本发明专利技术的硅基缝隙耦合式T型结的直接式毫米波信号检测仪器是由传感器、模数转换和液晶显示三大模块组成，传感器由共面波导传输线、缝隙耦合结构、移相器、单刀双掷开关、T型结功分器、T型结功合器以及直接式热电式功率传感器所构成，该结构是制作在高阻Si衬底上，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；T型结功分器和T型结功合器是由共面波导传输线、扇形缺陷结构和空气桥组成；直接式热电式功率传感器由共面波导传输线、热电偶和隔直电容所构成。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，大大提高了信号检测仪器的效率。
【技术实现步骤摘要】
硅基缝隙耦合式T型结的直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T型结的直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
二十一世纪是信息科学技术的时代，在这个飞速发展的时代中，信号检测作为一项重要的科学技术，已经得到了深入的研究，尤其是在当今的军事、通信以及航空航天等领域，对各种形形色色的信号的检测是一项非常重要的任务，一个信号有着三大非常重要的参数：频率、相位和功率，按照频率来划分可以分为低频信号、高频信号和极高频信号，其中毫米波信号就是一种极高频的信号，它位于微波和远红外波相交叠的区域，目前对于极高频的毫米波信号的检测技术还不时特别完善，现今的信号检测器大多只能对信号的频率、相位以及功率等进行单独的测量，集成度不是很高，而且它们的结构都较为复杂，有着很多高频效应，由于这些制约因素，毫米波的检测技术的范围并不是很大。随着对共面波导缝隙耦合结构、T型结功分器、T型结功合器以及直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器，这种信号检测器结构简单，制作成本较低，解决了当今毫米波频段信号检测器的诸多问题，而且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。
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T型结的直接式毫米波信号检测仪器，本专利技术采用了共面波导缝隙耦合结构来解决信号频率检测、相位检测和功率检测的集成化问题，在功率分配和功率合成方面则采用了T型结功分器和T型结功合器结构，在功率检测方面采用了直接式热电式功率传感器，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，为毫米波信号的检测打下了坚实牢固的基础。技术方案：本专利技术的硅基缝隙耦合式T型结的直接式毫米波信号检测仪器主要是由传感器、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，它们是由共面波导传输线、四个尺寸相同的缝隙耦合结构、移相器、两个尺寸相同的单刀双掷开关、一个T型结功分器、三个T型结功合器以及六个直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传输线上侧地线，三号缝隙耦合结构和四号缝隙耦合结构则位于共面波导传输线下侧地线，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T型结功合器和一号直接式热电式功率传感器，同样的，二号缝隙耦合结连接到第三端口，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T型结功合器和二号直接式热电式功率传感器，而一号T型结功合器的输出端连接到三号直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T型结功合器，四号缝隙耦合结构与第五端口相连，第五端口连接到三号T型结功合器，参考信号通过四号T型结功分器的输入端输入，四号T型结功分器的输出端分别连接到二号T型结功合器和三号T型结功合器，然后，二号T型结功合器的输出端连接四号直接式热电式功率传感器，三号T型结功合器的输出端连接五号直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直接式热电式功率传感器。首先，对于毫米波的频率检测模块，它主要是由共面波导上方的两个缝隙耦合结构、一段移相器、两个单刀双掷开关、一个T型结功合器以及一个直接式热电式功率传感器所构成，毫米波信号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T型结功合器进行合成，再用直接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T型结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，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T型结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，实现了-180°～+180°的相位检测。最后的毫米波功率检测模块是用直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的，它主要是由共面波导传输线、两个热电偶和一个隔直电容所构成，其中每个热电偶是由一个金属臂和一个半导体臂串联组成，因为金属臂实际上就是作为该热电式功率检测器的终端电阻，所以这种直接式的热电式功率传感器是一种自加热型功率传感器，它的两个热电偶直接与信号线相连，热电偶的中间区域作为热端，两边边缘区域作为冷端，这样当毫米波信号的能量被金属臂吸收后，根据seebeck效应就能测出热电势，需要注意的是在热电偶的中间区域即热端处会将衬底减薄，这样热能就不会从衬底耗散掉，增大了热端与冷端的温差，从而也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直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，则根据公式(1)、(2)、(3)、(4)，可本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种硅基缝隙耦合式T型结的直接式毫米波信号检测仪器，该信号检测仪器的传感器部分制作在高阻Si衬底(7)上，是由共面波导传输线(4)、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(6)、一号单刀双掷开关(22)、二号单刀双掷开关(23)、一个T型结功分器、三个T型结功合器以及六个直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)位于共面波导传输线(4)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)则位于共面波导传输线(4)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(6)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(22)的输入端相连，一号单刀双掷开关(22)的输出端分别连接到一号T型结功合器和一号直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(23)的输入端相连，二号单刀双掷开关(23)的输出端分别连接到一号T型结功合器和二号直接式热电式功率传感器，而一号T型结功合器的输出端连接到三号直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T型结功合器，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T型结功合器，参考信号通过四号T型结功分器的输入端输入，四号T型结功分器的输出端分别连接到二号T型结功合器和三号T型结功合器，然后，二号T型结功合器的输出端连接四号直接式热电式功率传感器，三号T型结功合器的输出端连接五号直接式热电式功率传感器，最后是功率检测模块(3)，在第六端口(1‑6)处连接着六号直接式热电式功率传感器；在每个直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T型结的直接式毫米波信号检测仪器，该信号检测仪器的传感器部分制作在高阻Si衬底(7)上，是由共面波导传输线(4)、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(6)、一号单刀双掷开关(22)、二号单刀双掷开关(23)、一个T型结功分器、三个T型结功合器以及六个直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)位于共面波导传输线(4)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)则位于共面波导传输线(4)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(6)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(22)的输入端相连，一号单刀双掷开关(22)的输出端分别连接到一号T型结功合器和一号直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(23)的输入端相连，二号单刀双掷开关(23)的输出端分别连接到一号T型结功合器和二号直接式热电式功率传感器，而一号T型结功合器的输出端连接到三号直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-...
【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
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