热电式MEMS毫米波功率传感器的模拟和设计

论文总字数：31247字

摘 要

本文提出了一种热电式MEMS毫米波功率传感器及其结构，供以测量毫米波之频率，该设计的频率带宽为32-42GHz，其原理是基于塞贝克（Seebeck）效应，利用功率-热-电势之间的转换实现功率测量。

研究中，对标准型传感器共面波导（CPW）进行初步的结构设计，再以仿真软件优化尺寸，分析其沟道宽度、信号线宽度、地线宽度等参量的变化，分别对微波性能的影响，发现在尺寸优化后，于32-42GHz的高频范围，其反射损耗均低于-42.0db，插入损耗均在-0.115db左右，而特征阻抗非常好地维持在Ω的区间内；定义了地线收缩型、信号线收缩型共面波导（CPW）的概念，并对结构进行逐步改良和尺寸优化，结果表明，经过改良与优化后，两种新型共面波导（CPW）在保持良好微波性能的基础上，沟道宽度各自拓宽了75.375和53.25。

接着，在三种具良好性能的共面波导结构基础上，以补偿寄生效应为出发点，仿真电路并设计出各自的终端匹配电阻——阻值分别为98Ω、100Ω、102Ω，达到良好的阻抗匹配以控制反射损耗数值于-20.dB以下。

最后，研究经典标准型共面波导（CPW）的热分布仿真，找出结构的温度最高点，为后续提升热电式MEMS毫米波功率传感器的热-电转化性能打下坚实基础。

关键词：热电式，MEMS，毫米波功率，功率传感器，共面波导。

THE DESIGN AND SIMULATION OF THERMOELECTRIC MEMS MILLIMETER-WAVE POWER SENSOR

Abstract

This paper presents the structure of thermoelectric MEMS millimeter-wave power sensor which is used for measurement of millimeter-wave power within 32-42GHz frequency bandwidth. The principle of measuring millimeter-wave power in this senor is based on the SeeBeck effect, which is mainly mentioned about the theory of power-heat-voltage conversion.

The research starts from designing the structure of standard coplanar waveguide(CPW) of the power sensor. Then emulation software is used for the size optimization which is included analyzing the change of microwave properties influenced by varying different parameters, such as channel width, signal line width and ground width. In the range of 32-42GHz frequency bandwidth, the conclusion that the coplanar waveguide(CPW) reflection loss is lower than -42.0dB, the insertion loss is around -0.115dB while the characteristic impedance is controlled in the extent of Ω can be set after the size optimization. Furthermore, the ground-contract coplanar waveguide(CPW) and the signal-line-contract coplanar waveguide(CPW) are defined in this paper. Based on the well maintenance of microwave properties, the result shows that the respective channel width of this two coplanar waveguide can furthest be broadened up to 75.375 and 53.25 by the particular improvement and size optimization.

By emulating a certain amount of terminal resistors in particular range, the experimental result found that resistors of 98Ω,100Ω,102Ω are the optimum terminal matching resistors for three different coplanar waveguides respectively while the coplanar waveguide(CPW) reflection loss is lower than -20.0dB based on the consideration for offsetting parasitic effect and three sorts of well-microwave-property coplanar waveguides(CPW).

Finally, the research figures the maximum of temperature out in the typical standard coplanar waveguide(CPW), this accomplishment can bring a lot of advancements to subsequent research on thermoelectric MEMS millimeter-wave power sensor.

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 微电子机械系统（MEMS） 1

1.1.1 MEMS的定义1

1.1.2 MEMS的特点及优势2

1.1.3 MEMS的应用2

1.2 MEMS微波功率传感器 3

1.2.1 MEMS微波功率传感器的研究背景3

1.2.2 MEMS微波功率传感器的分类3

1.2.3 热电式MEMS微波功率传感器的对比6

1.3 本论文的研究目的和主要研究内容 7

1.3.1 目前存在的问题7

1.3.2 本文主要研究内容8

1.4 本章小结 8

第二章 热电式MEMS毫米波功率传感器的设计原理和性能指标9

2.1 共面波导（CPW） 9

2.2 终端电阻 10

2.3 热电堆 11

2.4 本章小结 12

第三章 共面波导（CPW）的结构设计和尺寸优化13

3.1 共面波导（CPW）的初始结构分析和仿真 13

3.1.1 基础结构尺寸建立13

3.1.2 初始CPW的微波性能测试14

3.2 标准型共面波导（CPW）的结构设计和尺寸优化 15

3.2.1 衬底接地对CPW微波性能的影响15

3.2.2 衬底厚度对CPW微波性能的影响17

3.2.3 沟道宽度对CPW微波性能的影响18

3.2.4 金属线宽度对CPW微波性能的影响20

3.2.5 标准型CPW尺寸优化结果21

3.3 地线收缩型共面波导（CPW）的结构设计和尺寸优化 22

3.3.1 地线收缩型CPW的结构和仿真22

3.3.2 改良式地线收缩型CPW的结构和仿真24

3.3.3 地线收缩型CPW尺寸优化结果26

3.4 信号线线收缩型共面波导（CPW）的结构设计和尺寸优化 27

3.4.1 信号线线收缩型CPW的结构和仿真27

3.4.2 改良式信号线收缩型CPW的结构和仿真28

3.4.3 信号线线收缩型CPW尺寸优化结果31

3.5 本章小结 32

第四章 终端匹配电阻的仿真设计33

4.1 标准型共面波导（CPW）的匹配电阻设计 33

4.2 地线收缩型共面波导（CPW）的匹配电阻设计 34

4.3 信号线收缩型共面波导（CPW）的匹配电阻设计 35

4.4 本章小结 35

第五章 标准型共面波导（CPW）的热仿真37

5.1 标准型共面波导（CPW）的热仿真分析 37

5.2 本章小结 38

第六章 总结 39

致谢 40

参考文献 41

第一章 绪论

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