基于MEMS热电式微波功率传感器的微波辐射仪的研究.pdf

摘要 摘要 移动通信已经由 1G 发展到 4G ，目前 5G 的建设和商用正如火如荼。微波通信技术给人们生活 带来便利的同时，微波辐射导致的健康问题也逐渐引起了人们的关注，因此准确测量微波辐射强度 具有重要意义。随着微电子机械系统（MEMS ）技术的快速发展，借助于MEMS 技术来测量微波信 号的功率频率和相位参量正成为新的研究热点。MEMS 微波传感器主要包括热电式 MEMS 微波功 率传感器、电容式 MEMS 微波功率传感器、在线式 MEMS 微波功率传感器、比值式 MEMS 频率传 感器和 MEMS 相位传感器。其中热电式 MEMS 微波功率传感器作为无源器件，具有可靠性高、工 作频带宽和线性度好的优良特性，也是其他各种 MEMS 微波传感器的基础。在线式 MEMS 微波功 率传感器只利用小部分输入信号进行功率检测，大部分信号可以传输至下一级而被利用。 基于上述背景，本论文提出了基于 MEMS 热电式微波功率传感器的微波辐射仪，具体地，针对 热电式 MEMS 微波功率传感器的频率依赖问题，提出了频率抑制算法，实验表明频率抑制算法消除 了传感器的频率依赖特性，并显著提升传感器的精度，在输入信号功率0-60mW，频率 5-15GHz 范 围内，传感器的相对误差小于 1.6%；为了检测微波辐射信号的频率，设计了比值式 MEMS 微波频 率传感器；针对在线式 MEMS 微波功率传感器，通过理论和实验证明了其解调功能；设计了射频- 直流信号转换（RF-DC ）电路，并实验验证了在线式 MEMS 微波功率传感器和 RF-DC 电路的联合 结构可以实现一边 AM 信号解调，一边利用剩余的微波信号给充电宝充电，这种做法提升了能量的 使用效率；为了更进一步提升能量的使用效率，设计了基于热电-光电集成能量收集器的电源管理电 路，其集成能量收集器能够同时收集热能和光能，电源管理电路进一步将收集器的输出电压提升至 3.1V，使得传感器的输出电压与一般系统的电源接口兼容；设计的微波辐射仪主要包括天线、低噪 声放大器（LNA ）、热电式MEMS 微波功率传感器、直流放大器、低通滤波器、模拟数字转换器、 单片机和液晶显示器，并使用标准的微波辐射仪对制作的微波辐射仪进行校准。 本文的创新之处在于：（1）设计的频率抑制算法可以消除热电式MEMS 微波功率传感器的频率 依赖特性；（2 ）设计的RF-DC 电路与在线式MEMS 微波功率传感器的联合结构在实现 AM 信号解 调功能的同时，可以收集剩余的微波能量，从而提升微波能量使用效率；（3 ）首次将热电式MEMS 微波功率传感器作为功率检测器件应用于微波辐射仪中。 关键词：MEMS 、微波功率传感器、热电-光电集成能量收集器、微波能量收集器、辐射仪 I Abstract Abstract Mobile communication has been developed from 1G to 4G, and the construction and commercialization of 5G is in full swing. While microwave communication technology brings convenience to peoples lives, the health problems caused by microwave radiation have gradually attracted peoples attention. Therefore, it is of great significance to accurately measure the intensity of microwave radiation. With the