基于mems宽频带相位检测器和温度补偿电阻的倍频器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的倍频器，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、除法器。本发明的有益效果为：倍频器具有宽频带特性，可以实现对不同频率的参考信号的倍频；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倍频；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倍频器状态的影响，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。
【专利说明】
基于MEMS宽频带相位检测器和溫度补偿电阻的倍频器
技术领域
[0001] 本发明设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溫度 补偿电阻的倍频器。
【背景技术】
[0002] 倍频器是一种利用反馈控制原理获得参考信号频率N倍的频率信号的仪器。倍频 器在众多领域，如无线通信、雷达、数字电视中都有广泛应用。
[0003] 现有技术中，倍频器大多是针对单个频点的倍频，无法满足宽带通讯系统的需求， 此外，溫度稳定性也是对倍频器的基本要求之一。
【发明内容】
[0004] 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 器和溫度补偿电阻的倍频器，实现宽频带范围内不同频率信号的倍频，并避免溫度变化对 倍频器的影响。
[0005] 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溫度补偿电 阻的倍频器，包括MEMS宽频带相位检测器、溫度补偿电阻R、直流自动增益控制AGC放大器、 第一压控振荡器VC01、第二压控振荡器VC02、第一可变电阻R1和第二可变电阻R2、除法器； 溫度补偿电阻R与直流自动增益控制AGC放大器的基极偏置电阻化并联；电源Ve通过第一可 变电阻R1加载到第一压控振荡器VC01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VC01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VC01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VC02的控制电压Vc2,第 二压控振荡器VC02的输出信号通过除法器后，频率变为原来的1/N，作为倍频器的反馈信号 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VC02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VC02的输出频率为第一压控振荡 器VC01输出频率的N倍，完成对不同频率的参考信号的倍频。
[0006] 优选的，当环境溫度升高时，MEMS宽频带相位检测器输出的直流电压V变大，溫度 补偿电阻R及其与化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，不受溫度变化的影响;溫度降低时，溫度补偿电阻R 及其与化的并联电阻减小，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，倍频器具有溫度稳定性。
[0007] 优选的，电源化通过可变电阻第一可变电阻R1和第二可变电阻R2分别加载到第一 压控振荡器VCOl和直流自动增益控制AGC放大器上，第一压控振荡器VCOl在由第一电阻R1 调节的控制电压Vci的控制下，输出参考信号，通过调节第一电阻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W表示为:y=《c〇s衔V-心>-w)，其中K为与输入信号幅度有关 的系数，ω ref为参考信号角频率，ω back为反馈信号角频率，巧为固有相位差;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W表示为乂： = (的-心坤)，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VC02的控制电压，通过第二端 口 15控制第二压控振荡器VC02的输出频率，压控振荡器输出频率ω。可W通过下式表达： : = λ·..化'e?s((w.,, -W ,. )< +沟，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Ve实现对增益系数A的调节，从而改变第二压控振荡器VC02的控制 电压及其相应的输出信号的频率;第二压控振荡器VC02的输出信号通过第Ξ端口 16输入除 法器，经过除法器后，频率变为原来的1/N
此信号为倍频器的反馈信号，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，目I
第二压控振荡器VC02的输出频 率是第一压控振荡器VC01输出频率的N倍，实现倍频，得到在宽频带范围内工作的倍频器。
[0008] 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W通过调节第一可变电阻R1和第二可变电阻R2来实现倍频，倍频后的信号通过 第五端口 18输出。
[0009] 优选的，MEMS宽频带相位检测器WGaAsl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A(PS传输线5、第^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WGaAs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SA(PS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SACPS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。
[0010] 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 传输线6的特征阻抗为Z3。
[0011] 本发明的有益效果为:倍频器具有宽频带特性，可W实现对不同频率的参考信号 的倍频;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倍 频;具有溫度补偿特性，在溫度发生变化时，能够消除溫度变化对倍频器状态的影响，具有 溫度稳定性;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】
[0012]图1是本发明的倍频器俯视图。
[OOK]图視本发明的倍频器的A-A'向剖面图。
[0014] 图3是本发明的倍频器的B-B'向剖面图。
[0015] 图4是本发明的倍频器的C-C'向剖面图。
【具体实施方式】
[0016] 如图1、2、3和4所示，一种基于MEMS宽频带相位检测器和溫度补偿电阻的倍频器， 包括MEMS宽频带相位检测器、溫度补偿电阻R、直流自动增益控制AGC放大器、第一压控振荡 器VC01、第二压控振荡器VC02、第一可变电阻R1和第二可变电阻R2、除法器;溫度补偿电阻R 与直流自动增益控制AGC放大器的基极偏置电阻化并联；电源Ve通过第一可变电阻R1加载到 第一压控振荡器VC01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VC01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 VC01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VC02的控制电压Vc2,第二压控振荡器 VC02的输出信号通过除法器后，频率变为原来的1/N，作为倍频器的反馈信号输入MEM馈频 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VC02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VC02的输出频率为第一压控振荡器VC01输出频 率的N倍，完成对不同频率的参考信号的倍频。
[0017] 当环境溫度升高时，MEMS宽频带相位检测器输出的直流电压V变大，溫度补偿电阻 R及其与化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，不受溫度变化的影响;溫度降低时，溫度补偿电阻R及其与 化的并联电阻减小，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， 倍频器具有溫度稳定性。
[0018] 电源Ve通过可变电阻第一可变电阻R1和第二可变电阻R2分别加载到第一压控振 荡器VC01和直流自动增益控制AGC放大器上，第一压控振荡器VC01在由第一电阻R1调节的 控制电压Vci的控制下，输出参考信号，通过调节第一电阻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W表示为：^ = Kcos艇V-媒+如其中K为与输入信号幅度有关的系 数，Wref为参考信号角频率，《bask为反馈信号角频率，梦为固有相位差;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W表示为:心=式KCO哦吗。/ -?。冰+树，其中A为直流自动增益控制AG访义大 器的增益系数，放大后的直流电压Vc2为第二压控振荡器VC02的控制电压，通过第二端口 15 控制第二压控振荡器VC02的输出频率，压控振荡器输出频率ω。可W通过下式表达： ^ = K,^cos(斬.-心> +切，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Ve实现对增益系数A的调节，从而改变第二压控振荡器VC02的控制 电压及其相应的输出信号的频率;第二压控振荡器VC02的输出信号通过第Ξ端口 16输入除 法器，经过除法器后，频率变为原来的1/Γ'
此信号为倍频器的反馈信号，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，目[
第二压控振荡器VC02的输出频 率是第一压控振荡器VC01输出频率的N倍，实现倍频，得到在宽频带范围内工作的倍频器。
[0019] 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W通过调节第一可变电阻R1和第二可变电阻R2来实现倍频，倍频后的信号通过第五端口 18输出。
[0020] MEMS宽频带相位检测器WGaAsl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SACPS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WGaAs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SACF*S传输线6相级联，隔离电阻7分别设置在 第一 A(PS传输线4、第二ACPS传输线5和第SACPS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。
[0021 ]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SACPS 传输线6的特征阻抗为Z3。
[0022] 本发明的基于MEMS宽频带相位检测器和溫度补偿电阻的倍频器的制备方法如下：
[0023] 1)准备GaAs衬底：选用外延的半绝缘GaAs衬底，其中外延N+GaAs的渗杂浓度为 10"cm-3，其方块电阻值为100~130Ω/Π ;
[0024] 2)光刻并隔离外延的N+GaAs，形成热电堆的半导体热偶臂和溫度补偿电阻的图形 W及欧姆接触区；
[0025] 3)反刻N+GaAs，形成其渗杂浓度为l〇i7cm-3的热电堆的半导体热偶臂和溫度补偿 电阻；
[0026] 4)光刻:去除将要保留金错儀/金地方的光刻胶；
[0027] 5)瓣射金错儀/金，其厚度共为27抑)A;
[00%] 6)剥离，形成热电堆的金属热偶臂；
[0029] 7)光刻:去除将要保留氮化粗地方的光刻胶；
[0030] 8)瓣射氮化粗，其厚度为1皿；
[0031] 9)剥离；
[0032] 10)光刻:去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；
[0033] 11)蒸发第一层金，其厚度为0.3皿；
[0034] 12)剥离，形成CPW信号线、A(PS信号线、地线、直流输出电极和金属连接线；
[0035] 13)反刻氮化粗，形成终端电阻，其方块电阻为25Ω/Π ;
[0036] 14)蒸发铁/金/铁，其厚度为500/1500,/300A:蒸发用于电锻的底金；
[0037] 15)光刻:去除要电锻地方的光刻胶；
[0038] 16)电锻第二层金，其厚度为2皿；
[0039] 17)反刻铁/金/铁，腐蚀底金，形成CPW信号线、AWS信号线、地线、直流输出电极和 金属连接线；
[0040] 18)将该GaAs衬底背面减薄至100皿；
[0041] 19)将制备的MEMS宽频带相位检测器与其它电路元件相连，构成倍频器。
[0042] 区分是否为该结构的标准如下：
[0043] 本发明的基于MEMS宽频带相位检测器和溫度补偿电阻的倍频器包含MEMS宽频带 相位检测器，溫度补偿电阻R，直流自动增益控制AGC放大器，第一压控振荡器VC01和第二压 控振荡器VC02,第一可变电阻R1和第二可变电阻R2W及除法器。MEMS宽频带相位检测器通 过Ξ节传输线级联结构实现宽带特性。直流电源Ve通过第一可调电阻R1和第二可调电阻R2 分别连接到第一压控振荡器VC01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VC01产生，通过调节第一可调电阻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AG访义大器进行放大，产生第二压控振荡器VC02的控制电压Vc2,第二压控振荡器VC02的 输出信号经除法器后产生反馈信号，直流自动增益控制AGC放大器的增益由第二可变电阻 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VC02的输出频率是第一压控振荡器VC01输出频 率的N倍，完成倍频，实现在宽频带范围内工作的倍频器。溫度补偿电阻R的材料与热电堆半 导体臂的材料同为N+GaAs，该材料电阻随溫度升高而增大，随溫度降低而减小。R与直流自 动增益控制AG访义大器中基极偏置电阻化并联。溫度升高时，MEMS宽频带相位检测器输出的 直流电压V增大，但是R及其与化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，不受溫度变化的影响。同理，当溫度降 低时，依然可W保持Ve2不变，倍频器具有溫度稳定性。
[0044] 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W对本发明进行各种变化和修改。
【主权项】
1. 一种基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的倍频器，其特征在于，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VC01、 第二压控振荡器VC02、第一可变电阻R1和第二可变电阻R2、除法器;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R b并联；电源VE通过第一可变电阻R1加载到第一压 控振荡器VC01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VC01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VC01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VC02的控制电压Vu，第二压控振荡器 VC02的输出信号通过除法器后，频率变为原来的1/N，作为倍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VC02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VC02的输出频率为第一压控振荡器VC01输出频 率的N倍，完成对不同频率的参考信号的倍频。2. 如权利要求1所述的基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的倍频器，其特征 在于，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V C2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，倍 频器具有温度稳定性。3. 如权利要求1所述的基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的倍频器，其特征 在于，电源VE通过可变电阻第一可变电阻R1和第二可变电阻R2分别加载到第一压控振荡器 VC01和直流自动增益控制AGC放大器上，第一压控振荡器VC01在由第一电阻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表不为:Ρ?_(_(辑# -1 > + 0)，其中K为与输入信号幅度有关的系数，ω ref 为参考信号角频率，《bac;k为反馈信号角频率J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表示为:= -1)〃的，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VC02的控制电压，通过第二端口（ 15)控制第二 压控振荡器V C 0 2的输出频率，压控振荡器输出频率ω。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Α的调节，从而改变第二压控振荡器VC02的控制 电压及其相应的输出信号的频率;第二压控振荡器VC02的输出信号通过第三端口（16)输入 除法器，经过除法器后，频率变为原来的1/N，，此信号为倍频器的反馈信号，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：，第二压控振荡器VC02的输 出频率是第一压控振荡器VC01输出频率的N倍，实现倍频，得到在宽频带范围内工作的倍频 器。4. 如权利要求3所述的基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的倍频器，其特征 在于，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来实现倍频，倍频后的信号通过第五端口（18) 输出。5. 如权利要求1所述的基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的倍频器，其特征 在于，MEMS宽频带相位检测器以GaAs (1)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。6. 如权利要求5所述的基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的倍频器，其特征 在于，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。
【文档编号】H03B19/00GK106059500SQ201610395545
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月6日
【发明人】廖小平, 韩居正
【申请人】东南大学