微电子机械微波通讯信号集成检测系统的研究

发布时间：2020-06-05 03:15

【摘要】：在微波信号检测中,微波的功率、频率和相位是三大基本的测量参数,微波信号检测广泛应用在幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)、微波定位、天线相位方向图的测试和近场诊断等微波通讯系统。这些系统在实际应用中迫切需要重量轻、体积小、功耗低和集成度高的电子装备。现有的微波功率、相位和频率检测器都为单个独立电路,这些分立器件不仅具有体积较大的缺点,而且无法完成对同一时刻的微波信号的功率、相位和频率的检测。为此急需一种可以同时对三种微波参量实现集成检测的系统来满足微波通讯领域的应用需求。针对这些需求,本文基于单个分立的检测器的研究,完成了微电子机械微波通讯集成检测系统的设计理论和实现方法的研究,主要内容包括:(1)针对电容式MEMS微波功率传感器在大功率下非线性的问题:提出了一种最大功率达到4W的电容式MEMS微波功率传感器,应用Ansys HFSS软件对电容式MEMS功率传感器的结构进行了模拟,得到了MEMS梁表面的电场和磁场分布,从而确定了有效传感范围;并利用Ansys FEM软件分析电容传感器的机械性能,得到MEMS梁在4W输入功率下的位移分布,对传统的微波-力-电转换模型进行了第一次修正;在此基础上,进一步考虑大功率输入下电容增大所导致的信号反射,进行了第二次修正;最后,通过对该电容式MEMS功率传感器的大功率下输出特性进行了测试,验证了经两次修正后的传感器非线性模型的有效性,为大功率的电容式MEMS微波功率传感器的研究奠定了理论基础。(2)针对MEMS微波相位检测器相位全周期和大功率信号检测的问题:基于GaAs MMIC工艺制备了一种基于MEMS功率传感器的MEMS微波相位检测器,测试表明,该MEMS微波相位检测器的相移测量结果与一个完整周期的计算结果吻合良好;在输入23dBm功率10GHz频率下,由热电式和电容式两种MEMS功率传感器所测得的相位灵敏度分别为16.62μV/°和23.94aF/°;进一步,为充分研究性能良好的MEMS微波相位检测器的应用可行性,本文还对其进行了大功率下的相位检测,相移测试结果依然符合余弦曲线关系。电容式MEMS微波功率传感器弥补了热电式功率传感器处理高功率的不足,将MEMS微波相位检测器的动态范围扩大到4W。(3)针对MEMS微波信号检波器的问题:提出了热电式、在线式和级联式三种基于GaAs MMIC工艺的MEMS检波器,这些检波器利用热电转换器和静电力执行器的平方律特性和低通特性。实验表明,热电式MEMS检波器可以实现载波频率为0.35-10GHz的幅度调制信号的直接检波,功率检测范围覆盖0-20dBm;在线式MEMS检波器的回波损耗在0.01-10GHz频段内优于20dB,插入损耗小于0.5dB,并可以对幅度调制信号实现在线直接检波;级联式MEMS检波器具有高功率处理能力的优点,能够覆盖0-23dBm的功率范围。这三种MEMS检波器都具有无直流功耗的优势。(4)针对MEMS悬臂梁开关的介质层电荷注入相关的可靠性问题:针对MEMS悬臂梁开关结构的介质层电荷注入所引起的可靠性问题进行了深入的研究,提出了一种平衡电桥表征方法,首先,建立了平衡电桥的等效电路模型,推导了平衡电桥法的精度公式。通过激光多普勒测速仪分析了悬臂梁的振动模态,确保了悬臂梁开关结构的机械对称性;利用函数信号发生器和示波器分析了悬臂梁开关结构的电学对称性;研究了直流电压条件下的电荷充电过程,实验结果表明,平衡电桥法的精度可以达到10Ω/fF,通过使用该方法可以观察到接触和非接触的充电过程,这两种充电效果可以根据拟合后的弛豫时间和拉伸指数因子来区分;在此基础上研究了26-33dBm功率26GHz频率RF信号下的介电层电荷充电过程,并对相应的机理进行了分析和讨论。实验结果表明,相比于直流电压,RF信号下的下介电层充电的效应十分有限。(5)针对MEMS微波通讯信号集成检测系统设计理论和实现方法方面的问题:设计理论:本文首先通过n端口无源网络信号叠加合成过程,给出了n端口信号检测的通用公式,并由该通用公式推导出六端口微波信号集成检测系统的理论公式,从而为集成检测系统的拓扑结构设计提供依据;其次,在此基础上提出了基于幅度比值和相位比较检测频率的两种微波信号集成检测系统的结构,并且针对这两种微波信号集成检测系统分别利用Ansys HFSS软件进行了结构模拟,确定了这两种微波信号集成检测系统的最终结构尺寸。实现方法:利用GaAs MMIC工艺制备了基于幅度比值和相位比较检测频率的两种微波信号集成检测系统。这两种微波信号集成检测系统首先利用幅度比值和相位比较法对待测信号的频率进行了检测,并且频率检测与功率无关;其次利用耦合的方法对待测信号的功率进行了检测,并且在测得频率的基础上对测试结果进行了校正,使得功率检测与频率无关;这两种微波信号集成检测系统都利用正交双通道的方法实现了相位检测;进一步,这两种微波信号集成检测系统都可以对调幅信号实现直接检波;最后,利用微波网络理论,推导并计算MEMS微波传感器及其集成检测系统的S参数模型,为微波通讯系统中的嵌入式应用提供了有力的理论支撑。该MEMS微波通讯信号集成检测系统,实现了对同一时刻的微波信号的功率、相位、频率检测及调幅信号的检波;并且单片集成系统具有抑制加工工艺所导致的不对称偏差的优点,保证了检测系统内部的各个传感结构的一致性。基于以上MEMS微波通讯信号集成检测系统的设计理论和实现方法的研究已获得多项中华人民共和国国家发明专利授权和受理(见成果表),具有自主知识产权,填补了国内MEMS微波通讯信号集成检测系统在设计理论和实现方法方面的空白。
【图文】：

路径图,路径,器件,批量制造

电子机械系统（MEMS），又称微机械（日本），或微系统（欧洲）是一个涉及电子工程、材料工程、物理学、化学以及生物医学等领域内容的新兴前沿交叉学科，度在亚微米至亚毫米范围[1-3]。具体地，MEMS 技术是一种能够批量制造微型机械和系统的技术。一方面 MEMS 技术依托于现有成熟的集成电路（IC）制造技术，技术本身也为传统的 IC 领域带来许多新的优势[4]。这些优势包括：（1）批量制造成本；（2）光刻技术和蚀刻技术使得器件具有很好的一致性；（3）尺寸缩小所带和轻重量。此外，通过使用例如硅材料和与 IC 技术兼容的制造技术，MEMS 部件的电子器件集成，制造出与外部环境完美交互的智能片上系统（SoC）。以上这些S 成为许多应用领域的成功技术，包括加速度计[5-6]，压力传感器[7]，微光学[8]和其中有些器件通过提升设备性能，降低制造成本，已经超过了传统器件。 RF/微波 MEMS 技术的基本特征F/微波微电子机械系统（RF MEMS）是 MEMS 领域的一个重要组成部分，该技微波器件的设计和加工提供了新途径。由于 MEMS 器件本身就是三维结构，所以合到 MMIC 和三维单片微波集成电路（3D-MMIC）中，从而构成崭新的微波组件统整机结构更加紧凑，这也是实现现代微型探测器及航天系统微小型化器件的重。并且，由于 RF MEMS 器件的可集成、低功耗、高线性度以及小型化等优异性用和军事领域都有着非常广阔的应用前景[10]。

趋势图,技术路径,趋势

最广泛应用的器件是开关。目前 RFMEMS 开关的性能广泛地应用于实现高性能和数字控制的组件（例如：电感和电容减器，移相器，阻抗调谐器，滤波器和天线）和子系统（例如，T/R 模块和扇区天线阵列）。而 RFMEMS 可变电容器被应（例如移相器，阻抗调谐器和滤波器），特别是在调谐线性度经可以取代传统的变容二极管。其他比较常用的 RF MEMS 器，具有辐射方向和工作频率可重构的特性。随着这些 RF M当的组装解决方案，将其全部封装到 RF 微系统中是非常重要部因素（例如 RF 性能，制造技术和成本）。最终将 RFMEMS提供更高的 RF 性能和显著增强的功能，从而实现一种更优越MS 的发展现状了欧洲的射频微/纳系统计划的应用研究路径图（ARRRO），A RF 纳米系统技术，，产品和应用的未来需求的现状进行战略评主要分析了 5 类的 RF MEMS 技术：（1）RF MEMS 开关；（波谐振器；（4）微机械谐振器；（5）其他新兴的 RFMEMS 包究的结果将为参与此领域的欧洲专家和利益攸关方提供宝贵下分析欧洲 RF MEMS 和纳米系统研究领域，本研究应有助MS 中的整合。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH-39

【参考文献】