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MEMS作为一门新兴技术,其优越的性能已经显示出巨大的发展潜力,基于MEMS技术的微波功率测量是上世纪九十年代开始研究的,频率和相位也是微波测量的重要参数,但基于MEMS技术的实现方案尚未有文献报道,本文的目的就是要提出一种基于MEMS的技术方案以实现微波信号相位及频率的测量。微波信号相位检测系统在相控阵雷达、天线、锁相环、相位测量设备等系统中有着广泛的应用,目前实现微波相位检测的方法主要有二极管结构、乘法器结构及矢量运算法,矢量运算法与前面两种方法相比具有低功耗、频带宽、结构简单等优点。但它的测量范围仅有半个周期,即0°～180°。在矢量运算法的基础上,本文首次提出了基于MEMS技术的双通道微波信号相位检测系统的实现方案,它由功分器、3dB功率分配定向耦合器和MEMS电容式微波功率传感器组成,它的相位测量范围达到了-180°～180°。
本文对功分器、3dB功率分配定向耦合器和MEMS电容式微波功率传感器分别进行了设计,比较并分析了功分器与3dB功率分配定向耦合器的差异对微波信号相位检测系统测量精度的影响,提出了MEMS对称式微波信号相位检测系统的实现方案,其中利用功分器和移相器取代了3dB功率分配定向耦合器。由于功分器的尺寸对芯片面积的影响很大,利用电容补偿法和传输线弯曲法减小功分器的面积,并比较了这两种方法；对于MEMS电容式微波功率传感器,本文主要针对阻抗匹配、可测信号的最大幅度等技术指标进行设计,并分析了功率测量精度与信号幅度的关系,给出了提高MEMS电容式微波功率传感器测量精度的一些方法。对固支梁采用一维等效模型进行分析,在忽略边缘电容影响的情况下,建立了MEMS微波信号相位检测系统的解析模型,利用ADS软件对其进行系统级仿真,得到的模拟结果与理论计算结果的误差小于3.5％。
本研究在微波信号相位检测系统的基础上,进一步提出了MEMS微波信号频率检测系统的实现方案,并建立了它的解析模型,利用HFSS软件对其进行结构模拟,在9GHz到11GHz的频率范围内,模拟结果与理论计算结果比较吻合,频率绝对误差低于0.05GHz,其相对误差小于1％。在结构模拟与设计的基础上,利用信息产业部55所的GaAs MMIC工艺对在MEMS微波信号相位和频率检测系统进行了工艺及版图设计,在设计过程中主要是对材料、芯片面积等因素进行了考虑。