一种基于pt对称电路的在线式微波功率传感器
阅读说明：本技术 一种基于pt对称电路的在线式微波功率传感器 (Online microwave power sensor based on PT symmetrical circuit ) 是由 韩磊 王睿 于 2021-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于PT对称电路的在线式微波功率传感器,所述PT对称电路包括串联连接的增益端并联电路、MEMS可变电容与损耗端并联电路,该微波功率传感器通过将MEMS可变电容作为耦合电容接入一个处于EP点的PT对称电路系统,利用了PT对称电路EP点附近频率与微扰呈平方根关系的灵敏性质。当微波信号通过共面波导信号线时,静电力引起的MEMS双端固支梁与下极板之间的微小电容变化能够引起谐振频率的较大分裂。该微波功率传感器补偿了微波功率传感器在小功率情况下的灵敏度,并提升了整个测量范围内的线性度,且结构简单、工艺兼容性高。(The invention discloses an online microwave power sensor based on a PT symmetrical circuit, wherein the PT symmetrical circuit comprises a gain end parallel circuit, an MEMS variable capacitor and a loss end parallel circuit which are connected in series, the microwave power sensor is connected into a PT symmetrical circuit system at an EP point by taking the MEMS variable capacitor as a coupling capacitor, and the sensitivity property that the frequency near the EP point of the PT symmetrical circuit and perturbation are in a square root relation is utilized. When microwave signals pass through the coplanar waveguide signal line, the micro capacitance change between the MEMS double-end clamped beam and the lower polar plate caused by electrostatic force can cause larger split of resonant frequency. The microwave power sensor compensates the sensitivity of the microwave power sensor under the condition of low power, improves the linearity in the whole measuring range, and has simple structure and high process compatibility.)
技术领域
本发明属于微电子器件技术领域，具体涉及一种基于PT对称电路的在线式微波功率传感器。
背景技术
微波信号被广泛应用于无线通信、雷达与电子对抗、军事装备以及医疗电子等领域，微波功率作为表征微波信号的重要参数，对其进行精确快速地检测非常重要。现有的MEMS微波功率传感器主要有MEMS热电式微波功率传感器以及MEMS电容式微波功率传感器两种。MEMS热电式微波功率传感器由于需要将微波功率转化为热进行微波功率测量，因此功耗较大；而MEMS电容式微波功率传感器利用电容的变化实现微波功率测量，因此功耗极低，适用于在线式微波功率传感器。
现代微波通信技术的不断发展，使得人们对于微波信号质量的要求越来越高，因此对微波信号的功率进行精确的检测显得尤为重要，而现有的电容式微波功率传感器具有小功率情况下灵敏度低、线性度差等问题。
因此，针对目前电容式微波功率传感器存在的技术问题，有必要提出一种新的电容式微波功率传感器，以解决现有传感器的问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于PT对称电路的在线式微波功率传感器，通过将MEMS可变电容作为耦合电容接入一个处于EP点的PT对称电路系统，解决现有技术的补足。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于PT对称电路的在线式微波功率传感器，其特征在于，所述PT对称电路包括串联连接的增益端并联电路、MEMS可变电容与损耗端并联电路；
所述增益端并联电路包括并联连接的负电阻、电容一和电感一；
所述损耗端并联电路包括并联连接的正电阻、电容二和电感二；
所述MEMS可变电容包括衬底，所述衬底上依次排列有共面波导第一地线、第一下极板、波导信号线、第二下极板以及共面波导第二地线；
所述共面波导第一地线包括第一空气桥结构；所述共面波导第二地线包括第二空气桥结构；
所述共面波导第一地线和所述共面波导第二地线通过上端的MEMS双端固支梁连接；
所述第一下极板和所述第二下极板位于所述MEMS双端固支梁下方；所述第一下极板连接第一电极，所述第二下极板连接第二电极；
所述第一空气桥结构悬置于所述第一下极板与第一电极连接处上方；所述第二空气桥结构悬置于所述第二下极板与第二电极连接处上方。
该传感器的使用方法如下：
PT对称电路使系统处于EP点，当微波信号通过共面波导，共面波导信号线与MEMS双端固支梁之间的静电力造成共面波导信号线上方的MEMS双端固支梁下拉，所述MEMS双端固支梁与所述第一下极板间距减小、所述MEMS双端固支梁与所述第二下极板间距减小，电容增大，PT对称系统偏离EP点，端口谐振频率变化，实现微波功率的测量。
将所述增益端作为具有谐振频率ω和增益-γ的谐振电路，所述损耗端作为具有谐振频率ω和损耗γ的谐振电路，MEMS可变电容作为耦合系数为μ的耦合项，系统的耦合方程写为以下矩阵：
其中，为哈密顿算符，系统满足：
其中T表示对算符求复共轭，
求解上述方程的特征方程，得到系统的特征频率，即：
当μ＞γ时，电路处于对称区，系统具有两个实数特征频率；
当μ＝γ时，PT对称电路处于EP点，特征频率合并为一个。
当微波信号通过共面波导时，对耦合系数μ产生了一个远小于1的微扰ε，使PT对称系统偏离EP点，此时μ＝γ+ε，原本合并的特征频率发生分裂，其分裂量为：
有益效果：
本发明提供的微波功率传感器通过将MEMS可变电容作为耦合电容接入一个处于EP点的PT对称电路系统，当微波信号通过共面波导信号线时，静电力引起MEMS双端固支梁与下极板之间的微小电容变化，使PT对称系统偏离EP点，造成谐振频率的较大分裂。该微波功率传感器利用了PT对称电路EP点附近频率与扰动呈平方根关系的灵敏性质，补偿了微波功率传感器在小功率情况下的灵敏度；提升了整个测量范围内的线性度；并且结构简单、工艺兼容性高，优化了在线式微波功率传感器的性能。
附图说明
图1：基于PT对称微波功率传感器的电路图
图2：MEMS可变电容结构图
图3：MEMS可变电容的剖面图
图中有：电容(C1、C2)，电感(L1、L2)，负电阻(Z1)，正电阻(Z2)，MEMS可变电容(C3)，衬底(1)，共面波导信号线(2b)，共面波导地线(2a1、2a2)，空气桥结构(6a、6b)，MEMS双端固支梁(5)，下极板(3a、3b)，电极(4a、4b)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如附图1、图2及图3所示，本发明披露一种基于PT对称电路的在线式微波功率传感器，其特征在于，所述PT对称电路包括串联连接的增益端并联电路、MEMS可变电容C3与损耗端并联电路；
所述增益端并联电路包括并联连接的负电阻Z1、电容一C1和电感一L1；
所述损耗端并联电路包括并联连接的与所述负电阻相反的正电阻Z2、电容二C2和电感二L2；
所述MEMS可变电容C3包括衬底1，所述衬底1上依次排列有共面波导第一地线2a1、第一下极板3a、波导信号线2b、第二下极板3b以及共面波导第二地线2a2；
所述共面波导第一地线2a1包括第一空气桥结构6a；所述共面波导第二地线2a2包括第二空气桥结构6b；
所述共面波导第一地线2a1和所述共面波导第二地线2a2通过上端的MEMS双端固支梁5连接；
所述第一下极板3a和所述第二下极板3b位于所述MEMS双端固支梁5下方；所述第一下极板3a连接第一电极4a，所述第二下极板3b连接第二电极4b；
所述第一空气桥结构6a悬置于所述第一下极板3a与第一电极4a连接处上方；所述第二空气桥结构6b悬置于所述第二下极板3b与第二电极4b连接处上方；
该微波功率传感器的使用方法如下：
PT对称电路使系统处于奇异点(Exceptional Point以下简称EP点)，当微波信号通过共面波导，共面波导信号线2b与MEMS双端固支梁5之间的静电力造成共面波导信号线2b上方的MEMS双端固支梁5下拉，从而减小了MEMS双端固支梁5与下极板3a、3b间的距离，导致电容增大，使PT对称系统偏离EP点，造成端口谐振频率的明显变化，实现微波功率的测量。
将增益端作为具有谐振频率ω和增益-γ的谐振电路，损耗端作为具有谐振频率ω和损耗γ的谐振电路，敏感电容作为耦合系数为μ的耦合项，则系统的耦合方程可写为矩阵的形式：
从上述公式可以看出，由于损耗的存在，系统不再是厄米的，而是PT对称的，即满足：
其中，为哈密顿算符，T表示对算符求复共轭，
求解上述方程的特征方程，可以得到系统的特征频率，即：
当μ＞γ时，电路处于对称区，系统具有两个实数特征频率；
当μ＝γ时，PT对称电路处于EP点，特征频率合并为一个；
当微波信号通过共面波导，共面波导信号线与其上方的MEMS双端固支梁之间由于静电力使得MEMS双端固支梁受吸引被下拉，与位于MEMS双端固支梁下方的下极板间距离减小，电容增大，即对耦合系数μ产生了一个远小于1的微扰ε，使PT对称系统偏离EP点，此时μ＝γ+ε，原本合并的特征频率发生分裂，其分裂量为：
从公式中可以看出，频率分裂量正比于微扰的平方根。一方面由于ε<<1，端口谐振频率产生明显的分裂变化；另一方面，频率分裂量与微扰的平方根关系弥补了MEMS电容作为敏感电容本身随功率增大存在的非线性问题。因此，基于PT对称的电路结构的微波功率传感器具有灵敏度高、线性度好、结构简单等优势。
该微波功率传感器通过将MEMS可变电容作为耦合电容接入一个处于EP点的PT对称电路系统，利用了PT对称电路EP点附近频率与微扰呈平方根关系的灵敏性质。当微波信号通过共面波导信号线时，静电力引起的MEMS双端固支梁与下极板之间的微小电容变化能够引起谐振频率的较大分裂。该微波功率传感器补偿了微波功率传感器在小功率情况下的灵敏度，并提升了整个测量范围内的线性度，且结构简单、工艺兼容性高。
本发明中基于PT对称电路的在线式微波功率传感器不同于其它微波功率传感器，该微波功率传感器主要有以下特点：
一、传感器是基于PT对称电路系统，并将系统偏置在EP点，使系统具有良好的灵敏度；
二、将MEMS可变电容作为耦合电容，补偿了MEMS可变电容随功率增加的非线性，提升了全量程的线性度；
三、以PT对称电路系统的谐振频率作为输出，相较于传统微波功率传感器的输出更易于测量；
四、该传感器结构简单，完全兼容标准MEMS工艺。
区分是否为该基于PT对称电路的在线式微波功率传感器结构的标准如下：
(a)采用PT对称电路系统；
(b)电路偏置在EP点；
(c)由MEMS可变电容作为耦合电容。
满足以上三个条件的结构即应视为该基于PT对称电路的在线式微波功率传感器。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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