基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的分频器的制作方法

本发明涉及微电子机械系统领域，尤其是一种基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的分频器。

背景技术：

分频器是一种利用反馈控制原理获得参考信号频率1/N倍的频率信号的仪器。分频器在众多领域，如无线通信、雷达、数字电视中都有广泛应用。

现有技术中，分频器大多是针对单个频点的分频，无法满足宽带通讯系统的需求，此外，温度稳定性也是对分频器的基本要求之一。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种结构合理的基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的分频器，实现宽频带范围内不同频率信号的分频，并避免温度变化对分频器的影响。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的分频器，包括MEMS宽频带相位检测器、温度补偿电阻R、直流自动增益控制AGC放大器、第一压控振荡器VCO1、第二压控振荡器VCO2、第一可变电阻R1和第二可变电阻R2、乘法器；温度补偿电阻R与直流自动增益控制AGC放大器的基极偏置电阻Rb并联；电源VE通过第一可变电阻R1加载到第一压控振荡器VCO1上，同时通过第二可变电阻R2加载到直流自动增益控制AGC放大器上；第一压控振荡器VCO1产生参考信号，通过调节第一可变电阻R1的大小改变第一压控振荡器VCO1的频率；参考信号和反馈信号分别加载到MEMS宽频带相位检测器的地线2和CPW信号线3组成的两个对称的输入端口，得到与相位差有关的直流电压V，直流电压V输入直流自动增益控制AGC放大器，放大后的信号为第二压控振荡器VCO2的控制电压VC2，第二压控振荡器VCO2的输出信号通过乘法器后，频率变为原来的N倍，作为分频器的反馈信号输入MEMS宽频带相位检测器；调节第二可变电阻R2的大小控制直流自动增益控制AGC放大器的增益，调节第二压控振荡器VCO2的控制电压，控制反馈信号的控制电压和频率；同步调节第一可变电阻R1和第二可变电阻R2，使第二压控振荡器VCO2的输出频率为第一压控振荡器VCO1输出频率的1/N倍，完成对不同频率的参考信号的分频。

优选的，当环境温度升高时，MEMS宽频带相位检测器输出的直流电压V变大，温度补偿电阻R及其与Rb的并联电阻也会增大，导致直流自动增益控制AGC放大器的基极电位降低，增益减小，补偿直流电压V变大带来的影响，同时调节第二可变电阻R2，使直流自动增益控制AGC放大器的输出电压VC2保持稳定，不受温度变化的影响；温度降低时，温度补偿电阻R及其与Rb的并联电阻减小，基极电位升高，直流自动增益控制AGC放大器的增益变大，补偿直流电压V变小带来的影响，同时调节第二可变电阻R2，使直流AGC放大器的输出电压VC2保持稳定，分频器具有温度稳定性。

优选的，电源VE通过第一可变电阻R1和第二可变电阻R2分别加载到第一压控振荡器VCO1和直流自动增益控制AGC放大器上，第一压控振荡器VCO1在由第一可变电阻R1调节的控制电压VC1的控制下，输出参考信号，通过调节第一可变电阻R1，控制参考信号的频率；参考信号和反馈信号通过输入端口输入MEMS宽频带相位检测器后，首先通过功合器进行矢量合成，合成信号通过热电式功率传感器转化为与相位差有关的直流电压V，经直流输出电极11输出，此直流电压V可以表示为：其中K为与输入信号幅度有关的系数，ωref为参考信号角频率，ωback为反馈信号角频率，为固有相位差；MEMS宽频带相位检测器输出的直流电压V通过第一端口14输入至直流自动增益控制AGC放大器进行放大，放大后的直流电压VC2可以表示为：其中A为直流自动增益控制AGC放大器的增益系数，放大后的直流电压VC2为第二压控振荡器VCO2的控制电压，通过第二端口15控制第二压控振荡器VCO2的输出频率，压控振荡器输出频率ωo可以通过下式表达：通过调节第二可变电阻R2，改变直流自动增益控制AGC放大器的直流偏置电源VC实现对增益系数A的调节，从而改变第二压控振荡器VCO2的控制电压及其相应的输出信号的频率；第二压控振荡器VCO2的输出信号通过第三端口16输入乘法器，经过乘法器后，频率变为原来的N倍，ωback＝N×ωo，此信号为分频器的反馈信号，通过第四端口17重新输入MEMS宽频带相位检测器；通过同步控制第一可变电阻R1和第二可变电阻R2，使反馈信号和参考信号的频率相等，即第二压控振荡器VCO2的输出频率是第一压控振荡器VCO1输出频率的1/N倍，实现分频，得到在宽频带范围内工作的分频器。

优选的，MEMS宽频带相位检测器在不同频率下的输出直流电压V存在波动的情况下，依然可以通过调节第一可变电阻R1和第二可变电阻R2来实现分频，分频后的信号通过第五端口18输出。

优选的，MEMS宽频带相位检测器以GaAs1为衬底，包括功合器和热电式功率传感器，功合器包括地线2、CPW信号线3、第一ACPS传输线4、第二ACPS传输线5、第三ACPS传输线6和隔离电阻7，热电式功率传感器包括终端电阻8、热电堆半导体臂9、热电堆金属臂10、直流输出电极11；MEMS宽频带相位检测器以GaAs为衬底，地线2与CPW信号线3构成功合器的输入和输出端口，第一ACPS传输线4、第二ACPS传输线5和第三ACPS传输线6相级联，隔离电阻7分别设置在第一ACPS传输线4、第二ACPS传输线5和第三ACPS传输线6的末端，终端电阻8设置在CPW信号线3的输出端口处，热电堆半导体臂9与热电堆金属臂10依次连接，构成热电堆，直流输出电极11连接在热电堆两端。

优选的，第一ACPS传输线4的特征阻抗为Z1，第二ACPS传输线5的特征阻抗为Z2，第三ACPS传输线6的特征阻抗为Z3。

本发明的有益效果为：分频器具有宽频带特性，可以实现对不同频率的参考信号的分频；通过可变电阻对压控振荡器电压的控制和对直流自动增益控制AGC放大器增益的控制，实现对参考信号和反馈信号的同步调节，即便在电路存在波动的情况下也能实现分频；具有温度补偿特性，在温度发生变化时，能够消除温度变化对分频器状态的影响，具有温度稳定性；结构简单新颖，操作方便，与GaAs单片微波集成电路兼容。

附图说明

图1是本发明的分频器俯视图。

图2是本发明的分频器的A-A’向剖面图。

图3是本发明的分频器的B-B’向剖面图。

图4是本发明的分频器的C-C’向剖面图。

具体实施方式

如图1、2、3和4所示，一种基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的分频器，包括MEMS宽频带相位检测器、温度补偿电阻R、直流自动增益控制AGC放大器、第一压控振荡器VCO1、第二压控振荡器VCO2、第一可变电阻R1和第二可变电阻R2、乘法器；温度补偿电阻R与直流自动增益控制AGC放大器的基极偏置电阻Rb并联；电源VE通过第一可变电阻R1加载到第一压控振荡器VCO1上，同时通过第二可变电阻R2加载到直流自动增益控制AGC放大器上；第一压控振荡器VCO1产生参考信号，通过调节第一可变电阻R1的大小改变第一压控振荡器VCO1的频率；参考信号和反馈信号分别加载到MEMS宽频带相位检测器的地线2和CPW信号线3组成的两个对称的输入端口，得到与相位差有关的直流电压V，直流电压V输入直流自动增益控制AGC放大器，放大后的信号为第二压控振荡器VCO2的控制电压VC2，第二压控振荡器VCO2的输出信号通过乘法器后，频率变为原来的N倍，作为分频器的反馈信号输入MEMS宽频带相位检测器；调节第二可变电阻R2的大小控制直流自动增益控制AGC放大器的增益，调节第二压控振荡器VCO2的控制电压，控制反馈信号的控制电压和频率；同步调节第一可变电阻R1和第二可变电阻R2，使第二压控振荡器VCO2的输出频率为第一压控振荡器VCO1输出频率的1/N倍，完成对不同频率的参考信号的分频。

当环境温度升高时，MEMS宽频带相位检测器输出的直流电压V变大，温度补偿电阻R及其与Rb的并联电阻也会增大，导致直流自动增益控制AGC放大器的基极电位降低，增益减小，补偿直流电压V变大带来的影响，同时调节第二可变电阻R2，使直流自动增益控制AGC放大器的输出电压VC2保持稳定，不受温度变化的影响；温度降低时，温度补偿电阻R及其与Rb的并联电阻减小，基极电位升高，直流自动增益控制AGC放大器的增益变大，补偿直流电压V变小带来的影响，同时调节第二可变电阻R2，使直流AGC放大器的输出电压VC2保持稳定，分频器具有温度稳定性。

电源VE通过第一可变电阻R1和第二可变电阻R2分别加载到第一压控振荡器VCO1和直流自动增益控制AGC放大器上，第一压控振荡器VCO1在由第一可变电阻R1调节的控制电压VC1的控制下，输出参考信号，通过调节第一可变电阻R1，控制参考信号的频率；参考信号和反馈信号通过输入端口输入MEMS宽频带相位检测器后，首先通过功合器进行矢量合成，合成信号通过热电式功率传感器转化为与相位差有关的直流电压V，经直流输出电极11输出，此直流电压V可以表示为：其中K为与输入信号幅度有关的系数，ωref为参考信号角频率，ωback为反馈信号角频率，为固有相位差；MEMS宽频带相位检测器输出的直流电压V通过第一端口14输入至直流自动增益控制AGC放大器进行放大，放大后的直流电压VC2可以表示为：其中A为直流自动增益控制AGC放大器的增益系数，放大后的直流电压VC2为第二压控振荡器VCO2的控制电压，通过第二端口15控制第二压控振荡器VCO2的输出频率，压控振荡器输出频率ωo可以通过下式表达：通过调节第二可变电阻R2，改变直流自动增益控制AGC放大器的直流偏置电源VC实现对增益系数A的调节，从而改变第二压控振荡器VCO2的控制电压及其相应的输出信号的频率；第二压控振荡器VCO2的输出信号通过第三端口16输入乘法器，经过乘法器后，频率变为原来的N倍，ωback＝N×ωo，此信号为分频器的反馈信号，通过第四端口17重新输入MEMS宽频带相位检测器；通过同步控制第一可变电阻R1和第二可变电阻R2，使反馈信号和参考信号的频率相等，即第二压控振荡器VCO2的输出频率是第一压控振荡器VCO1输出频率的1/N倍，实现分频，得到在宽频带范围内工作的分频器。

MEMS宽频带相位检测器在不同频率下的输出直流电压V存在波动的情况下，依然可以通过调节第一可变电阻R1和第二可变电阻R2来实现分频，分频后的信号通过第五端口18输出。

MEMS宽频带相位检测器以GaAs1为衬底，包括功合器和热电式功率传感器，功合器包括地线2、CPW信号线3、第一ACPS传输线4、第二ACPS传输线5、第三ACPS传输线6和隔离电阻7，热电式功率传感器包括终端电阻8、热电堆半导体臂9、热电堆金属臂10、直流输出电极11；MEMS宽频带相位检测器以GaAs为衬底，地线2与CPW信号线3构成功合器的输入和输出端口，第一ACPS传输线4、第二ACPS传输线5和第三ACPS传输线6相级联，隔离电阻7分别设置在第一ACPS传输线4、第二ACPS传输线5和第三ACPS传输线6的末端，终端电阻8设置在CPW信号线3的输出端口处，热电堆半导体臂9与热电堆金属臂10依次连接，构成热电堆，直流输出电极11连接在热电堆两端。

第一ACPS传输线4的特征阻抗为Z1，第二ACPS传输线5的特征阻抗为Z2，第三ACPS传输线6的特征阻抗为Z3。

本发明的基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的分频器的制备方法如下：

1)准备GaAs衬底：选用外延的半绝缘GaAs衬底，其中外延N+GaAs的

掺杂浓度为10¹⁸cm^-3，其方块电阻值为100～130Ω/□；

2)光刻并隔离外延的N+GaAs，形成热电堆的半导体热偶臂和温度补偿电阻的图形以及欧姆接触区；

3)反刻N+GaAs，形成其掺杂浓度为10¹⁷cm^-3的热电堆的半导体热偶臂和温度补偿电阻；

4)光刻：去除将要保留金锗镍/金地方的光刻胶；

5)溅射金锗镍/金，其厚度共为

6)剥离，形成热电堆的金属热偶臂；

7)光刻：去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；

8)溅射氮化钽，其厚度为1μm；

9)剥离；

10)光刻：去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；

11)蒸发第一层金，其厚度为0.3μm；

12)剥离，形成CPW信号线、ACPS信号线、地线、直流输出电极和金属连接线；

13)反刻氮化钽，形成终端电阻，其方块电阻为25Ω/□；

14)蒸发钛/金/钛，其厚度为蒸发用于电镀的底金；

15)光刻：去除要电镀地方的光刻胶；

16)电镀第二层金，其厚度为2μm；

17)反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成CPW信号线、ACPS信号线、地线、直流输出电极和金属连接线；

18)将该GaAs衬底背面减薄至100μm；

19)将制备的MEMS宽频带相位检测器与其它电路元件相连，构成分频器。

区分是否为该结构的标准如下：

本发明的基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的分频器包含MEMS宽频带相位检测器，温度补偿电阻R，直流自动增益控制AGC放大器，第一压控振荡器VCO1和第二压控振荡器VCO2，第一可变电阻R1和第二可变电阻R2以及乘法器。MEMS宽频带相位检测器通过三节传输线级联结构实现宽带特性。直流电源VE通过第一可变电阻R1和第二可变电阻R2分别连接到第一压控振荡器VCO1和直流自动增益控制AGC放大器上，参考信号由第一压控振荡器VCO1产生，通过调节第一可变电阻R1的大小来控制参考信号的频率。参考信号和反馈信号通过MEMS宽频带相位检测器后输出包含相位差信息的直流电压V，经直流自动增益控制AGC放大器进行放大，产生第二压控振荡器VCO2的控制电压VC2，第二压控振荡器VCO2的输出信号经乘法器后产生反馈信号，直流自动增益控制AGC放大器由第二可变电阻R2控制，通过调节第二可变电阻R2的大小便可控制反馈信号的频率，同步调节第一可变电阻R1和第二可变电阻R2使第二压控振荡器VCO2的输出频率是第一压控振荡器VCO1输出频率的1/N，完成分频，实现在宽频带范围内工作的分频器。温度补偿电阻R的材料与热电堆半导体臂的材料同为N+GaAs，该材料电阻随温度升高而增大，随温度降低而减小。R与直流自动增益控制AGC放大器中基极偏置电阻Rb并联。温度升高时，MEMS宽频带相位检测器输出的直流电压V增大，但是R及其与Rb的并联电阻阻值增大，使直流自动增益控制AGC放大器的基极电位降低，增益减小，补偿了直流电压V增大带来的影响，同时调节可变电阻R2，使直流自动增益控制AGC放大器的输出电压VC2保持稳定，不受温度变化的影响。同理，当温度降低时，依然可以保持VC2不变，分频器具有温度稳定性。

尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。