本发明提出了自适应雷达中比相法固支梁直接mems微波检测解调系统，属于mems电子机械系统的技术领域。
背景技术：
目前，在微波通讯领域中，尤其是自适应雷达的应用中，对微波信号的检测都是利用一些大型器件进行测量，存在着体积大、功耗高、频带窄以及集成度低着一系列问题，而我们的重点在于微波信号的功率、相位和频率等参数的测量，此外，对微波调制信号的解调也是重点之一。众所周知，自适应雷达的接受频段大多都处在ghz频段，随着频率的不断增加，信号波长与电路中各种元器件尺寸较为接近，电压、电流可以转而用波的形式表述，信号的相位延迟使得电路中不同位置处的电压、电流在同一时刻的振幅各不相同，因此在微波频段掌握并控制信号的相位是很有必要的。另外，对于较复杂一些的微波已调制信号，传统的通讯技术又要利用另一套系统进行解调，这同样会引起上述问题，同时还增加了很多成本，导致很难使用在自适应雷达。最后，为了能实现对微波信号的功率、相位和频率的集成以及对同一时刻的微波信号的功率、频率和相位同时同步检测，以满足自适应雷达实时匹配通讯的要求，还能进行对输入的已调制信号的解调，本发明提出了基于硅工艺的自适应雷达中比相法固支梁直接mems微波检测解调系统。
技术实现要素：
技术问题：本发明的目的是提供一种自适应雷达中比相法固支梁直接mems微波检测解调系统，应用六端口固支梁耦合器端口来耦合连接微波信号检测功能模块和解调模块，从而实现了一个芯片同时对微波信号的功率、频率、相位三种微波参量的检测以及对已调制信号的解调。
技术方案：本发明的自适应雷达中比相法固支梁直接mems微波检测解调系统，主要由六端口固支梁耦合器，微波频率检测模块，微波相位检测模块以及微波功率检测和解调模块组成；
六端口固支梁耦合器的第一端口到第三端口、第五端口以及第一端口到第四端口、第六端口的功率耦合度分别相同，待测信号经第一端口输入，由第二端口输出到第一直接加热式微波功率检测器，同步地进行微波功率检测和已调制信号的解调；由第三端口和第四端口输出到微波频率检测模块的第三wilkinson功率合成器的两个输入端口，第三wilkinson功率合成器的输出端连接第二直接加热式微波功率传感器，进行微波频率的检测；由第五端口和第六端口分别输出到微波相位检测模块的第一wilkinson功率合成器和第二wilkinson功率合成器的一端，并由wilkinson功率分配器的两个输出端分别连接到第一wilkinson功率合成器和第二wilkinson功率合成器的另一端，而第一wilkinson功率合成器和第二wilkinson功率合成器的输出端连接到第三直接加热式微波功率检测器和第四直接加热式微波功率检测器，进行微波相位检测；由以上结构，实现了同时对微波信号进行功率、频率、相位的同时同步检测，以满足自适应雷达实时匹配通讯的要求，以及对已调制信号的解调。
其中，本发明面向的自适应雷达由收发天线、收发转换电路、自适应雷达接收系统和自适应雷达发射系统组成，自适应雷达接收系统由mems微波检测和解调单片集成系统、信号存储器和信号分析器级联构成，实现对未知雷达信号的检测和分析；自适应雷达发射系统由微波信号重构、微波信号调制器和微波信号功率放大器构成，实现对未知雷达信号的调制和转发。
六端口固支梁耦合器由共面波导，介质层，空气层和两块对称横跨在其上方固支梁构成；共面波导制作在sio2层上，固支梁的下方即cpw的上方沉积介质层，并与空气层、固支梁共同构成耦合电容结构，两个固支梁之间的共面波导长度为λ/4。
有益效果：
1)本发明的自适应雷达中比相法固支梁直接mems微波检测解调系统中，对微波信号的功率、频率、相位三种检测模块进行了集成，以及实现了对同一时刻的微波信号的功率、频率和相位同时同步检测，以满足自适应雷达实时匹配通讯的要求，和对已调制信号的解调，降低了功耗和成本；
2)本发明的自适应雷达中比相法固支梁直接mems微波检测解调系统中，应用直接加热式微波功率传感器的非线性特性和低通滤波特性对已调制信号进行解调，避免了使用乘法器和振荡器所带来的对体积和复杂程度的影响；
3)本发明的自适应雷达中比相法固支梁直接mems微波检测解调系统通过比相法测量频率，提高了输出电压抗噪声和干扰的能力，精确度得到有效提升。
4)本发明的自适应雷达中比相法固支梁直接mems微波检测解调系统中的直接加热式微波功率传感器为固态能量转换器，没有可动部件，可靠性高，使用寿命长，无需维护，工作时不会产生噪音。
附图说明
图1为自适应雷达的总体结构组成框图，
图2为本发明的自适应雷达中比相法固支梁直接mems微波检测解调系统的原理框图，
图3为六端口固支梁耦合器的俯视图，
图4为图3六端口固支梁耦合器的aa’方向剖面图，
图5为wilkinson功率分配/合成器的俯视图，
图6为直接加热式微波功率传感器的俯视图，
图7为直接加热式微波功率传感器的aa’方向剖面图。
图中包括：六端口固支梁耦合器1，微波频率检测模块2，微波功率检测和解调模块3，微波相位检测模块4，第一端口1-1，第二端口1-2，第三端口1-3，第五端口1-5，第四端口1-4，第六端口1-6，第七一端口2-1，第八端口2-2，第九端口2-3，第一直接加热式微波功率传感器5-1，第二直接加热式微波功率传感器5-2，第三直接加热式微波功率传感器5-3，第四直接加热式微波功率传感器5-4，第五直接加热式微波功率传感器5-5，第一wilkinson功率合成器6-1，第二wilkinson功率合成器6-2，wilkinson功率分配器7，si衬底8，介质层9,固支梁10，空气层11，sio2层12，共面波导13，锚区14，隔离电阻15，空气桥16，非对称共面带线17，终端电阻18，半导体臂19，传输线地线20，输出电极21，热端22，冷端23，衬底薄膜结构24，mim电容25，mems微波检测和解调单片集成系统26，信号存储器27，信号分析器28，微波信号重构29，微波信号调制器30，微波信号功率放大器31，自适应雷达接收系统32，自适应雷达发射系统33，天线34，收发转换电路35。
具体实施方式
本发明面向的自适应雷达由天线34、收发转换电路35、自适应雷达接收系统32和自适应雷达发射系统33组成，自适应雷达接收系统32由mems微波检测和解调单片集成系统26、信号存储器27和信号分析器28级联构成，实现对未知雷达信号的检测和分析；自适应雷达发射系统33由微波信号重构29、微波信号调制器30和微波信号功率放大器31构成，实现对未知雷达信号的调制和转发。
本发明的自适应雷达中比相法固支梁直接mems微波检测解调系统由六端口固支梁耦合器1，微波频率检测模块2，微波功率检测和解调模块3，微波相位检测模块4级联构成；六端口固支梁耦合器1由共面波导13，介质层9，空气层11和固支梁10构成；共面波导13制作在sio2层12上，固支梁10的锚区14制作在共面波导13上，固支梁10的下方沉积有介质层9，并与空气层11、固支梁10共同构成耦合电容结构，两个固支梁10之间的共面波导13长度为λ/4；微波检测模块2由第三wilkinson功率合成器6-3和第二直接加热式微波功率传感器5-2构成，进行微波频率检测，第三wilkinson功率合成器6-3的两个输入端连接于第三端口1-3和第五端口1-5；微波功率检测和解调模块3只需要由第一直接加热式微波功率传感器5-1就能完成微波功率检测和已调制信号解调两项功能，连接于第二端口1-2；微波相位检测模块4由第三直接加热式微波功率传感器5-3，第四直接加热式微波功率传感器5-4，第一wilkinson功率合成器6-1，第二wilkinson功率合成器6-2，wilkinson功率分配器7构成，进行微波相位检测；wilkinson功率合成器，wilkinson功率分配器的拓扑结构相同，由共面波导13、非对称共面带线17和空气桥16、隔离电阻15构成，信号从第七端口2-1输入为wilkinson功率分配器，信号从第八端口2-2，第九端口2-3输入到wilkinson功率合成器；
六端口固支梁耦合器1的第一端口1-1到第三端口1-3、第五端口1-5以及第一端口1-1到第四端口1-4、第六端口1-6的功率耦合度分别相同；待测信号经六端口固支梁耦合器1的第一端口1-1输入，由第二端口1-2输出到第一直接加热式微波功率传感器5-1，由第三端口1-3和第四端口1-4分别输出到微波频率检测模块2的第二直接加热式微波功率传感器5-2和第三直接加热式微波功率传感器5-3，由第五端口1-5和第六端口1-6输出到微波相位检测模块4。实现了一个芯片同时对微波信号的功率、频率、相位三种微波参量的检测，以满足自适应雷达实时匹配通讯的要求，以及对微波已调制信号的解调，具有低功耗、低成本和集成度高的益处。其中微波频率、相位、功率的检测和已调制信号的解调原理解释如下：
功率检测和已调制信号的解调：如图1所示微波信号经六端口固支梁耦合器1的第二端口1-2连接到第一直接加热式微波功率传感器5-1，利用如图5所示的直接加热式微波功率传感测得微波信号的功率大小，微波功率从输入端口输入，通过共面波导13输入到终端电阻18被转化成热量；终端电阻18等效于半导体臂19构成热电偶，热电偶靠近终端电阻18区域作为热端22，热电偶靠近输出电极21区域作为冷端23；根据seebeck效应，通过测量输出电极21的热电势可知输入微波功率大小；热电偶的热端22背部将衬底减薄构成衬底薄膜结构24以提高检测灵敏度，至此可以测得微波信号的输入功率大小；另一方面，因为直接加热式微波功率传感器具有非线性特性和低通滤波特性，所以，当已调制信号输入到第一直接加热式微波功率传感器5-1的时候，利用第一直接加热式微波功率检测器5-1的二阶非线性特性的乘法作用作为解调器，同时，第一直接加热式微波功率检测器5-1的低通滤波特性作用作为低通滤波器滤除其中的高频信号，而作为低频信号的调制信号就被解调出来，从而实现了已调制信号的解调。
频率检测：假设输入功率pin，则第二直接加热式微波功率传感器5-2、第三直接加热式微波功率传感器5-3和第四直接加热式微波功率传感器5-4检测到的功率pf1、pf2和pf3可以表示为：
其中sf1表示第一端口1-1到第二直接加热式微波功率传感器5-2的传输系数，sf2表示第一端口1-1到第三直接加热式微波功率传感器5-3的传输系数，sf3表示第一端口1-1到第四直接加热式微波功率传感器5-4的传输系数。经过第三wilkinson功率合成器6-3的合成之后，可以很容易得到如下公式：
其中s31为第一端口1-1到第三端口1-3的传输系数，s41为第一端口1-1到第四端口1-4的传输系数。频率检测时，没有参考信号输入，因此，第五端口1-5处的功率大小是第三直接加热式微波功率传感器5-3测得功率的两倍，第六端口1-6的功率大小是第四直接加热式微波功率传感器5-4测得功率的两倍，从而可以得到如下传输系数：
其中s51为第一端口1-1到第五端口1-5的传输系数，s61为第一端口1-1到第六端口1-6的传输系数。由于第三端口1-3与第五端口1-5的耦合度相同，第四端口1-4与第六端口1-6的耦合度相同，因此由公式(2)和(3)可得：
sf1＝sf2+sf3(4)
将公式(4)取模可得：
其中
将公式(1)代入公式(6)可得：
由公式(7)和(8)可得到频率的表达式：
其中c表示为电磁波在真空中的速度，l表示为第三端口1-3到第四端口1-4的距离，εer表示为sio2的相对介电常数。
相位检测：如图1所示微波信号经六端口固支梁耦合器1的第五端口1-5和第六端口1-6输入到微波相位检测模块4进行相位检测；六端口固支梁耦合器1的两个固支梁10之间的共面波导13长度为λ/4，此时通过第五端口1-5和第六端口1-6的两路微波信号相位差为90°；假设输入功率pr，与待测信号频率相同f(微波频率和功率检测模块2测得)的参考信号，参考信号经wilkinson功率分配器7分成两路功率和相位相同的信号，与第五端口1-5和第六端口1-6的两路待测信号经第一wilkinson功率合成器6-1和第二wilkinson功率合成器6-2进行功率合成；第三直接加热式微波功率传感器5-3和第四直接加热式微波功率传感器5-4对左右两路合成后的功率pcs1，pcs2进行检测，并通过公式(10)得出待测与参考信号之间的相位差
p5，p6为第五端口1-5与第六端口1-6耦合的功率，并且因为第三端口1-3与第五端口1-5的耦合度相同，第四端口1-4与第六端口1-6的耦合度相同，于是有p3＝p5，p4＝p6。
从公式(10)可以推出相位差
p5，p6为第五端口1-5与第六端口1-6耦合的功率，并且因为第三端口1-3与第五端口1-5的耦合度相同，第四端口1-4与第六端口1-6的耦合度相同，于是有p3＝p5，p4＝p6。由公式(11)可以唯一地确定相位差
自适应雷达中比相法固支梁直接mems微波检测解调系统的制备方法包括以下几个步骤：
1)准备4英寸高阻si衬底8，电阻率为4000ω·cm，厚度为400um；
2)热生长一层厚度为1.2um的sio2层12；
3)化学气相淀积(cvd)生长一层多晶硅，厚度为0.4um；
4)涂覆一层光刻胶并光刻，除多晶硅电阻区域以外，其他区域被光刻胶保护，并注入磷(p)离子，掺杂浓度为1015cm-2，形成隔离电阻15和终端电阻18；
5)涂覆一层光刻胶，用p+光刻板进行光刻，除p型半导体臂20区域以外，其他区域被光刻胶保护，接着注入硼(b)离子，掺杂浓度为1016cm-2，形成热电偶的p型半导体臂20；
6)涂覆一层光刻胶，用n+光刻板进行光刻，除n型半导体臂19区域以外，其他区域被光刻胶保护，接着注入磷(p)离子，掺杂浓度为1016cm-2，形成热电偶的n型半导体臂19；
7)涂覆一层光刻胶，光刻热电堆和多晶硅电阻图形，再通过干法刻蚀形成热电偶臂和多晶硅电阻；
8)涂覆一层光刻胶，光刻去除共面波导13、非对称共面带线17、金属互连线输出电极21处的光刻胶；
9)电子束蒸发(ebe)形成第一层金(au)，厚度为0.3um，去除光刻胶以及光刻胶上的au，剥离形成共面波导13和非对称共面带17的第一层au、输出电极21以及热电堆金属互连线；
10)淀积(lpcvd)一层si3n4，厚度为0.1um；
11)涂覆一层光刻胶，光刻并保留固支梁10下方的光刻胶，干法刻蚀si3n4，形成介质层9；
12)均匀涂覆一层空气层11并光刻图形，厚度为2um，保留固支梁10下方的聚酰亚胺作为牺牲层；
13)涂覆光刻胶，光刻去除固支梁10、锚区14、共面波导13、非对称共面带线17及输出电极21位置的光刻胶；
14)蒸发500/1500/300a°的ti/au/ti的种子层，去除顶部的ti层后再电镀一层厚度为2um的au层；
15)去除光刻胶以及光刻胶上的au，形成固支梁10、锚区14、共面波导13、非对称共面带线17及输出电极21；
16)深反应离子刻蚀(drie)衬底材料背面，制作薄膜结构24；
17)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除固支梁下的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。
本发明与现有技术的区别在于：
本发明采用了六端口固支梁耦合结构，这种固支梁耦合结构从共面波导中传输的微波信号中耦合出一部分，并利用耦合出的信号来集成检测微波信号的功率、频率和相位大小，应用直接加热式微波功率传感器来检测微波信号的功率，具有较好的微波特性、零直流功耗以及高集成度；并且在测量频率时是利用比相法测得的，有效地避免了噪声和干扰对输出电压的影响，极大地提高了精确度。不仅如此，本发明的自适应雷达中比相法固支梁直接mems微波检测解调系统应用直接加热式微波功率传感器的非线性特性和低通滤波特性对已调制信号进行解调，无需乘法器和振荡器，大大减小了体积和复杂程度。本发明对微波信号的功率、频率、相位三种检测模块进行了集成，以及实现了对同一时刻的微波信号的功率、频率和相位同时同步检测，以满足自适应雷达实时匹配通讯的要求，和对已调制信号的解调，实现了自适应雷达中比相法固支梁直接mems微波检测解调系统。
满足以上条件的结构即视为本发明的自适应雷达中比相法固支梁直接mems微波检测解调系统。