ……………………………………………………2

1.4 本文的研究目的和主要研究内容 ………………………………………………………3

1.4.1目前存在的问题 ……………………………………………………………………3

1.4.2主要研究内容 ………………………………………………………………………3

第二章 自加热型MEMS微波功率传感器的模拟和设计 ………………………………………4

2.1 共面波导的模拟和设计 …………………………………………………………………4

2.2 自加热型MEMS微波功率传感器 ………………………………………………………5

2.2.1 自加热型MEMS微波功率传感器的结构与原理 ………………………………5

2.2.2 自加热型MEMS微波功率传感器的模拟与优化 ………………………………6

第三章 MEMS微波功率耦合器的模拟和设计 …………………………………………………12

3.1 MEMS膜的设计 …………………………………………………………………………12

3.2 MEMS微波功率耦合器 …………………………………………………………………13

3.2.1 MEMS微波功率耦合器的结构与原理 …………………………………………13

3.2.2 MEMS微波功率耦合器的模拟与优化 …………………………………………14

第四章 在线电容耦合型MEMS自加热型微波功率传感器的模拟和设计 ……………………18

4.1 在线电容耦合型MEMS自加热型微波功率传感器的工作原理与仿真模拟 …………18

4.2 在线电容耦合型MEMS自加热型微波功率传感器的工艺 …………………………19

第五章 总结与展望 ………………………………………………………………………………20

5.1 总结 ………………………………………………………………………………………20

5.2 展望 ………………………………………………………………………………………20

致谢 …………………………………………………………………………………………………21

参考文献（References） ……………………………………………………………………………22

第一章 绪 论

1.1 引言

MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems），即微电子机械系统，该技术萌芽自20世纪50-60年代，发展于20世纪80-90年代，而在21世纪的当前成为了前端科技的代表之一。MEMS技术的兴起依托于集成电路（IC）技术的快速发展，涉及学科广泛，是多领域高新科研成果的集大成者。MEMS技术使批量制造在更小的尺度下进行成为可能，从而发掘出器件的全新应用，使传感、控制技术迈入新的境界。MEMS之下包含各个分支，如射频（RF）、光、生物等等，RF MEMS是MEMS技术的重要分支。

在射频微波技术中，微波功率类比于低频信号的幅度，其与频率、相位一起构成了微波信号的三要素。由于高频环境下阻抗呈现可变性，此时电压与电流不具有确定的数值，而信号的微波功率仍可确定，其测量也就更具研究价值，因此在微波信号传输的各个环节通常测量的是微波功率。

MEMS技术特有的高集成度、低功耗水平等优点，使其在射频微波功率的测量上大显身手。结合原有测量技术制作出的MEMS微波功率传感器不仅具有出色的性能，甚至催生了崭新的器件工作原理。然而，现有的MEMS微波功率传感器大多面临灵敏度普遍不高的问题。基于此，本文提出了一种在线电容耦合型MEMS自加热型微波功率传感器的设计。该传感器在保留传统在线式微波功率传感器宽频度、低损耗、线性度良好的基础上，通过自加热式设计和热电偶的特殊结构设计，大大提升了器件的灵敏度。

1.2 传统的微波功率传感器

微波功率传感器旨在通过电效应将微波功率转换成可测的能量形式（热、电等），进而反推得到信号的微波功率，实现微波电路的功率检测、增益控制和电路保护。一般而言，传统的微波功率传感器包括二极管类型、热敏电阻型和热电偶型^[1-2]。按有源器件和无源器件的分类，前者属于有源器件，利用二极管的整流作用将微波信号转换为易测的低频信号；后两者属于无源器件，利用相关的电磁-热效应将微波信号转化为热能，再利用热-电效应得到易测的低频信号。

1.3 MEMS微波功率传感器

1.3.1 MEMS微波功率传感器的分类

根据测量方式的区别，MEMS微波功率传感器可分为终端式和在线式。对于终端式MEMS微波功率传感器，射频信号只有输入没有输出，即输入的功率完全耗散在传感器内。这些耗散的功率转化成热能，基于塞贝克效应，将热能进一步转化成易于测量的直流电势能，测量得到热电势，再反推得到射频信号的功率。对于在线式MEMS微波功率传感器，射频信号有输入也有输出，传感器的测量过程对信号的影响通常控制在1%以下的数量级，这得益于在线式MEMS微波功率传感器的耦合器结构。耦合器（如MEMS膜）仅耦合原信号的一小部分，通过测量耦合所得的信号功率，来达到测量原信号功率的目的。由此可见，终端式MEMS微波功率传感器对所测信号具有破坏性，在线式MEMS微波功率传感器则保留了原信号的绝大部分，这也是两大测量方式命名的由来。

按MEMS微波功率传感器测量原理的区别，则又可分为自加热型和间接加热型两个大类。前者将输入功率直接耗散在热电偶上，通过热电偶发热得到热电势，通过测得的热电势反推得到输入信号功率。后者的基本原理与前者类似，区别在于输入功率耗散在设定好的终端电阻上，在终端电阻旁设有热电堆(由热电偶级联构成)，通过间接加热得到热电势。

在线式MEMS微波功率传感器内部还可分为插入型、电容型和耦合型三类。本文主要讨论电容型和耦合型MEMS微波功率传感器。事实上插入型MEMS微波功率传感器存在较大缺陷：1）插入损耗较大。2）设计不灵活^[3-4]。

图1-1 在线电容型微波功率传感器示意图^[5]

图1-1为典型的在线电容型微波功率传感器结构。射频信号按图中箭头方向传输，基板之上是宽为w的空气膜，其与基板之间形成近似的电容结构。空气膜在静电力的作用下发生轻微形变，导致电容发生变化。通过膜下方的两个电极并借助两侧的测量探针能够测得电容的变化值，反推得到原射频信号的功率。

图1-2 在线耦合型微波功率传感器^[6]

图1-2为典型的耦合型在线式微波功率传感器结构。类似电容型传感器，射频信号在S区域传输，中心黑色长条为相似空气膜结构，而宽度较小；不同于电容型MEMS微波功率传感器，空气膜由于电容效应，耦合一小部分原射频信号，将其传输到G区共面波导，并最终耗散在共面波导的终端电阻上。功率耗散产生电热将传到两侧的热电堆上。基于塞贝克效应，热电堆产生热电势，测出热电势，反推得原射频信号的射频功率。

1.3.2 MEMS微波功率传感器的比较

微波功率传感器的主要指标包括：

1）插入损耗，根据工作原理的不同而受不同因素影响；

2）反射损耗，在MEMS微波功率传感器中，反射损耗主要是由于阻抗不匹配导致的，反射损耗越低器件性能越好；

3）灵敏度，在MEMS微波功率传感器中，灵敏度指热电势与微波信号功率的比值，单位通常为mV/mW，灵敏度越高器件性能越好；

4）响应时间，分为上升响应时间和下降响应时间，响应时间越快器件性能越好。

5) 线性度，描述传感器校准曲线与拟合直线的偏差程度，线性度值越小，线性度越高，器件性能越好。

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