（微电子学与固体电子学专业论文）mems微波功率传感器的系统级模型.pdf

摘要 摘要 本文对终端式m e m s 微波功率传感器的微波特性和传热特性进行了具体的分析和研究。在理想情况 下，微波功率传感器输入的功率被终端电阻全部吸收转化为热能，使得热电堆两端产生温度差，根据塞贝 克效应产生热电势输出，通过测量热电势间接地测量出输入功率。然而由于c p w 导体和介质衬底的非理 想性，肯定存在损耗( 包括导体损耗和介质损耗) ；c p w 终端电阻与c p w 的特性阻抗匹配不理想而造成 反射。这就使得输入的微波功率没有被终端电阻完全吸收。分析终端式m e m s 微波功率传感器的传热行 为，可以发现终端电阻所产生的热并没有完全用于产生热电堆两端的温度差，在热传递过程中存在热损失。 为了减小测量误差，针对上述的微波损耗和热损失，文章建立了微波损耗模型和传热模型，并给出了模拟 结果，为传感器的设计改进提供了依据。 文章在绪论中介绍了微电子机械系统的发展历史和现状，并对目前已有的微波功率测量方法进行了总 结和分类，指出了目前微波损耗模型和传热模型存在的问题并给出了解决的方法。然后简单介绍了微波传 输特性和热传递等基本原理，为后面的微波损耗模型以及传热模型的建立奠定了理论基础。 在建立微波损耗模型时，文章将终端式m e m s 微波功率传感器的c p w 部分当作二端口网络，推导出 了微波功率传感器的功率传输效率。由于传输效率含有衰减常数这个未知量，所以最后归结到对衰减常数 的计算。根据文章中具体的微波功率传感器的结构以及各种衰减常数计算方法的适用范围，选择了一种比 较合适的计算方法。文章先将特性阻抗固定为5 0q ，求出对应的c p w 的横向尺寸，再利用这些尺寸计算 出衰减常数，从而得到了衰减常数随横向尺寸变化的趋势。比较h f s s 模拟和理论计算的结果，验证了理 论计算的可靠性，进而可以得出以下结论：改变横向尺寸，可以减小衰减常数，提高功率传输效率，长度 为5 0 0pm 的传输线的功率传输效率可提高约2 。此外文章还分析了横向尺寸一定时，衰减常数随特性 阻抗变化的趋势，与衰减常数最小值对应的特性阻抗大约为5 0q 。 建立微波功率传感器的传热模型的主要目的是得出传感器的温度分布以及热时间常数即响应速度。本 文利用热传递与导电之间的相似概念，建立了与传热过程等效的电路模型。文中采用了与分布式类似的原 理把微波功率传感器的二维版图细分为一个个小的单元，每个单元都用电阻和电容分别等效热阻和热容， 模拟其传热过程。终端负载部分的等效电路除了热阻和热容外，还加入电流源用来模拟输入功率。建立了 等效电路后，利用s p i c e 模拟器对电路进行模拟，可以得到各个节点的电压。利用电压与温度的等效关系， 就可以得到传感器的温度分布，从而计算出灵敏度，大约为0 3 2 m v m w 。此外由于加入了热容，通过模 拟电路的响应时间可以得出传感器的热时间常数，结果为l o o m s 。该模型对估算传感器的灵敏度以及响应 时间有一定的帮助，并且为传感器的尺寸优化提供了一定的依据。文章还对已流片的传感器进行了测试， 在0 到2 0 g h z 的整个测试频率范围内，回波损耗小于2 6 d b ，其灵敏度在1 0 g h z 时是0 3 7 m v m w ，2 0g h z 时是0 2 7 m v m w ，其响应时间为1 8 0m s 。 此外，本文还根据微波损耗模型和电热等效模型建立了传感器的系统级模型，并根据此模型对传感器 的尺寸进行了优化，设计了尺寸改进后的版图，以使其性能指标达到设计要求。 最后，本文对终端式m e m s 微波功率传感器的微波损耗模型和传热模型进行了总结，指出了模型的 不足之处以及改进的方法和建议。 关键词：m e m s ，微波功率传感器，c p w ，衰减常数，电热模型 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h em i c r o w a v ep r o p e r t i e sa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fat e r m i n a t i n gt y p em e m s ( m i c r o - e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) m i c r o w a v ep o w e rs e n s o ra r ea n a l y z e da n dr e s e a r c h e d u n d e ri d e a lc o n d i t i o n s ， t h em i c r o w a v ep o w e ra p p l i e di n t ot h ep o w e rs e n s o ri sa l la b s o r b e db yt h et e r m i n a l sa n dc o n v e n e di n t ot h et h e r m a l e n e r g y ，a n dt h e r ei sat e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea r i s i n gb e t w e e nt h eh o ta n dc o l dj u n c t i o n so f t h et h e r m o p i l e ，a n da d cv o l t a g ei sg e n e r a t e db a s e do nt h es e e b e c ke f f e c t t h ei n p u tp o w e ri sm e a s u r e db yt h ei n d i r e c tm e a s u r e m e n to f t h ed cv o l t a g e b u ti nf a c t , b e c a u s eo ft h en o n - i d e a lc p wc o n d u c t o ra n dd i e l e c t r i cs u b s t r a t e t h e r em u s tb el o s s e s i n c l u d i n gc o n d u c t o rl o s sa n dd i e l e c t r i cl o s s m e a n w h i l e t h et e r m i n a lr e s i s t o rd o e s n tm a t c ht h ec h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c eo fc p ww e l l ，a n dc a u s e sr e f l e c t i o n i tm e a n st h ei n p u tm i c r o w a v ep o w e rh a sn o tb e e nf u l l ya b s o r b e d b yt h et e r m i n a lr e s i s t o r f r o mt h ea n a l y s i so f t h eh e a tt r a n s f e rb e h a v i o ro f t h et e r m i n a t i n gt y p em e m sm i c r o w a v e p o w e rs e n s o r , i tc o u l db ef o u n dt h a tt h eh e a tg e n e r a t e db yt h et e r m i n a lr e s i s t o ri sn o tf u l l yu s e dt op r o d u c et h e t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ee n d so ft h et h e r m o p i l e t h e r ei sh e a tl o s si nt h ep r o c e s s i no r d e rt or e d u c et h e m e a s u r e m e n te r r o r , t h em i c r o w a v el o s sm o d e la n dh e a tt r a n s f e rm o d e la r ee s t a b l i s h e d a n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa r e g i v e n , p r o v i d i n gab a s i st oi m p r o v et h ed e s i g no f t h e s e n s o r f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n to fm e m sh i s t o r ya n dc u r r e n ts i t u a t i o na r ei n t r o d u c e d a n dt h ee x i s t i n gm i c r o w a v e p o w e rm e a s u r e m e n ti s c l a s s i f i e da n ds u m m a r i z e d p o i n t i n go u tt h ep r o b l e m so ft h ec u r r e n tm o d e lo ft h e m i c r o w a v el o s sa n dh e a tt r a n s f e ra n dp r o v i d i n gs o l u t i o n st ot h e s ep r o b l e m s i no r d e rt op r e p a r et h ea n a l y t i c a l t h e o r yf o rm i c r o w a v el o s sm o d e la sw e l la st h eh e a tt r a n s f e rm o d e l ，t h i sp a p e rd e s c r i b e st h eb a s i cp r i n c i p l eo f t h e m i c r o w a v et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c ss i m p l y i nt h ep r o c e s so ft h ee s t a b l i s h m e n to ft h em o d e lo ft h em i c r o w a v el o s s t h ep a p e rr e g a r d st h ec p wo ft h e t e r m i n a t i n gt y p em i c r o w a v ep o w e rs e n s o ra sa2 - p o r tn e t w o r k , a n dd e r i v e st h es e n s o r s m i c r o w a v ep o w e r t r a n s m i s s i o ne 所c i e n c y b e c a u s et h ee x p r e s s i o no f t h ee m c i e n c yc o n t a i n st h eu n k n o w nq u a n t i t yo f t h ea t t e n u a t i o n c o n s t a n t , t h ef i n a lw o r ki st oc a l c u l a t ei t a c c o r d i n gt os o m el i t e r a t u r e s ，t h ep a p e rc o n c l u d e sf o u rc u r r e n tr e l a t i v e l y s o p h i s t i c a t e da n da c c u r a t em e t h o d so f t h ec a l c u l a t i o no f t h ea t t e n u a t i o n c o n s t a n t ar e l a t i v ea p p r o p r i a t em e t h o do f c a l c u l a t i o no ft h ea t t e n u a t i o nc o n s t a n ti ss e l e c t e db a s e do nt h es t r u c t u r eo ft h em i c r o w a v ep o w e rs e n s o ra n dt h e a p p l i c a t i o ns c o p eo ft h em e t h o d s t h eh o r i z o n t a lc p ws i z e sa r ec a l c u l a t e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c e b e i n gf i x e d5 0q a n dt h e nt h e s es i z e sa r eu s e dt oc a l c u l a t et h ea t t e n u a t i o nc o n s t a n t a sar e s u l t , t h et r e n do f t h ec h a n g eo ft h ea t t e n u a t i o nc o n s t a n tw i t ht h eh o r i z o n t a ls i z ei so b t a i n e d b yc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o na n d n u m e r i c a lr e s u l t s t h er e l i a b i l i t yo ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nc o u l db ev e r i f i e d t h ec o n c l u s i o nc a nb ed r a w na s f o l l o w sc h a n g i n gt h eh o r i z o n t a ls i z ec a nr e d u c et h ea t t e n u a t i o nc o n s t a n ta n di m p r o v et h ep o w e rt r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c y a sar e s u l t , 2 i si m p r o v e di nt h ep o w e rt r a n s m i s s i o ne 伍c i e n c yf o r5 0 0 口mt r a n s m i s s i o nl i n e i n a d d i t i o n , w h e nt h eh o r i z o n t a ls i z e i sac o n s t a n t , t h et r e n do fc h a n g eo ft h ea t t e n u a t i o nc o n s t a n tw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c ei sa n a l y z e d 1 1 1 ec h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c ec o r r e s p o n d i n gt ot h em i n i m u ma t t e n u a t i o n c o n s t a n t i s5 0 q t h em a i np u r p o s eo ft h et h e r m a la n a l y s i so ft h em i c r o w a v ep o w e rs e n s o ri st og e ti t se n t i r et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n , 勰w e l la st h et h e r m a lt i m ec o n s t a n tt h a ti sr e s p o n s es p e e d 1 r i l ee q u i v a l e n tc o n c e p t sb e t w e e nt h eh e a t t r a n s f e ra n dc o n d u c t i v i t ya r eu s e dt os e tu pa ne l e c t r o t h e r m a le q u i v a l e n tc i r c u i tt os i m u l a t et h ep r o c e s so fi t sh e a t t r a n s f e r 1 1 1 e2 dl a y o u to ft h em i c r o w a v ep o w e rs e n s o ri sf u r t h e rs u b d i v i d e di n t os m a l l e re l e m e n t s e a c he l e m e n t i st h e nr e p r e s e n t e db ya ne q u i v a l e n tc i r c u i ti n c l u d i n gr e s i s t a n c e sa n dc a p a c i t a n c e ，e q u a lt ot h e r m a lr e s i s t a n c e sa n d t h e r m a lc a p a c i t a n c ef o rm o d e l i n gt h eh e a tt r a n s f e r t h ec u r r e n ts o u r c eu s e dt os i m u l a t et h ei n p u tp o w e ri so n l y a p p l i c a b l ef o rt h er e s i s t i v el o a dw h i c hd i s s i p a t e sp o w e ra n dg e n e r a t e sh e a t a f t e rf i n i s h i n gt h ee q u i v a l e n tc i r c u i t ， i ti ss o l v e du s i n gs p i c e t h e nt h ev o l t a g eo fe a c hn o d ec a nb ed r a w n t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dt h e s e n s i t i v i t yo ft h es e n s o rw i l lb ed e r i v e dw i t ht h ee q u i v a l e n tr e l a t i o n s h i pb e t w e e nv o l t a g ea n dt e m p e r a t u r e ，t h e a b s t r a c t s e n s i t i v i t yi sa b o u t0 3 2 m v h l w b e c a u s et h eh e a tc a p a c i t a n c ei sa d d e di n t ot h em o d e l 。t h et h e r m a lt i m ec o n s t a n t c o u l db eg o tt h r o u g hm o d e l i n gt h er e s p o n s et i m eo ft h ee l e c t r o t h e r m a lc i r c u i t , t h er e s u l ti s10 0 m s t h em o d e l p r o v i d e ss o m eh e l pf o re s t i m a t i n gt h es e n s i t i v i t yo ft h es e n s o ra sw e l l 鹪t h et h e r m a lt i m ec o n s t a n ta n dac e r t a i n b a s i st oo p t i m i z et h es i z eo ft h es e n s o r t h es e n s o rm e a s u r e dt h em i c r o w a v ep o w e ru pt o2 0 g h z t h ei n p u tr e t u r n l o s si sl e s st h a n 2 6 d bo v e rt h ee n t i r ee x p e r i m e n tf r e q u e n c yr a n g e t 1 l es e n s i t i v i t yo f t h es e n s o ri s0 3 7 m v m wa t 10 g h za n d0 2 7 m v m wa t2 0 g h z i na d d i t i o n , t h ep a p e rs e t su pas y s t e m - l e v e lm o d e lo ft h es e n s o ra c c o r d i n gt ot h em i c r o w a v el o s sm o d e la n d e l e c t r o t h e r m a le q u i v a l e n tm o d e l a n di na c c o r d a n c ew i t ht h i s s y s t e m 1 e v e lm o d e lt h es i z eo ft h es e n s o ri s o p t i m i z e dt om e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s i nt h el a s tc h a p t e r , as u m m a r i z a t i o ni sg i v e nf o rt h ew h o l ep a p e ri n c l u d i n gs e v e r a li n n o v a t i o n si nt h i sp a p e r a n ds o m ei n s u f f i c i e n c yo f t h ew o r kt ob ed o n ei nt h ef u t u r e k e yw o r d s ： m e m s m i c r o w a v ep o w e rs e n s o r , c p w , a t t e n u a t i o nc o n s t a n t , e l e c t r o t h e r m lm o d e l i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 似 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：壮师签名： 日期 p 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了微电子机械系统的含义以及应用，在此基础上进一步分析了射频微电子机械系统和微 波功率传感器的研究现状并进行了总结。 1 1 微电子机械系统的基本定义 微电子机械系统( m i c r o - e l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m ，m e m s ) 是微电子系统与其它微型信息系统( 各种能 进行信息与能量传输和转换的系统) 相结合的产物，是新兴的、多学科交叉的高科技领域，它涉及了微电子 学、机械学、材料学、力学、声学、光学、热学、生物医学和电子信息等多种学科，并集成了当今科学技 术许多尖端研究成果，在信息、通讯、航空、航天、生物、医疗、环保和工业控制等领域都有广泛的应用 前景。 在国际上，m e m s 尚未有统一的概念和定义。经过多年的研究，一般而言，m e m s 具有以下几个非约 束性的特型u ： 1 尺寸在微米到毫米范围之内，区别一般的宏( m a c r o ) ，即传统的、大于l c m 尺度的“机械”， 但 并非进入物理上的微观层次； 2 基于( 但不限于) 硅微加工技术( m i c r o m a c h i n i n g ) 制造； 3 与微电子芯片类同，可大批量、低成本生产，性价比比传统机械制造技术有大幅度提高； 4 m e m s 中的“机械”不限于狭义的机械力学中的机械，它代表一切具有能量转化和传输等功能的 效应，包括力、热、声、光、电、磁乃至化学和生物能等； 5 m e m s 的目标是微“机械”与i c 相集成的微系统，即智能微系统。 l 垄卜 匦 一微 执 臣丑一 传 行 匡丑一 感 陬耻 嚣 器 与其它微系统的通讯接口 眄耻 ( 光电磁) 感测量 控制量 图1 - 1m e m s 系统与外部世界相互作用示意图 根据以上特征衡量，用微电子技术( 但不限于此) 制造的微小机构、器件、部件和系统都属于m e m s 范 畴，微机械和微系统只是m e m s 发展的不同层次。这就是微电子机械系统较为准确的一般定义。 完整的m e m s 是由微传感器、微执行器、信号处理控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化 微型器件系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大 尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。图1 1 给出了典型的m e m s 系统与 外部世界相互作用的示意图j 。 1 2 射频微电子机械系统 射频微电子机械系统( r fm e m s ) 是微电子机械系统技术的重要应用领域之一。早在2 0 世纪8 0 年底初 东南大学硕士学位论文 期，美国的p e t e r s o n 博士就已经研究了低频应用的m e m s 开关，避种开关本质上是通过机械移动来实现传 输线短路或开路的小型器件。随着m e m s 技术的进步，在2 0 世纪9 0 年底初期，美国【舶o n 博士研制出 微波控制的m e m s 开关和变容器。m o t o r o l a 、r 0 c k w e l l 、r 蛐n 、a d i 、t i 、h r l 、o i n l o n 、s a r a s u n g 、 n e c 、n o r t l m t p o n i r 砌卸和s t - m i c r o e l e c t r o n i c s 等国际知名公司都开展了相关的研发工作。 r f m e l d s 的研究会在四个不同领域得到应用( 圈1 - 2 ) ： 1r fm e m s 开关、变容器和电感器：已表明它们可工作在直流1 2 0 g h z 范围目前也是相对成熟 的技术。除微加工电感外，r f m e m s 开关和变容器工作时可移动敷个微米。 2 徽加工传输线、高q 谐振嚣、滤波器和天线：它们适合于1 2 2 0 0 0 h z 范围。它们通常集成在薄 绝缘介质上或使用体硅微机械加工技术制造，但它们是静止的，并不移动1 3 1 。 3 f b a r ( 薄膜体声谐振器) 和滤波器：它们利用薄膜的声波振动原理，直到3 g h z 部表现出优异 的性能和高o 值( 2 0 0 0 ) 。最近，f b a r 技术制出无线应用的小型低损耗滤波器。 4 r f 微机械谐振嚣和游波嚣：它们利用极小桨的机械振动在0 0 1 2 0 0 m l - l z 并在真空中完成高o 谐振。这种情况下，机械移动在几十个a 的量级。利用这种技术已制备出直到2 0 0 m h z 范围的高 q 谐振器( 8 0 0 0 ) ，但二极滤波器仅能工作在1 0 m h z 范围。因此，对小型化ol 3 g h z 滤波器 的商业应用仍需要许多研究工作，而且它可能是参考时钟电路的优良解决方案。 p u i i - d o w d ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) 图1 - 2 ( a ) a g i l e n t 蝴f b a r ：( b ) m i c h i g a n 大学的微加工膜上的掂波器【；( c ) r a d a n t 的m e m s 开 关q ( 由基于微机械谐振器的二极7 m h z 滤波器” 虽然国内外已经在r fm e m s 技术方面取得了长足发展，但在功率处理问题、可靠性和封装方面仍存 在一些问题。 第一章绪论 1 3 微波功率传感器 在微波的一系列广泛应用中，测量其信号的幅度是一项重要功能。在这些应用中，有些是为雷达和通 信系统调整和验证信号的大小，有些还被用来确保工业应用和家用微波加热过程的安全。虽然同样的功率 测量技术也可应用于低频频段，但一般考虑的信号的频率处于射频频段并且超过1 g h z 。一般商用的同轴 微波功率仪器的测量范围为1 0 m h z 到2 6 5 g h z ，有时也有9 k h z 到5 0 g h z 的1 7 j 。本文下面将介绍用于微 波功率测量的技术。 一般来说，功率传感器包括两个主要部分：被施加功率的终端( 一般为波导终端) ，能够测量终端上 功率的器件。看起来似乎是第二部分进行着测量工作，但是终端的设计和实现也相当重要。终端决定了输 入到传感器的功率有多少耦合到了测量元件，有多少被反射或损失了从而没有被测量。终端的设计和质量 对功率测量的误差具有相当大的影响。 所有的微波功率传感器的输入波导都有一电阻性终端相连，并且使之尽可能地匹配传输线( 比如5 0 欧姆的同轴线) ，以便能更多地耦合功率使之进入终端电阻。在早期的传感器的设计当中，电阻被直接引 入波导或同轴波导结构当中去。随着半导体以及能够在平面结构中实现微波终端、二极管以及热电偶的薄 膜加工方法的发展，入射波可以根据应用的要求具有任何的输入形式，这就使得共面波导与平面器件的匹 配更容易实现。计算机模拟软件使得输入和匹配结构的设计变得相对简单，并且对传感器和输入线之间的 失配影响不大。这类传感器的差别在于电阻怎样实现以及电阻上耗散的功率怎样测量。 目前使用的传感器要么是通过整流终端电阻两端的微波电压来获得一个测量结果，要么是通过测量终 端电阻上耗散的热功率来得出输入功率。 1 二极管传感器 图1 3 二极管传感器原理图i ，j 二极管传感器作为功率传感器被广泛使用。尽管二极管传感器具有精确性、稳定性等一系列优点，但 主要是以下两个特点使得其被选择应用于许多领域。 第一，因为是直接将微波电压转化为直流电压，二极管的响应时间常数比其他任何类型的功率传感器 都要短。因为雷达脉冲式发射机以及通信标准如g s m 和e d g e 的广泛应用，使得这一特性非常重要。只 有二极管能在一个短脉冲内快速响应，才能给出一个峰值功率的读数。尽管这样，这一优点也是一个缺点。 因为二极管是一个有效的峰值检测器，当要测量均方根功率时，使用者必须知道检测信号的波峰系数。 二极管传感器的另一个优点是它比热传感器有更宽的动态范围。市场上可买到的二极管传感器可提供 9 0 d b 的范围。在优化了的单通道模式连续波测量中，动态范围是7 0 d b m 到2 0 d b m 。在多通道模式中，功 率被分流到两个或者更多的不同的整流器当中以获得速度和线性度，以便快速地检测平均功率。 2 热敏电阻传感器 热敏电阻传感器的功率终端是一热敏电阻。隔直和微波旁路电容使得微波信号能够通过波导和热敏电 阻，而直流信号仅仅通过热敏电阻。在普通的同轴装置中，对微波信号来说，两个热敏电阻是并联形式， 3 东南大学硕士学位论文 但对直流信号来说是串联。直流电压被加到热敏电阻上，让其自加热到使它们的并联电阻的阻值成为波导 的合适终端阻值的温度。在同轴结构中，当串联直流电阻是2 0 0 q 时，每个热敏电阻是1 0 0 q ( 假设热敏 电阻是匹配的) ，而并联电阻是5 0 q 。 s e n s o r b r i d g eb a l a n c e r 、l 熊_ l l 。，k 孑 i 掣 ；， v o u t 陬一f l i 、 图1 - 4 热敏电阻传感器原理图 7 1 一个闭环反馈电路( 平衡电桥) 使终端电阻保持着要求的值。一般情况下，电桥比较热敏电阻和功率 计内部的参考电阻，然后反馈使电桥保持平衡。当用到这样的参考电阻的时候，熟敏电阻上的功率可以通 过读参考电阻上的电压，计算尸= ，| r 得出功率。基于热敏电阻的功率传感器一般需要3 0 r o w 的直流功率来 加热热敏电阻，以达到1 6 5 的工作温度。 当微波功率被加上时，电阻被加热，并且阻值在瞬间发生变化，然后被功率计中的反馈环路校准。当 热敏电阻达到了设计的值时，电路重新获得平衡，与没有微波功率加上时相比，此时需要的直流功率更少。 直流功率的差被称为替代功率。如果所有的微波功率都被热敏电阻消耗，那么替代功率就等于微波功率。 一般来说，波导结构和旁路电容也消耗输入的微波功率，所以替代直流功率与输入微波功率的实际比介于 0 7 5 到l 。这个比被称为相对系数j ? 。所以一旦得知它们的相对系数，就可以得到微波功率的值， 3 热电传感器 务 ，： 图1 5 热电传感器原理图【7 】 热电传感器能生成直流输出电压，它是利用终端电阻上消耗的微波功率在其附近产生的温度梯度生成 的。终端被制作成很小，并且与周围外壳接触不良。这可以利用衬底上的薄膜电阻来实现，衬底被刻蚀或 打磨到1 0 0 zh i 的量级。热电偶离终端很近，并且与薄衬底区域相隔很短的距离。这样就使得热电偶一端 的温度接近终端温度，一端的温度接近环境温度。这些热电偶交替热冷端串联，形成热电堆。任何输入到 终端的功率将会使热电堆两端产生温度梯度，并生成输出电压。 根据加热方式的不同，热电传感器大致可以分为以下两类。 1 间接加热式微波功率传感器 间接加热式( 也被称为终端式) 微波功率传感器的工作原理为：在特性阻抗为5 0q 的共面波导终端 并联两个1 0 0q 的匹配电阻，在匹配电阻附近放置热电堆，共面波导上传输的微波功率被匹配电阻吸收产 生热量而使电阻周围的温度升高，通过热电堆测量其温度差，并将它转化为直流电压输出，实现微波功率 的测量【8 】【9 】，其结构如图1 - 6 所示。 4 第一章绪论 z f 0 2 p u , 田卜7 自加热式微渡功卓传感器的结构示意图 与二极管传感器类似，热电传感器一般也采用相对校准，印给出指定频率与参考频率读数的比。这类 传感器与设置了参考功率级的低漂移、固定频率源联合使用。这些功率源一般位于功率计的内部，通常功 率为o d b m ，频率为5 0 砌z 或l g k 。 热电传感器的使用上限由终端电阻的工作温度决定，下限由热电堆和放大电路的噪声决定。典型的热 电传感器的使用范围是lpw 到l o o m w ，动态范围是5 0 d b 。由表l - 1 可以看出，与二极管传感器相比， 动态范田要窄一些。 由于其热特性，热电传感嚣在它们的测量范围内能够较准确地测量平均功率。另外，由于输出是基 于热流密度而不是绝对温度，所以与热敏电阻传感器相比，热电传感器对环境温度的变化相对不敏感。 东南大学硕士学位论文 表1 - 1 三种传感器的比纠7 】 二极管传感器 热电传感器热敏电阻传感器 响应速度微妙级( 最快)毫秒级几十或几百毫秒 峰值或平均值峰值平均值平均值 功率范围7 0 d b m 一2 0 d b m 动态范围为5 0 d b ， - 1 0 d b m 一1 0 d b m 最小输入功率为3 0 d b m 温度稳定性 温漂大约为0 1 5 温漂系数很小对温度变化敏感 应用范围 测量峰值功率，动态测量平均功率测量平均功率 范围较宽 对终端式微波功率传感器进行分析可以看出，在理想情况下，微波功率传感器输入的功率被终端电阻 全部吸收，转化为热能，使得热电堆两端产生温度差，再根据塞贝克效应产生热电势输出，间接地测出输 入功率。而实际情况下，由于以下原因使得输入功率和输出热电势之间并不满足线性关系： 1 由于c p w 导体和介质衬底的非理想性，肯定存在损耗( 包括导体损耗和衬底介质损耗) ； 2 c p w 终端电阻与c p w 的特性阻抗匹配不理想而造成反射，也使测量存在误差； 3 终端电阻在微波频段下的寄生效应使得吸收的功率没有全部转化为焦耳热； 4 终端电阻所产生的焦耳热没有完全被热电堆的热端吸收，部分焦耳热由于各种传热机制而传递到 周围环境中去； 5 类似于终端电阻，热电堆所吸收的热量也会传递到周围环境中去。 简单的分析可知，由于各种损耗机制的存在，微波功率传感器间接测得的功率并不是输入的功率，从 而使得测量存在误差。 鉴于以上原因，为了准确描述输入微波功率和输出热电势的关系，建立传感器的微波损耗模型和传感 器的传热模型是相当有意义的，也是相当有必要的。 分析终端式微波功率传感器的微波损耗，主要是考虑其c p w 的衰减常数a ，目前有四种比较成熟、 准确的计算方法i l2 | 。 1 保角变换技术( c o n f o r m a lm a p p i n gt e c h n i q u e 【1 3 1 ) 如果c p w 金属导体较厚并且是趋肤深度的好几倍，比如l 他m ，这时可以把金属的体电阻率当作导体 的电阻率。这种厚导体的c p w 适合用保角变换技术来推其导衰减常数的表达式。 2 模式匹配法和准t e m 模式( m o d e m a t c h i n gm e t h o d 1 4 】和q u a s i t e mm o d e l i l 5 b 在埘i c 电路中，c p w 的导体厚度较薄，比如2 5 p m ，它与趋肤深度相同甚至还要小，如图卜8 所示。 这种情况下的衰减常数采用准确的全波分析来推导，如模式匹配法。这种方法的缺点是需要大量的数值计 算。模式匹配法相当的准确，但是需要大量的计算资源，不适合采用c a d 软件。模式匹配法的近似表达式 可以采用准t e m 模式来获得，即用分布式等效电路模型来描述c p w ，该模型包括串联电阻和电感以及分流 电容和电导，如图1 - 9 所示。该模型的优点是：它与一般的网络分析软件拟和较好，也考虑了c p w 导体非 理想的电导率及其有限的导体厚度。任何合理的建模方法都必须考虑有限的金属厚度和导体的非理想性。 该方法就是算出单位长度分布电路中各个元件的值，再根据衰减常数口的定义式【1 6 】进行计算，如式( 1 1 ) 所示。 厂- ( 足+ 如三) ( g + 歹国c ) = a + 邝，11 、 其中风l 、c 和g 为c p w 单位长度上的电阻、电感、电容和漏电导，为角频率，鼻相移常数。 6 第一章绪论 卜盟一十三十二o 叟叫 图1 - 8c p w 横截面示意图 靛l 图1 - 9 分布等效电路模型 3 匹配渐进技术( m a t c h e da 驴p t o t i ct e c h n i q u e t l 7 】【1 8 1 ) 如果c p w 的横截面不是理想的长方形而是带有一定角度的四边形或梯形，如图1 - 1 0 所示，这时可以 采用匹配渐进技术来推导衰减常数。 该方法不仅考虑了有限的导体厚度和非理想的电导率，并且不要求横截面一定是长方形，可以是梯形。 图1 - 1 0 横截面为非长方形的c p w 4 基于测量的设计方程( m e a s u r e m e n t b a s e dd e s i g ne q u a t i o n s t 9 1 ) 该方法利用测量制作在g a a s 、i n p 和高阻s i 衬底上的c p w 的衰减常数，推导出了预测衰减常数的闭 合方程。利用该方程计算出的衰减常数与测量结果吻合较好1 2 0 l 。 关于传热模型，在许多文献中已有研究。描述热行为的方程和变量在电路中有类似的概念与其对应， 如图1 - 1 1 2 1 i 2 2 】和表i - 2 所示。在热学中温度和热流量是基本变量，它们可等效为电路中的电压和电流。 同样热容和热阻可以等效为电容和电阻1 2 3 j 【z 制。 ，。v i - v 2 。c 争