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摘 要

本文提出的基于MEMS悬臂梁的毫米波功率耦合器可制备于GaAs衬底上，并可以嵌入共面波导(CPW)中。本论文提出了基于MEMS悬臂梁的40 GHz毫米波功率耦合器的基本结构；建立了该结构的等效电路模型，并对此等效电路模型进行模拟和结构尺寸的设计；运用HFSS有限元软件，对基于MEMS悬臂梁的40 GHz毫米波功率耦合器的结构实现进一步的模拟和优化，并验证设计的合理性。通过模拟表明，该结构在38~42GHz频段内的插入损耗小于0.9 dB，反射系数低于-20 dB，耦合度可以灵活设计，具有良好的微波特性。本文不仅设计出了基于MEMS悬臂梁的40 GHz毫米波功率耦合器，实现了毫米波功率的耦合，而且为基于此耦合器的在线式毫米波功率传感器奠定了研究基础。该耦合器可在许多个人通信或雷达系统中会得到应用。

关键词：微电子机械系统，悬臂梁结构，毫米波，功率耦合器，GaAs MMIC工艺，共面波导

Simulation and design of 40GHz millimeter wave power coupler based on MEMS cantilever beam

Abstract

In this paper, the millimeter wave power couple based on MEMS cantilever beam can be prepared on the GaAs substrate, and can be embedded in the coplanar wave guide (CPW). The main contents of this paper is proposed based on the basic structure of the MEMS cantilever beam of 40 GHz millimeter wave power couple; establish the equivalent circuit model of the structure, this equivalent circuit model and simulation and structure size design; using HFSS finite element software, of base on the MEMS cantilever beam of 40 GHz millimeter wave power coupler structure achieve further simulation and optimization, and validate the design rationality. The simulation results show that the insertion loss is less than 0.9 dB , and the reflection coefficient is lower than -20 dB, and coupling degree can be designed flexibly, respectively it has good microwave characteristics in the 38~42GHz frequency band. This paper not only designs based on the MEMS cantilever beam of 40 GHz millimeter wave power couple to realize the coupling of millimeter wave power, and based on the couple online millimeter wave power sensor lays the basis for further study. The coupler can be used in many personal communications or radar systems.

KEY WORDS: MEMS cantilever beam structure millimeter wave power coupler MMIC GaAs process CPW

摘 要 III

Abstract III

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.1.1 MEMS发展历史 1

1.1.2微电子机械系统（MEMS）典型特点 1

1.1.3 MEMS主要分类 2

1.1.4应用方面的研究 2

1.2微波功率耦合器 3

1.3微波功率传感器 4

1.3.1微波功率传感器的分类 4

1.3.2研究现状 5

1.4本文主要研究工作 6

第二章 基本原理和结构 7

2.1共面波导 7

2.2 S参数 8

2.3 定向耦合器 8

第三章 基于MEMS悬臂梁的40GHz毫米波功率耦合器的模拟和设计 11

3.2二端口网络电路模型以及优化 13

3.3 模拟和结果分析 14

结论 34

致谢 35

参考文献（References） 36

第一章 绪 论

微电子机械系统是集微传感器、微执行器、微电源微能源、以及信号处理和电路控制的高性能电子器件或系统。MEMS是一项具有革新意义的技术，目前广泛应用于各种高新技术行业，是一项关系到国家的经济繁荣、科技发展和国防安全的关键性技术。[1] 

1.1 引言

MEMS中文名为微电子机械系统。它的结构尺寸一般在毫米量级，其内部的结构一般在微米甚至有的达到了纳米量级，是一个相对独立的智能系统。其主要由传感器、执行器和微能源三大部分组成。MEMS涉足的领域很广，其涵盖了光电学、物理学、化学、材料学、生物医学、信息工程学等多种学科，主要应用在高频集成电路、自动化系统、电子机器等方面。常见的M E M S产品包括：微型显微镜、MEMS温度传感器、MEMS湿度传感器、MEMS压力传感器、MEMS加速器、MEMS气体传感器等以及它们形成的各种集成产品。

美国目前已经研制出一种MEMS传感器加速度表用于汽车节油和防撞，其可以提高驾驶汽车的安全性，节约油料。仅此一项技术每年就可节约几十亿美元的汽油费。MEMS在航空航天系统的应用可大大节省各种费用，提高系统的灵活度，并最终导致航空航天系统的改革。在军事应用方面，雷达、高性能战斗机等各种新型设备的运用，使得国家竞争力不断上升。在民用领域，把微电子机械系统应用于个人GPS导航、医用传感器、大容量数据存储器件、小型分析仪、光纤网络开关等，使得人们生活越来越方便。[1]

1.1.1 MEMS发展历史

MEMS具体发展历史进程如下：1960年，首次出现了MEMS的概念。1962年，世界上第一个硅压力传感器诞生，随后又研究出了微齿轮、微泵、气动涡轮等微型结构。1987年，通过采用“硅工艺”制造出了一种转子直径为60到120微米的微静电马达。20世纪90年代喷墨打印头、硬盘读写头、微型加速度计、数字显微镜等微型器件相继出现，并实现规模化生产充分展现了MEMS的巨大发展前景。[1]

1.1.2微电子机械系统（MEMS）典型特点

MEMS具有多样性、复杂性，但其共有特点有：1微型化：MEMS器件尺寸一般在微米至毫米量级，体积小、重量轻、能量损耗低、系统响应时间短，灵敏度和分辨率更高、但相对误差较传统机械大很多。2基于微加工技术制造，与IC制造工艺兼容。3可批量制造生产，批量生产可大大减少时间、降低生产成本、增加经济效益。4集成化：通过不同电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。5多种学科综合：MEMS涵盖了光学、电子、物理、化学、材料学、工业制造、信息工程与自动化等多种学科。

MEMS的主要功能是进行能量与信息的交换控制，能够在微观尺度下进行电、光热、磁、机械以及生物等领域的测量与控制，对于MEMS器件，经典物理规律仍然有效，但更复杂多变，在纳米、量子尺寸范围内，量子效应、纳米尺度、界面效应等成为主要影响因素。MEMS技术日益成熟，从理论走向现实，对生物学、医疗、工业、信息工程、环境保护、高新产业、国家安全防卫和科技发展产生重大影响。

1.1.3 MEMS主要分类

（1）生物类MEMS

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