应用电容测量射频信号功率的射频功率传感器

摘要

应用电容测量射频信号功率的射频功率传感器包括：最好用半导体形成的基底，如硅，或电介质材料构成，固定在基底上的固定部件构成用于传输射频信号的信号线及地线，以及跨越信号线连接在地线间的桥体，其中桥体受到外驱动力的作用，外驱动力在桥体与信号线之间感应电容。相应地，通过信号线与桥体之间的电容测量射频信号功率。射频功率传感器促进匹配，减少插入损耗，由于其基于传输线路所具有的特性阻抗，可以在非常宽频带中使用。根据对桥体所进行的设计还可对大功率进行测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在微电子机械系统(MEMS)中制作的射频功率传感器，更具体涉及一种应用电容能够测量射频信号功率的射频功率传感器。

背景技术

微电子机械系统(MEMS)是应用半导体工艺在电子器件中构成机械部件的技术。每一具有机械结构并实现相应工作的器件是在半导体晶片上通过半导体生产工艺制造的。

精确的功率测量对于在通信系统中建立高质量的连接是至关重要的。通常，终端或基台发射功率达到信号可到达目标的程度。然而，发射功率高于所需功率造成不必要的能量消耗，并受到有关最大发射功率的法规限制。因而，以上问题的可能解决办法包括使用功率传感器精确地测量射频功率。

通常，用于射频功率测量有两种类型的传感器。第一种类型是整流型传感器(整流器)，第二种是热感型传感器(热感检测器)。

整流型传感器使用由非线性器件如二极管，进行将高频转换成低频的频率向下转换处理，进行射频功率测量。

热感型传感器使用因温度变化所致的电阻或电介质的介电常数改变，进行射频功率测量。另外还有几种型式的热感型传感器。热感型传感器可以是热敏电阻器、热电耦或类似元件。与整流型传感器不同，热感型传感器由于不存在检测信号的超高频特性而具有测量方便的优点。热感型传感器的另一优点是用简单接口无需冷却可在室温下工作的优点。

热敏电阻器功率传感器是利用热敏电阻器的电阻能够感应基于射频功率的末端负载的温度变化而改变，以计算出输入功率。热敏电阻器随其温度变化改变电阻值。电阻与热敏电阻器功率之间是非线性关系，并且根据器件而不同，因而热敏电阻器被用于自平衡桥电路中。热敏电阻器传感器具有相对高的精度等级，可与其它传感器结合使用。

然而，动态范围限制在大约从-10dBm到-20dBm的范围，与当前射频技术标准相比相对过窄。还有，热敏电阻器未被广泛使用，这是因为实际应用中，由于使用温度变化使响应速度较低无法满足数字化通信的需要。

而且，热电耦功率传感器，由于其对真实功率的响应能力，甚至适合不同类型的复杂数字相位调制信号器件的射频功率测量。

由于两种具有温差的金属之间的电压差，热电耦功率传感器产生很小的电压。这样，热电耦功率传感器产生很小的电压差，所以将多个热电耦串联在一起使用形成热电堆。热电堆产生较大的输出以使电流感测电路得以结构简化。热电耦功率传感器的动态范围从-30dBm到+20dBm，具有宽达20GHz带宽以及极高的灵敏性。然而，热电耦功率传感器的不利因素是响应速度慢到数毫秒，如同热敏电阻器功率传感器。

与此同时，二极管功率传感器对射频能量整流产生直流电压而不需对射频信号产生的热进行测量。二极管功率传感器与其它类型的传感器相比具有良好的敏感性，动态范围宽达从-70dBm到-20dBm。另外，二极管功率传感器具有40GHz带宽，响应速度快可达几微秒。因此，二极管功率传感器适合于时分多址存取(TDMA)方法，该方法要求高速响应特性。

然而，在二极管功率传感器实例中，功率超过-20dBm时高阶项(terms ofhigh order)增加以致产生非线性特性。

同时，在二极管功率传感器实例中，有两种用于测量功率超过+20dBm的方法。第一种方法是在二极管的前级设置衰减器，这可消除功率传感器的精度等级的下降。第二种方法是对信号校准使用，这样可使用二极管校准和数字信号处理(DSP)，故具有费用高的缺点。

如上所述，常规功率传感器具有在其特性阻抗基于温度变化而改变的问题，这使得由于需要耦合器、衰减器和其它同类元件，造成很难匹配，并降低了测量精度等级。

发明内容

为解决以上问题，本发明的目的是提供一种用于测量射频功率的射频功率传感器，测量过程是通过在基底形成的信号线和桥体之间在电磁力作用下发生电容数值变化实现的。

为了达到上述目的，根据本发明的射频功率传感器包括基底、固定在基底上的固定部件和基底上形成的用于传输射频信号的信号线及地线、以及跨越信号线连接在地线之间的桥体，其中桥体受到外驱动力的作用，外驱动力影响在桥体与信号线之间的电容。

最好基底是由半导体构成，如，硅(Si)，或电介质材料构成。

射频功率传感器最好还包括用于检测桥体与信号线之间电容并测量射频信号功率的功率测量部件，以及用于切断射频信号经过信号线传输到功率测量部件的射频截止部件。

射频截止部件最好包括第一和第二电感器用于阻止射频信号经过信号线进行传输以使射频信号不能传输到电容检测器。

功率测量部件最好包括用于检测在桥体与信号线之间所产生的电容的电容检测器；和用于根据电容检测器的检测结果计算射频信号功率的功率计算器。

桥体最好是垂直形成并具有与信号线相应的预定厚度。

由于本发明是基于在半导体基底上形成信号线和地线，所以具有容易匹配及插入损耗小的优点。另外，因为本发明可串联布置在电路中而不需要为功率测量而附加像耦合器、衰减器和其它同类器件，而使本发明提高了功率测量精度等级。

附图说明

本领域技术人员通过下文中参照附图对优选实施例的详细说明将会理解本发明上述的及其它的特性和优点，其中：

图1是表示根据本发明实施例的射频功率传感器的结构视图；

图2是表示根据本发明实施例的MEMS器件的剖视图；

图3是图1所示射频功率传感器的电路图；

图4A是表示桥体与信号线的距离和射频功率之间相互关系的曲线图；和

图4B是表示电容和射频功率之间相互关系的曲线图。

具体实施方式

于2002年4月16日提交的韩国专利申请第2002-20554号，名称为“用于通过电容测量射频信号功率的射频功率传感器”，其内容在此一并作为参考。

下文将参照附图对本发明作详细陈述。

图1是表示根据本发明实施例的射频功率传感器的结构视图。图2是表示根据本发明实施例的MEMS器件的剖视图。

参考图1和图2，根据本发明的射频功率传感器具有：基底100；固定到基底100中的固定部件110，位于基底100的上侧面用以形成地线112a和传输射频信号的信号线110a；桥体120跨越信号线110a并与地线112a连接；用于切断射频信号的射频截止部件130；用于检测信号线110a和桥体120之间受电磁力作用所产生的电容的电容检测器140；和用于利用所检测的电容计算射频信号电功率的功率计算器150。

射频截止部件130通常是由第一电感器L1和第二电感器L2构成，用于阻止射频信号经过信号线110a传输以不使射频信号传输到电容检测器140。

基底100最好由半导体构成，如，硅(Si)，或其它电介质材料构成。

桥体120连接到与基底100固定的地线112a，并以预定的距离跨越信号线110a。另外，桥体120受外部电磁力所驱动，通过外部电磁力在桥体120和信号线110a之间产生预定量值的电容。

桥体120具有一定的厚度，由电磁力感应产生的电容根据此厚度而变化。厚度10微米的桥体由于射频信号的弯曲程度与厚度5微米的桥体由于外部电磁力的弯曲程度之间的不同导致电容的变化。即，感应电容对于相同射频信号产生的电磁力是依据桥体120的厚度而变化。因而，根据桥体120的设计可测量大功率。

如果由射频信号产生的电磁力使桥体120发生位移，此位移的程度是由电磁力和桥体120的弹簧常数k所确定。即，信号线110a与桥体120之间的距离g的变化是由电磁力和桥体120的弹簧常数k所确定。相应地，即使由于桥体120的厚度不同，相同的射频信号所感应的电容也不相同，而所测量的功率是相同的。

如果由桥体120和信号线110a之间的外部电磁力所感应的电容为预定电容，电容检测器140检测由外部电磁力感应的电容。电容检测器140根据桥体120和信号线110a之间的预定距离g与由于电磁力所导致的桥体120和信号线110a之间的距离g所发生的改变检测电容。

如果电容检测器140检测到桥体120和信号线110a之间的电容，功率计算器150使用所检测的电容计算射频信号的功率。功率计算器150根据以下公式1计算射频信号的功率。 $>>>P>RF>>=>>>2>k>>>>ϵ>0>>w>>WZ>0>>>>\Delta >>>(>g>->\Delta >)>>2>>\approx >>>>2>kg>>2>>>>ϵ>0>>w>>WZ>0>>>>\Delta >->->->>(>1>)>>>s>$ >>>P>RF>>=>>>2>k>>>>ϵ>0>>w>>WZ>0>>>>\Delta >>>(>g>->\Delta >)>>2>>\approx >>>>2>kg>>2>>>>ϵ>0>>w>>WZ>0>>>>\Delta >->->->>(>1>)>>>s>$$

公式1中，k代表桥体120的弹簧常数，ε₀代表介电常数，w代表桥体120的宽度，W代表信号线110a的宽度，Z₀代表特性阻抗，g代表桥体120和信号线110a之间的距离，Δ代表由外部电磁力使距离g产生的改变量。

在功率计算器150中计算的射频信号的功率根据电容检测器140所检测的电容而变化。而且，电容是由外部电磁力所确定。即，如果射频信号的功率变化，电容也由于桥体120和信号线110a之间的距离g改变而发生变化。

由于射频信号产生的电磁力的作用使桥体120发生位移Δ，此时位移Δ是由电磁力和桥体120的弹簧常数k所确定。桥体120的弹簧常数k是由厚度t、长度L、宽度w和桥体120的材料的弹性模量所确定的。

另有，电容C是根据以下公式2进行计算。 $>>C>=>>>>ϵ>0>>A>>g>>->->->>(>2>)>>>s>$ >>C>=>>>>ϵ>0>>A>>g>>->->->>(>2>)>>>s>$$

在公式2中，ε₀代表介电常数，A代表信号线110a的面积，g代表桥体120和信号线110a之间的距离。从公式2可以看出，由于射频信号所产生的电磁力作用当信号线110a和桥体120之间的距离g减小时，信号线110a和桥体120之间的电容增加。

图3是图1所示射频功率传感器的电路图。

参考图3，射频功率传感器包括的射频截止部件130，具有第一电感器L1和第二电感器L2，限制射频信号向电容检测器140的传输，以使射频信号仅通过信号线110a传输，可变电容器C指示出根据射频信号功率的变化在信号线110a和桥体120之间电容的大小，电荷泵(charge pump)160包括电阻器R1、电容器C1和运算放大器。

电荷泵160输出的信号由解调器(未示出)转换成频率信号。电荷泵160表明电容检测器140的电路结构检测电容的改变，即，可变电容器C的改变，来检测电容。电容检测器140所检测的电容指示出射频信号的功率。

图4A是表示射频功率与桥体和信号线的距离之间相互关系的曲线图。图4B是表示射频功率与桥体和信号线之间的电容两者的相互关系的曲线图。

如图4A和4B所示，当射频信号功率变化时，电容随信号线110a和桥体120之间的距离g的变化而改变。这就是说，如果由于外驱动力的作用信号线110a和桥体120之间的距离g的改变是已知的，可以计算信号线110a和桥体120之间的电容，因此可使用所计算的电容获得射频信号的功率。

如图2所示的实施例，虽然已对此优选实施例作了陈述，其中在半导体基底上形成的射频信号传输线路具有一对地线112a，和在两条地线112a之间的信号线110a，本发明决非局限于此优选实施例的结构，而是可以应用能够传输射频信号的信号线110a和地线112a的所有结构。而且，桥体120与地线112a连接，并形成跨越信号线110a的结构，因而可应用到整个结构中，这样由于外驱动力可以在信号线110a和地线112a之间感应预定的电容。

本发明促进了特性阻抗匹配，减少插入损耗，因为发明基于在半导体基底上形成信号线和地线以及应用MEMS技术制造，所以可用于宽频带范围。另外，因为本发明可串联布置在电路中而不需要为功率测量而附加像耦合器、衰减器和其它同类器件，而使本发明减少了能量损失，提高了功率测量精度等级。而且，根据桥体的设计可以对大功率的射频信号进行功率测量。

本发明的最佳实施例已在此披露，虽然使用了一些特定的术语，仅是为了解释和描述，而没有限制的目的。相应地，对本技术领域的技术人员应理解，在形式和细节上所作出的任何变化均没有脱离本发明的精神和范围，在以下权利要求书中定义发明的精神及范围。