面向鎖相環(huán)的MEMS微波相位檢測器的研究.pdf

1、在微波領(lǐng)域中，相位是微波信號的重要參數(shù)之一，相位檢測器件和電路廣泛應(yīng)用于鎖相環(huán)、相控陣雷達以及天線等領(lǐng)域，也是電子對抗系統(tǒng)中重要的組成部分。傳統(tǒng)的基于二極管和吉爾伯特乘法器的微波相位檢測電路存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及動態(tài)范圍較小等缺點，相對而言，基于矢量合成方法的MEMS微波相位檢測結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)范圍大以及功耗低等優(yōu)勢。因此，本文以面向鎖相環(huán)應(yīng)用的MEMS微波相位檢測器為研究目標(biāo)，主要內(nèi)容包括:
　　(1)針對寬頻帶需求的問題:

2、r>　　提出了一種基于GaAs MMIC工藝的X波段寬頻帶功合器，在結(jié)構(gòu)上采用兩節(jié)級聯(lián)的ACPS傳輸線形式，以拓展功合器帶寬;通過奇偶模分析方法，獲得ACPS傳輸線的特征阻抗、隔離電阻等結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)學(xué)表達形式;并通過HFSS仿真實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。測試表明，在X波段，寬頻帶功合器的回波損耗低于-14.9dB，隔離度優(yōu)于-10.7dB，插入損耗在-3.7dB左右。更為重要的是，不同頻率處的傳輸特性差異不大，滿足寬頻帶應(yīng)用的需求。
　　針

3、對兩節(jié)級聯(lián)的ACPS傳輸線結(jié)構(gòu)帶來的尺寸過大問題，提出了一種基于電容補償原理的微型化寬頻帶功合器。結(jié)構(gòu)中，在每節(jié)ACPS傳輸線中引入電容實現(xiàn)微型化，同樣利用奇偶模分析方法和HFSS仿真獲得優(yōu)化結(jié)構(gòu)，微型化寬頻帶功合器的面積僅為微型化之前的40％，大大提高了集成度。測試表明，在X波段，微型化寬頻帶功合器的傳輸特性能夠滿足寬頻帶應(yīng)用需求。
　　(2)針對電容式MEMS微波功率傳感器的模型和三階互調(diào)失真的問題:
　　分析了電容式M

4、EMS微波功率傳感器中的多次反射現(xiàn)象;基于多次反射理論建立了傳感器的微波-力-電轉(zhuǎn)換模型，得到了微波功率與梁位移之間的關(guān)系以及傳感器傳輸特性的表達形式。測試表明，電容式MEMS微波功率傳感器X波段內(nèi)的回波損耗低于-41.9dB，插入損耗在-0.1dB左右;8GHz、10GHz和12GHz下的微波功率檢測靈敏度分別為11.4aF/mW、11.1aF/mW和10.9aF/mW。
　　在此基礎(chǔ)上，對該電容式MEMS微波功率傳感器的三階互

5、調(diào)失真進行了理論和測試方面的研究。實驗表明，當(dāng)兩支信號的頻率間隔大于10kHz時，電容式MEMS微波功率傳感器幾乎不受三階互調(diào)失真的影響。
　　(3)針對熱電式MEMS微波功率傳感器的模型和溫度效應(yīng)的問題
　　采用點熱源近似方法建立了簡潔而有效的一維傳熱方程;根據(jù)球狀等溫面包裹法對熱電式MEMS微波功率傳感器進行了熱阻網(wǎng)絡(luò)劃分，并在此基礎(chǔ)上利用熱學(xué)參量與電學(xué)參量的類比，建立了熱電式MEMS微波功率傳感器的等效電路仿真模型;驗

6、證了電路模型的正確性，為面向鎖相環(huán)的研究奠定了基礎(chǔ)。
　　基于對熱電式MEMS微波功率傳感器溫度效應(yīng)的測試，提出了一種在傳感器輸出端并聯(lián)負溫度系數(shù)補償電阻的溫度補償方案，通過仿真驗證了方案的可行性。
　　(4)針對MEMS相位檢測結(jié)構(gòu)面向鎖相環(huán)應(yīng)用的可能性探索的問題:
　　分別建立了功合器、電容式MEMS微波功率傳感器和熱電式MEMS微波功率傳感器的等效電路仿真模型;在此基礎(chǔ)上，對于基于功合器和電容式MEMS微波功率傳

7、感器的相位檢測結(jié)構(gòu)，以及基于功合器和熱電式MEMS微波功率傳感器的相位檢測結(jié)構(gòu)，分別建立了對應(yīng)的鎖相環(huán)電路仿真模型;通過仿真結(jié)果和具體應(yīng)用問題上的比較，最終選擇了較為適宜于鎖相環(huán)應(yīng)用的基于功合器和熱電式MEMS微波功率傳感器的相位檢測結(jié)構(gòu)。
　　(5)針對MEMS微波相位檢測器性能研究方面的問題:
　　在本文前期研究的基礎(chǔ)上，提出了一種面向鎖相環(huán)的且具備X波段寬帶檢測特性的寬頻帶MEMS微波相位檢測器，其制備過程與GaAs

8、MMIC工藝兼容。測試表明，輸出電壓與相位差之間呈現(xiàn)余弦曲線關(guān)系。200mW輸入功率下，8GHz、9GHz、10GHz、11GHz和12GHz下的相位檢測靈敏度分別為62.8μV/degree、56.2μV/degree、52.4μV/degree、55.0μV/degree和50.9μV/degree，可以看出，不同頻率下的相位檢測靈敏度差異不大，滿足寬頻帶應(yīng)用的需求。
　　同時，提出一種微型化寬頻帶MEMS相位檢測器，面積僅為

9、微型化前的40％。測試表明，200mW下，8GHz、9GHz、10GHz、11GHz和12GHz下的檢測靈敏度分別為116.9μV/degree、116.4μV/degree、109.3μV/degree、118.8μV/degree和101.2μV/degree?？梢钥闯觯⑿突瘜掝l帶MEMS相位檢測器在面積和靈敏度方面更具優(yōu)勢。
　　進一步地，為充分研究性能良好的微型化寬頻帶MEMS微波相位檢測器的應(yīng)用可行性，本文還進行了大功