硅基未知频率缝隙耦合式间接式毫米波相位检测器制造技术

本发明专利技术的硅基未知频率缝隙耦合式间接式毫米波相位检测器是由共面波导、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，一共设置有四个缝隙耦合结构，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，在前后缝隙之间设置有一个移相器；Wilkinson功分器和Wilkinson功合器是由共面波导、非对称共面带线和电阻组成；间接式热电式功率传感器主要由共面波导、两个电阻以及热电堆所构成，热电堆是由两种不同的半导体臂级联组成，它能够将终端电阻所散发的热量转换成热电势。这些结构简单高效地实现了未知频率下毫米波的相位测量。

Silicon based unknown frequency gap coupling indirect millimeter wave phase detector

Silicon unknown frequency slot coupled type indirect type millimeter wave phase detector of the invention is composed of a coplanar waveguide, coupling structure, phase shifter, SPDT Switch, Wilkinson power divider, Wilkinson power combiner and indirect type thermoelectric power sensor is composed of high resistivity Si substrate making the whole structure based on the total set four slot coupling structure two slot coupling structure above the frequency measurement signal, two slot coupled structure below the implementation phase of the measuring signal, a phase shifter is arranged in the gap between before and after; Wilkinson power divider and Wilkinson power combiner is composed of coplanar waveguide, asymmetrical coplanar stripline and resistance composition; indirect type thermoelectric power sensor is mainly composed of a coplanar waveguide and a two resistor and a thermopile, thermopile is composed of two cascaded semiconductor different arm It converts the heat emitted by the terminal resistor into a thermoelectric potential. These structures are simple and efficient for phase measurement of millimeter wave at unknown frequencies.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提出了硅基未知频率缝隙耦合式间接式毫米波相位检测器，属于微电子机械系统(MEMS)的

技术介绍
在当今信息技术飞速发展的时代，人们对信号测量和处理的研究也越来越深刻，从以前的低频信号到高频率的微波信号再到更高频率的光信号等，这些信号的测量难度也越来越大。毫米波信号是介于微波信号和光信号之间的一种高频信号，频率和相位是毫米波信号的两个非常重要的参数，毫米波的相位测量技术和频率测量技术在军事、航天航空以及通信领域都有着非常广泛的应用，一般而言，毫米波的相位测量是需要知道其频率的，这样才能确定参考信号的频率大小，但是在未知频率的情况下，就需要先行测量出毫米波的频率，再进行毫米波的相位测量，这样就揭示出了毫米波频率测量和相位测量的集成性问题，现有的未知频率下的毫米波相位检测器不仅结构复杂、成本较高，而且可靠性也不高，检测效率偏低。针对未知频率下毫米波相位检测的难题，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衬底上设计了一种在未知频率下的毫米波在线相位检测器，这种利用缝隙耦合结构的在线相位检测器不仅结构简单新颖，而且能够将频率检测和相位检测集成到一起，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未知频率缝隙耦合式间接式毫米波相位检测器，为了解决毫米波频率检测和相位检测的集成问题，本专利技术采用了共面波导缝隙耦合结构，在功率分配和功率合成方面则采用了较为常见的Wilkinson功分器和Wilkinson功合器结构，在合成信号的测量方面则采用了间接式热电式功率传感器，从而高效简便地实现了对未知频率下的毫米波相位测量。技术方案：本专利技术的硅基未知频率缝隙耦合式间接式毫米波相位检测器是由共面波导、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功合器以及五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，第六端口处连接着后续处理电路。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功合器以及一个间接式功热电式率传感器所构成，毫米波信号首先经过一号缝隙耦合结构耦合出小部分的信号P1，然后经过一段移相器之后再由二号缝隙耦合结构耦合出部分的信号P2，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传输线，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：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。因此只要测出的值，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得到Ps的大小，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。其次，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，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，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，它是关于相位的三角函数关系；其中P3＝P1、P4＝P2，结合这两个关系式，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。有益效果：在本专利技术中，为了实现未知频率下的毫米波在线相位检测，采用了简单新颖的缝隙耦合结构，这种结构能将小部分的毫米波信号耦合出来，并利用这部分耦合信号来实现频率和相位检测的集成，而大部分的信号能够继续在共面波导上传播并进行后续信号处理，其中功分器和功合器采用的Wilkinson功分器和Wilkinson功合器结构，功率检测器则采用了间接式热电式功率传感器，这些结构能非常有效的集成在一起，大大的提高了信号检测的效率。附图说明图1为本专利技术的硅基未知频率缝隙耦合式间接式毫米波相位检测器的俯视图图2为本专利技术的硅基未知频率缝隙耦合式间接式毫米波相位检测器中单刀双掷开关的俯视图图3为本专利技术的硅基未知频率缝隙耦合式间接式毫米波相位检测器中单刀双掷开关AA’方向的剖面图图4为本专利技术的硅基未知频率缝隙耦合式间接式毫米波相位检测器中Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的俯视图图5为本专利技术的硅基未知频率缝隙耦合式间接式毫米波相位检测器中间接式热电式功率传感器的俯视图图6为本专利技术的硅基未知频率缝隙耦合式间接式毫米波相位检测器中间接式热电式功率传感器的剖面图图中包括：频率检测模块1，相位检测模块2，共面波导3，移相器4，缝隙耦合结构5-1，缝隙耦合结构5-2，缝隙耦合结构5-3，缝隙耦合结构5-4，高阻Si衬底6，SiO2层7，电阻8，热电堆9，P型半导体臂10，N型半导体臂11，欧姆接触12，输出电极13，非对称共面带线14，空气桥15，衬底膜结构16，热端17，冷端18，一号单刀双掷开关19，二号单刀双掷开关20，开关梁21，锚区22，Si3N4介质层23，开关下拉电极板24，第一端本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅基未知频率缝隙耦合式间接式毫米波相位检测器，其特征在于，该相位检测器制作在高阻Si衬底(6)上，是由共面波导(3)、一号缝隙耦合结构(5‑1)、二号缝隙耦合结构(5‑2)、三号缝隙耦合结构(5‑3)、四号缝隙耦合结构(5‑4)、移相器(4)、一号单刀双掷开关(19)、二号单刀双掷开关(20)、一个Wilkinson功分器、三个Wilkinson功合器以及五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(5‑1)和二号缝隙耦合结构(5‑2)位于共面波导(3)上侧地线，三号缝隙耦合结构(5‑3)和四号缝隙耦合结构(5‑4)则位于共面波导(3)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(4)隔开，首先来看频率检测模块(1)，一号缝隙耦合结构(5‑1)连接到第二端口(1‑2)，第二端口(1‑2)与一号单刀双掷开关(19)的输入端相连，一号单刀双掷开关(19)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(5‑2)连接到第三端口(1‑3)，第三端口(1‑3)与二号单刀双掷开关(20)的输入端相连，二号单刀双掷开关(20)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(2)，三号缝隙耦合结构(5‑3)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(5‑4)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，第六端口(1‑6)处连接着后续处理电路。...

【技术特征摘要】
1.一种硅基未知频率缝隙耦合式间接式毫米波相位检测器，其特征在于，该相位检测器制作在高阻Si衬底(6)上，是由共面波导(3)、一号缝隙耦合结构(5-1)、二号缝隙耦合结构(5-2)、三号缝隙耦合结构(5-3)、四号缝隙耦合结构(5-4)、移相器(4)、一号单刀双掷开关(19)、二号单刀双掷开关(20)、一个Wilkinson功分器、三个Wilkinson功合器以及五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(5-1)和二号缝隙耦合结构(5-2)位于共面波导(3)上侧地线，三号缝隙耦合结构(5-3)和四号缝隙耦合结构(5-4)则位于共面波导(3)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(4)隔开，首先来看频率检测模块(1)，一号缝隙耦合结构(5-1)连接到第二端口(1-2)，第二端口(1-2)与一号单刀双掷开关(19)的输入端相连，一号单刀双掷开关(19)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(5-2)连接到第三端口(1-3)，第三端口(1-3)与二号单刀双掷开关(20)的输入端相连，二号单刀双掷开关(20)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(2)，三号缝隙耦合结构(5-3)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(5-4)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Wilki...

【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