CN102176679B

CN102176679B - 基于微电子机械微波功率传感器可重构的微波接收机前端

Info

Publication number: CN102176679B
Application number: CN 201110002997
Authority: CN
Inventors: 廖小平; 张志强
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-01-07
Filing date: 2011-01-07
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2031-01-07
Also published as: CN102176679A

Abstract

本发明的基于微电子机械微波功率传感器可重构的微波接收机前端采用在线式MEMS微波功率传感器的自检测功能将部分被MEMS膜桥耦合的微波功率转换为直流电平，该直流电平在线控制可衰减和可放大预处理器，在MEMS微波天线接收到过大或过小的微波信号时使该前端的输出保持稳定，同时在MEMS微波天线突发性接收到超大的微波信号时起到保护低噪声放大器的作用，避免其过载；此外，通过MEMS微波天线和MEMS可调滤波器实现了单个微波接收机前端可工作在多个频带内；从而代替了传统的单个微波接收机前端采用较复杂的AGC模块实现上述功能和克服了单一工作模式的不足；该前端基于MEMS技术，因此具有较低损耗和较小体积等特点。

Description

基于微电子机械微波功率传感器可重构的微波接收机前端

技术领域

本发明提出了基于微电子机械微波功率传感器可重构的微波接收机前端，属于微电子机械系统（MEMS）的技术领域。

背景技术

当今，无线通信系统的低功耗、小型化和轻型化等要求，促使微波接收机前端逐步向更高层次集成。然而，传统的微波接收机前端在无线通信系统中具有单一的工作模式，而且较大的体积和质量、较多的功率损耗，已成为系统小型化与便携化的主要瓶颈。目前，可重构网络具有很大的商业和军事价值，它能使单个微波接收机前端实现多个频带的工作模式，并极大地减小了多频带应用中的微波接收机前端的尺寸。它主要包括可重构的MEMS微波天线和MEMS可调滤波器等。

在无线通信系统中，自动增益控制（AGC）是微波接收机前端最为重要的一部分。一般来说，AGC在微波接收机前端中的基本功能是当天线接收到过大或过小的微波信号，通过闭环反馈的方式控制低噪声放大器的增益使输出信号的电平保持相对稳定。然而，采用传统的AGC技术的微波接收机前端具有很多的不足，如有限的线性动态范围、较大损耗，而且，是由电路的输出信号的内闭环负反馈进行增益控制，外闭环负反馈以避免信号过载，实现起来较为复杂。近年来，随着MEMS技术的快速发展，并对可重构的MEMS微波天线、MEMS可调滤波器和MEMS微波功率传感器进行了深入的研究，使基于MEMS技术实现上述功能的可重构的微波接收机前端成为可能。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于微电子机械微波功率传感器可重构的微波接收机前端，通过在线式MEMS微波功率传感器的自检测，将部分被监测的功率值转换为直流电平，该直流电平在线控制可衰减和可放大预处理器以保持低噪声放大器的输入端的信号电平稳定，再经增益固定的低噪声放大器放大后，可保证该微波接收机前端的输出保持稳定；另一方面，在MEMS微波天线突发性接收到超大的微波信号时，能有效地起到保护低噪声放大器的作用，避免其过载；此外，利用MEMS微波天线和MEMS可调滤波器可实现单个微波接收机前端工作频率和功率，以及微波天线的方向图和输入阻抗的重构，使得单个微波接收机前端可工作在多个频带内；因此，基于微电子机械微波功率传感器可重构的微波接收机前端扩大了微波接收机的线性动态范围，实现了多工作频带的调谐，并具有较低的损耗和较小的体积。

技术方案：本发明的基于微电子机械微波功率传感器可重构的微波接收机前端，包括8个模块：MEMS微波天线、MEMS可调微波滤波器、在线式MEMS微波功率传感器、可衰减和可放大预处理器、低噪声放大器、混频器、本地振荡器和MEMS可调中频滤波器。

当MEMS微波天线接收到微波信号，该微波信号经MEMS可调微波滤波器的选频，再通过在线式MEMS微波功率传感器的自检测，在线控制可衰减和可放大预处理器，使得输出相对稳定的微波信号流经固定增益的低噪声放大器，而后被放大的微波信号经混频，使该微波信号下变频到中频，再经MEMS可调中频滤波器选频后，接收机后端便可得到可处理的中频信号。

MEMS微波天线可通过利用其中MEMS可动结构实现该微波天线的变形，从而实现微波天线的方向图和输入阻抗的重构。MEMS可调滤波器可通过被接入滤波网络的电容的改变从而实现该滤波器的中心频率的可重构。

在线式MEMS微波功率传感器以其优越的微波特性和小体积在微波集成电路中实现了在线监测、增益控制和电路保护。它通过MEMS膜桥按一定比例把微波滤波器输出的微波信号功率耦合出一部分，绝大部分的微波信号直接输出到可衰减和可放大预处理器；被耦合出来的微波功率被相应的终端电阻吸收而转化为热量，靠近该终端电阻的热电堆吸收到这种热量，引起热电堆的冷热两端存在温差，根据Seebeck效应，从而在热电堆上产生直流电平的输出，实现微波信号的自检测。

本发明的基于微电子机械微波功率传感器可重构的微波接收机前端利用在线式MEMS微波功率传感器的自检测功能将部分被MEMS膜桥耦合的微波功率转换为直流电平，该直流电平在线控制可衰减和可放大预处理器，在MEMS微波天线接收到过大或过小的微波信号时通过直流电平在线控制可衰减和可放大预处理器使其适当地降低或提高微波信号的输出幅度以保持低噪声放大器的输入端的信号电平稳定，再经增益固定的低噪声放大器放大后，可保证该微波接收机前端的输出保持稳定；另一方面，在MEMS微波天线突发性接收到超大的微波信号时，通过直流电平在线控制可衰减和可放大预处理器使其较大地降低微波信号的幅度，起到保护低噪声放大器的作用，避免其过载；此外，通过MEMS微波天线和MEMS可调滤波器可实现单个微波接收机前端工作频率和功率，以及微波天线的方向图和输入阻抗的重构，从而使该单个微波接收机前端利用可重构的功能可工作在多个频带内；因此，基于微电子机械微波功率传感器可重构的微波接收机前端在保证低噪声放大器的增益不变的前提下通过在线式MEMS微波功率传感器的自检测功能，在线控制可衰减和可放大预处理器实现信号相对稳定的输出，代替了传统的微波接收机前端通过AGC控制低噪声放大器的增益变化实现信号相对稳定的输出，从而扩大了微波接收机前端的线性动态范围，实现了多工作频带的调谐，并具有较低的损耗和较小的体积。

有益效果：与传统的AGC微波接收机前端相比较，本发明的基于微电子机械微波功率传感器可重构的微波接收机前端具有以下显著的优点：

1.该发明利用在线式MEMS微波功率传感器的自检测功能在线控制可衰减和可放大预处理器，它代替了传统的微波接收机前端由复杂的AGC模块控制低噪声放大器的增益变化，从而很简单地实现了可重构的微波接收机前端的相对稳定的输出，并且扩大了可重构的微波接收机前端的线性动态范围。

2.该发明不需额外的避免过载电路，可直接通过在线式MEMS微波功率传感器监测MEMS微波天线突发性接收到超大的信号来控制可衰减和可放大预处理模块，实现避免其过载，起到保护低噪声放大器的作用。

3.该发明通过利用MEMS微波天线和MEMS可调滤波器，代替了传统微波接收接前端单个频带的工作模式，从而实现了单个微波接收机前端可工作在多个频带内。

附图说明

图1是基于微电子机械微波功率传感器可重构的微波接收机前端的原理框图。

图2是在线式微电子机械微波功率传感器的A-A和B-B剖面图。

图中包括：MEMS微波天线1，MEMS可调微波滤波器2，在线式MEMS微波功率传感器3，可衰减和可放大预处理器4，低噪声放大器5，混频器6，本地振荡器7，MEMS可调中频滤波器8，中频输出9；其中在线式MEMS微波功率传感器3还包括：共面波导传输线（CPW）3-1，MEMS膜桥3-2，绝缘介质层3-3，终端电阻3-4，热电堆3-5，直流输出3-6，MEMS微波功率传感器的衬底3-7。

具体实施方案

本发明的基于微电子机械微波功率传感器可重构的微波接收机前端的具体实施方案如下：

基于微电子机械微波功率传感器可重构的微波接收机前端包括8个模块：MEMS微波天线1、MEMS可调微波滤波器2、在线式MEMS微波功率传感器3、可衰减和可放大预处理器4、低噪声放大器5、混频器6、本地振荡器7和MEMS可调中频滤波器8。当MEMS微波天线1接收到微波信号，该微波信号经MEMS可调微波滤波器2选频，再通过在线式MEMS微波功率传感器3的自检测，在线控制可衰减和可放大预处理4，使得输出相对稳定的微波信号流经固定增益的低噪声放大器5，而后被放大的微波信号经混频6，使该微波信号下变频到中频，再经MEMS可调中频滤波器8选频后，接收机后端便可得到可处理的中频信号9。

MEMS微波天线1可通过利用其中MEMS可动结构实现该微波天线的变形，从而实现微波天线的方向图和输入阻抗的重构。MEMS可调滤波器可通过被接入滤波网络的电容的改变从而实现该滤波器的中心频率的可重构。

在线式MEMS微波功率传感器3以其优越的微波特性和小体积在微波集成电路中实现了在线监测、增益控制和电路保护。它通过MEMS膜桥3-2按一定比例把MEMS可调微波滤波器2输出的微波信号功率耦合出一部分，绝大部分的微波信号直接输出到可衰减和可放大预处理器4；被耦合出来的微波功率被相应的终端电阻3-4吸收而转为热量，靠近该终端电阻的热电堆3-5吸收到这种热量，引起热电堆3-5的冷热两端存在温差，根据Seebeck效应，从而在热电堆3-5上产生直流电平的输出3-6，实现微波信号的自检测。

本发明的基于微电子机械微波功率传感器可重构的微波接收机前端利用在线式MEMS微波功率传感器3的自检测功能将部分被MEMS膜桥3-2耦合的微波功率转换为直流电平3-6，该直流电平3-6在线控制可衰减和可放大预处理器4，当MEMS微波天线1接收到过大或过小的微波信号时通过直流电平3-6在线控制可衰减和可放大预处理器4使其适当地降低或提高微波信号的输出幅度，以保持低噪声放大器5的输入端的信号电平稳定，再经增益固定的低噪声放大器5放大后，可保证该可重构的微波接收机前端的输出保持稳定；另一方面，当MEMS微波天线1突发性接收到超大的微波信号时，通过直流电平3-6在线控制可衰减和可放大预处理器4使其较大地降低微波信号的输出幅度，起到保护低噪声放大器5的作用，避免其过载；此外，通过MEMS微波天线1和MEMS可调滤波器可实现单个微波接收机前端工作频率和功率，以及微波天线的方向图和输入阻抗的重构，从而使该单个微波接收机前端利用可重构的功能可工作在多个频带内；因此，基于微电子机械微波功率传感器可重构的微波接收机前端在保证低噪声放大器5的增益不变的前提下通过在线式MEMS微波功率传感器3的自检测功能，在线控制可衰减和可放大预处理器4实现信号相对稳定的输出，代替了传统的微波接收机前端通过AGC控制低噪声放大器5的增益变化实现信号相对稳定的输出，从而扩大了该微波接收机前端的线性动态范围，实现了多工作频带的调谐，并具有较低的损耗和较小的体积。

区分是否为该结构的标准如下：

本发明的基于微电子机械微波功率传感器可重构的微波接收机前端采用在线式MEMS微波功率传感器的自检测功能将部分被MEMS膜桥耦合的微波功率转换为直流电平，该直流电平在线控制可衰减和可放大预处理器，在MEMS微波天线接收到过大或过小的微波信号时通过直流电平在线控制可衰减和可放大预处理器使其适当地降低或提高微波信号的输出幅度，使该微波接收机前端的输出保持相对稳定，同时在MEMS微波天线突发性接收到超大的微波信号时通过直流电平在线控制可衰减和可放大预处理器使其较大地降低微波信号的输出幅度，起到保护低噪声放大器的作用，避免其过载；此外，通过MEMS微波天线1和MEMS可调滤波器可实现单个微波接收机前端工作频率和功率，以及微波天线的方向图和输入阻抗的重构，从而使该单个微波接收机前端利用可重构的功能可工作在多个频带内；从而代替了传统的单个微波接收机前端中采用较复杂的AGC模块实现上述功能和克服了其具有单一工作模式的不足。

满足以上条件的结构即视为本发明的基于微电子机械微波功率传感器可重构的微波接收机前端。

Claims

1.一种基于微电子机械微波功率传感器可重构的微波接收机前端，其特征在于该微波接收机前端包括微电子机械系统（MEMS）微波天线（1）、微电子机械系统（MEMS）可调微波滤波器（2）、在线式微电子机械系统（MEMS）微波功率传感器（3）、可衰减和可放大预处理器（4）、低噪声放大器（5）、混频器（6）、本地振荡器（7）、微电子机械系统（MEMS）可调中频滤波器（8）以及中频输出（9），微电子机械系统（MEMS）微波天线（1）连接到微电子机械系统（MEMS）可调微波滤波器（2）的输入端，微电子机械系统（MEMS）可调微波滤波器（2）的输出端与在线式微电子机械系统（MEMS）微波功率传感器（3）的微波输入端相连接，该在线式微电子机械系统（MEMS）微波功率传感器（3）的微波输出端和直流电平（3-6）输出端分别连接到可衰减和可放大预处理器（4）的输入端和控制端，可衰减和可放大预处理器（4）后面依次接低噪声放大器（5）、具有本地振荡器（7）的混频器（6）和微电子机械系统（MEMS）可调中频滤波器（8），最后实现微波接收机后端可处理的相对稳定的中频信号（9）。

2.根据权利要求1所述的基于微电子机械微波功率传感器可重构的微波接收机前端，其特征在于在线式微电子机械系统（MEMS）微波功率传感器（3）具有一个微电子机械系统（MEMS）膜桥（3-2），它横跨在由信号线和地线构成的共面波导（CPW）（3-1）上，在微电子机械系统（MEMS）膜桥（3-2）的下方覆盖绝缘介质层（3-3），微电子机械系统（MEMS）膜桥（3-2）的两端与耦合分支上另外两条共面波导（CPW）（3-1）的信号线相连接，这两条共面波导（CPW）(3-1)的另一端分别与终端电阻(3-4)相连接，两组热电堆(3-5)分别靠近但不与终端电阻(3-4)连接，这两组热电堆(3-5)串联输出的直流电平(3-6)连接到可衰减和可放大预处理器(4)的控制端。