硅基缝隙耦合式的间接式毫米波信号检测仪器制造技术

本发明专利技术的硅基缝隙耦合式的间接式毫米波信号检测仪器是由传感器、模数转换、MCS51单片机和液晶显示四大模块组成，传感器由共面波导、缝隙耦合结构、移相器、单刀双掷开关、Wilkinson功分器、Wilkinson功合器以及间接式热电式功率传感器所构成，整个结构基于高阻Si衬底制作，上方的两个缝隙耦合结构实现信号的频率测量，下方的两个缝隙耦合结构实现信号的相位测量；Wilkinson功分器和Wilkinson功合器主要是由共面波导、非对称共面带线和电阻组成；间接式热电式功率传感器由共面波导、两个电阻以及热电堆所构成。模数转换部分由STM32和AD620外围电路构成，MCS51单片机用于公式计算，液晶显示部分由一块液晶显示屏构成，这些结构集成在一起，大大提高了信号检测器的效率。

Indirect millimeter wave signal detecting instrument based on silicon gap coupling type

Indirect type silicon coupling type of the millimeter wave signal detection instrument is composed of sensor, ADC, MCS51 MCU and LCD display four modules, sensor by coplanar waveguide, coupling structure, phase shifter, SPDT Switch, Wilkinson power divider, Wilkinson power combiner and indirect type thermoelectric a power sensor, the high resistivity Si substrate making the whole structure based on two slot coupling structure above the frequency measurement signal, the two gap coupled structure under the implementation of phase measurement signal; Wilkinson power divider and Wilkinson power combiner is mainly composed of a coplanar waveguide, asymmetrical coplanar stripline and resistor; indirect type thermoelectric power sensor by coplanar waveguide, two resistors and a thermopile. ADC is composed of STM32 and AD620 peripheral circuit, MCS51 microcontroller for formula, liquid crystal display part is composed of a liquid crystal display, these structures are integrated together, greatly improving the efficiency of the signal detector.

【技术实现步骤摘要】
硅基缝隙耦合式的间接式毫米波信号检测仪器
本专利技术提出了硅基缝隙耦合式的间接式毫米波信号检测仪器，属于微电子机械系统(MEMS)的

技术介绍
在如今飞速发展的信息时代，人们对各频率段信号的检测也越来越受到重视，尤其是对于频率较高的毫米波来说，如何高效和简便地检测毫米波信号的各个参数对人们来说也是需要攻克的一项难题。毫米波信号拥有三个重要的参数，分别为频率、相位和功率，这三个参数的测量技术在军事、航天航空和微波通信等领域有着非常广泛的应用，因此在信息技术日益发展的今天，对毫米波频率、相位和功率的高精度检测是关系国家经济发展和科技创新的重要内容。但是现有的频率检测器、相位检测器和功率检测器不仅结构复杂、成本较高，而且大多不能集成在一起进行统一测量，从而降低了对信号参数检测的效率，因此传统的信号检测仪器已经无法实现对毫米波信号的高效监测了。针对以上毫米波信号检测的难题，随着对共面波导缝隙耦合结构、Wilkinson功分器、Wilkinson功合器以及间接式热电式功率传感器的深入研究，本专利技术在高阻Si衬底上设计了一种将毫米波频率、相位和功率检测集成在一起的信号检测仪器，并通过模数转换和液晶显示环节对测得的微波参量进行显示输出，得到一个完整的微波信号检测仪器，这种利用缝隙耦合结构的信号检测器结构简单新颖，而且制作成本较低，具有较高的潜在应用价值。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是提供一种硅基缝隙耦合式的间接式毫米波信号检测仪器，在毫米波范围内，信号的频率检测、相位检测和功率检测的传统结构较为复杂，若只是简单地拼凑集成在一起难度较大，而且效率也较为低下，而本专利技术就利用共面波导缝隙耦合结构简便地将毫米波信号的频率、相位和功率检测集成在了一起，并通过模数转换将待测的参量直接显示在液晶屏幕上，形成一个全面的微波信号检测仪器。技术方案：本专利技术的硅基缝隙耦合式的间接式毫米波信号检测仪器是由传感器、模数转换、MCS51单片机和液晶显示四个大模块组成，这四个大模块又由一些基础的小模块和电路构成。其中传感器部分是由频率检测模块、相位检测模块和功率检测模块这三个小模块构成，它们是由共面波导、一号缝隙耦合结构、二号缝隙耦合结构、三号缝隙耦合结构、四号缝隙耦合结构、移相器、一号单刀双掷开关、二号单刀双掷开关、一个Wilkinson功分器、三个Wilkinson功合器以及六个间接式热电式功率传感器所构成，具体结构的连接关系如下：第一端口是信号输入端，一号缝隙耦合结构和二号缝隙耦合结构位于共面波导上侧地线，三号缝隙耦合结构和四号缝隙耦合结构则位于共面波导下侧地线，这两对缝隙关于中心信号线对称，它们之间由一个移相器隔开，首先来看频率检测模块，一号缝隙耦合结构连接到第二端口，第二端口与一号单刀双掷开关的输入端相连，一号单刀双掷开关的输出端分别连接到一号Wilkinson功合器和一号间接式热电式功率传感器，同样的，二号缝隙耦合结构连接到第三端口，第三端口与二号单刀双掷开关的输入端相连，二号单刀双掷开关的输出端分别连接到一号Wilkinson功合器和二号间接式热电式功率传感器，而一号Wilkinson功合器的输出端连接到三号间接式热电式功率传感器；再看相位检测模块，三号缝隙耦合结构与第四端口相连，第四端口连接到二号Wilkinson功合器，四号缝隙耦合结构与第五端口相连，第五端口连接到三号Wilkinson功合器，参考信号通过四号Wilkinson功分器的输入端输入，四号Wilkinson功分器的输出端分别连接到二号Wilkinson功合器和三号Wilkinson功合器，然后，二号Wilkinson功合器的输出端连接四号间接式热电式功率传感器，三号Wilkinson功合器的输出端连接五号间接式热电式功率传感器，最后是功率检测模块，在第六端口处连接着六号间接式热电式功率传感器首先，对于毫米波的频率检测模块，它主要是由两个缝隙耦合结构、一段移相器、两个单刀双掷开关、一个Wilkinson功合器以及三个间接式热电式功率传感器所构成，毫米波信号P首先经过第一个缝隙耦合结构耦合出小部分的信号P1(对应电压为V1)，然后经过一段移相器之后再由另一个缝隙耦合结构耦合出另一部分的信号P2(对应电压为V2)，这样两个耦合信号之间就产生了一定的相位差实际上这段移相器就是一段共面波导，它的长度设置为以中心频率f0为35GHz处波长的1/4，此时相位差就是90°，但是当频率f变化时，相位差是频率f的函数，可以表示为：其中f为毫米波信号的频率，c为光速，εer为传输线的相对介电常数，ΔL为移相器的长度。从公式中可以看出只要测得的值，就能得到频率f的大小，于是将两个耦合信号P1、P2经过Wilkinson功合器进行合成，再用间接式热电式功率传感器去检测合成信号功率Ps的大小，合成信号的功率Ps(对应电压为Vs)是关于相位差的三角函数关系:由于耦合信号P1、P2的大小未知，因此这里采用了两个单刀双掷开关将两个耦合出来的小信号率先进行功率检测，得到其功率大小，然后再通过Wilkinson功合器进行功率合成，于是由公式(2)就能计算出频率f的大小。注意这里的相位差只是两个耦合小信号之间的相位差，并不是原毫米波信号的相位Φ，还需要通过相位检测模块来精确确定原毫米波信号的相位Φ。对于毫米波的相位检测模块，同样地也是由两个缝隙耦合结构耦合出部分小信号P3和P4，由于缝隙尺寸相同，所以它们的功率大小等于之前测得的耦合小信号P1和P2，并且它们的初始相位都为Φ，只是其中第二个缝隙耦合信号多传播了相位参考信号Pc(对应电压为Vc)经过Wilkinson功分器分解成左右两路一模一样的信号，左边一路信号与第一个缝隙耦合信号进行功率合成，得到合成功率PL(对应电压为VL)，它是关于相位Φ的三角函数关系；而右边一路信号与第二个缝隙耦合信号进行功率合成，得到合成功率PR(对应电压为VR)，它是关于相位的三角函数关系；其中P3＝P1、P4＝P2，结合以上两个关系式，不仅可以得到相位Φ的大小，还可以得到相位的超前或滞后关系，实现了-180°～+180°的相位检测。毫米波的功率检测模块是用间接式的热电式功率检测器来检测原毫米波信号的功率大小P的，它主要是由共面波导、终端电阻和热电堆所构成，而热电堆主要是由两种不同的半导体臂级联所组成，这样终端电阻吸收能量后发出的热量就会被热电堆的热端吸收，根据seebeck效应就能得到热电势，需要注意的是，在终端电阻和热电堆下方会将衬底减薄，这样热能就不会从衬底耗散掉，从而提高了热电转换效率。原毫米波信号的功率大小P可以由下式表达：由于间接式热电式功率检测器输出的是模拟电压，并不是功率大小，因此公式(1)、(2)、(3)中出现的功率P1、P2、P3、P4、PL、PR、PC、PS都需要经过公式(4)将电压V1、V2、V3、V4、VL、VR、VC、VS进行计算才能得到。由于缝隙耦合信号实际上比原信号小得多，因此绝大部分的信号还是能继续传播并被间接式热电式功率传感器接收，信号的利用率大大提高了。第二个大模块是模数转换部分，它的主要作用是将传感器三个小模块中输出的功率直接转换成数字信号，这个部分主要是由STM32微处理器及由AD620芯片组成的外围电路所构成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅基缝隙耦合式的间接式毫米波信号检测仪器，其特征在于，该信号检测仪器的传感器部分制作在高阻Si衬底(14)上，是由共面波导(1)、一号缝隙耦合结构(2‑1)、二号缝隙耦合结构(2‑2)、三号缝隙耦合结构(2‑3)、四号缝隙耦合结构(2‑4)、移相器(3)、一号单刀双掷开关(20)、二号单刀双掷开关(21)、一个Wilkinson功分器、三个Wilkinson功合器以及六个间接式热电式功率传感器所构成，具体结构的连接关系如下：第一端口(1‑1)是信号输入端，一号缝隙耦合结构(2‑1)和二号缝隙耦合结构(2‑2)位于共面波导(1)上侧地线，三号缝隙耦合结构(2‑3)和四号缝隙耦合结构(2‑4)则位于共面波导(1)下侧地线，这两对缝隙关于中心信号线对称，它们之间由一个移相器(3)隔开，首先来看频率检测模块(4)，一号缝隙耦合结构(2‑1)连接到第二端口(1‑2)，第二端口(1‑2)与一号单刀双掷开关(20)的输入端相连，一号单刀双掷开关(20)的输出端分别连接到一号Wilkinson功合器和一号间接式热电式功率传感器，同样的，二号缝隙耦合结构(2‑2)连接到第三端口(1‑3)，第三端口(1‑3)与二号单刀双掷开关(21)的输入端相连，二号单刀双掷开关(21)的输出端分别连接到一号Wilkinson功合器和二号间接式热电式功率传感器，而一号Wilkinson功合器的输出端连接到三号间接式热电式功率传感器；再看相位检测模块(5)，三号缝隙耦合结构(2‑3)与第四端口(1‑4)相连，第四端口(1‑4)连接到二号Wilkinson功合器，四号缝隙耦合结构(2‑4)与第五端口(1‑5)相连，第五端口(1‑5)连接到三号Wilkinson功合器，参考信号通过四号Wilkinson功分器的输入端输入，四号Wilkinson功分器的输出端分别连接到二号Wilkinson功合器和三号Wilkinson功合器，然后，二号Wilkinson功合器的输出端连接四号间接式热电式功率传感器，三号Wilkinson功合器的输出端连接五号间接式热电式功率传感器，最后是功率检测模块(6)，在第六端口(1‑6)处连接着六号间接式热电式功率传感器；在每个间接式热电式功率传感器之后都连接着模数转换模块，然后将这些模数转换得到的数字信号都接入MCS51单片机进行公式计算，最后通过液晶显示屏显示输出频率、相位和功率的数值大小。...

【技术特征摘要】
1.一种硅基缝隙耦合式的间接式毫米波信号检测仪器，其特征在于，该信号检测仪器的传感器部分制作在高阻Si衬底(14)上，是由共面波导(1)、一号缝隙耦合结构(2-1)、二号缝隙耦合结构(2-2)、三号缝隙耦合结构(2-3)、四号缝隙耦合结构(2-4)、移相器(3)、一号单刀双掷开关(20)、二号单刀双掷开关(21)、一个Wilkinson功分器、三个Wilkinson功合器以及六个间接式热电式功率传感器所构成，具体结构的连接关系如下：第一端口(1-1)是信号输入端，一号缝隙耦合结构(2-1)和二号缝隙耦合结构(2-2)位于共面波导(1)上侧地线，三号缝隙耦合结构(2-3)和四号缝隙耦合结构(2-4)则位于共面波导(1)下侧地线，这两对缝隙关于中心信号线对称，它们之间由一个移相器(3)隔开，首先来看频率检测模块(4)，一号缝隙耦合结构(2-1)连接到第二端口(1-2)，第二端口(1-2)与一号单刀双掷开关(20)的输入端相连，一号单刀双掷开关(20)的输出端分别连接到一号Wilkinson功合器和一号间接式热电式功率传感器，同样的，二号缝隙耦合结构(2-2)连接到第三端口(1-3)，第三端口(1-3)与二号单刀双掷开关(21)的输入端相连，二号单刀双掷开关(21)的输出端分别连接到一号Wilkinson功合器和二号间接式热电式功率传感器，而一号Wilkinson功合器的输出端连接到三号间接式热电式功率传感器；再看相位检测模块(5)，三号缝隙耦合结构(2-3)与第四端口(1-4)相连，第四端口(1-4)连接到二号Wilkinson功合器，四号缝隙耦...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖小平，褚晨蕾，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32