CN107579747A - 一种面向物联网多余能量收集的固支梁微波接收机前端 - Google Patents
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Abstract
本发明的面向物联网多余能量收集的固支梁微波接收机前端包括微波滤波器、充电电池、直流电源、自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器。本接收机使用微波天线接收微波信号，接收到的信号接入微波滤波器进行滤波，而后信号进入自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器，多余能量被收集于电池之中，并实现恒幅输出。自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器输出的恒定功率信号进入低噪声放大器并被放大后，依次进入带有本地振荡器的混频器、中频滤波器实现中频输出。储存能量的电池与直流电源并联后，分别为低噪声放大器、混频器和本地振荡器供电。本发明不仅实现了接收信号功能，而且能够收集多余能量，保护了低噪声放大器，提高了系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明提出了一种面向物联网多余能量收集的固支梁微波接收机前端，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。
背景技术
当前，世界各个国家对物联网技术的开发和应用已经取得了实质性突破，物联网技术广泛应用于生产、生活领域。相对而言，作为物联网核心组件之一的微波接收前端仍然是一个技术难题。比如采用AGC(自动增益控制)技术的结构，由电路的输出信号的闭环负反馈进行低噪声放大器的增益控制，电路结构复杂；当微波天线突发性接收到超大的信号时，内部器件容易烧毁；同时，系统功耗较大。这些弊端严重限制了接收机前端的使用及物联网的发展。近年来，随着MEMS技术的快速发展，使得面向物联网多余能量收集的固支梁微波接收机前端具有实现的可能。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种面向物联网多余能量收集的固支梁微波接收机前端。接收机前端使用微波天线接收信号，接入微波滤波器进行滤波，滤波后的信号进入自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器，再次收集多余能量，并通过自检测实现输出信号恒定，同时无需改变后端低噪声放大器的直流偏置点，使得低噪声放大器中不再需要复杂的AGC模块，提高了低噪声放大器的线性度，在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。自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器输出恒定的微波信号进入低噪声放大器放大后，依次进入混频器、中频滤波器，最终实现中频输出。以上被收集的多余能量由AC/DC转换模块转换成直流电压后储存于充电电池中，充电电池与直流电源并联后与有源电路相连，实现有源电路的自供电。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出了一种面向物联网多余能量收集的固支梁微波接收机前端。该面向物联网多余能量收集的固支梁微波接收机前端包括：微波天线、微波滤波器、充电电池、自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器、低噪声放大器、混频器、本地振荡器、中频滤波器、直流电源。
微波天线，用来接收微波信号。
微波滤波器，滤除天下接收到的微波信号中的杂波。
自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器，是由4个共面波导结构、2个固支梁和4个极板所构成。主信号线的输入端与地线构成CPW，并作为信号输入端，第一固支梁跨接在CPW(共面波导)的第一地线和第二地线上，并与信号线间悬空形成固支梁结构，第一固支梁下方有第一下拉极板和第二下拉极板，第一下拉极板和第二下拉极板与第一固支梁形成电容；主信号线中部，第二固支梁与锚区形成固支梁悬于信号线上方形成耦合电容，第一锚区和第二锚区与地线分别构成两个支路的CPW，第二固支梁下方也有两个下拉极板，第二锚区与地线构成的CPW接AC/DC转换模块；主信号线的输出端与地线也构成CPW，作为信号输出端。自检测部分，信号从主信号线的输入端与地线构成CPW端输入，微波信号会对第一固支梁产生静电力作用，使得第一固支梁发生位移，从而第一固支梁与下方两个极板间的电容发生改变。静电力的大小与微波信号功率相关，可以通过测量极板与第一固支梁间的电容大小推算出微波信号的功率大小，从而实现自检测的功能。在实现信号功率的自检测后，信号经过第二固支梁时会有部分能量被第二固支梁耦合到支路，并经第二锚区与地线构成的支路CPW，最终与AC/DC转换模块相连。根据所检测的输入信号的功率大小，可在第二固支梁下方的下拉极板上加相应的直流电压，使得固支梁被下拉到适当的位置，从而改变第二固支梁与信号线间的电容大小，继而改变被耦合到支路部分能量的大小，最终实现主信号线输出恒幅输出。自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器把输入的微波信号处理成固定幅度的信号输出，有效的保护了后级电路，同时无需改变后端低噪声放大器的直流偏置点，使得低噪声放大器中不再需要复杂的AGC模块，提高了低噪声放大器的线性度。
低噪声放大器，放大自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器输出的稳定的微波信号，并接入混频器。
混频器，通过与本地振荡器混频，将微波信号下变换为中频微波信号。
本地振荡器，产生本地振荡信号。
中频滤波器，滤波后输出中频信号。
充电电池，将AC/DC转换模块得到的直流电压能量储存在电池之中，同时与直流电源并联，给有源电路实现自供电。
本发明具有如下有益效果：1.本发明的面向物联网多余能量收集的固支梁微波接收机前端包含自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器。所述的恒幅器只需要在外加直流电压驱动下，控制固支梁对不同输入功率信号的耦合程度，即可保证输出恒定幅度的信号，同时耦合的信号被AC/DC模块转换为直流电压，最终存储在充电电池中。当微波天线接收到超大的信号时，自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器把输入的微波信号处理成固定幅度的信号输出，有效的保护了后级低噪声放大器电路，提高了微波接收机前端的抗烧毁水平，此外，无需改变后端低噪声放大器的直流偏置点，使得低噪声放大器中不再需要复杂的AGC模块，提高了低噪声放大器的线性度。
2.充电电池与直流电源并联，给有源电路实现自供电。
附图说明
图1为本发明的面向物联网多余能量收集的固支梁微波接收机前端的原理框图。
图2为自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器的俯视图。
图3为自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器AA’方向的剖面图。
图4为自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器BB’方向的剖面图。
面向物联网多余能量收集的固支梁微波接收机前端的原理框图中包括：微波天线1，微波滤波器2，充电电池3，自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器4，低噪声放大器5，混频器6，本地振荡器7，中频滤波器8，中频输出9，直流电源21。自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器4由主信号线10，第一地线11-1，第二地线11-2，第三地线11-3，第四地线11-4，第一固支梁12，第一电容极板13-1，第二电容极板13-2，第二固支梁14，第一锚区15-1，第二锚区15-2，第一下拉极板16-1，第二下拉极板16-2，第一Si3N4介质层17-1，第二Si3N4介质层17-2，SiO2层18，Si衬底19和AC/DC转换模块20构成。
具体实施方式
本发明的面向物联网多余能量收集的固支梁微波接收机前端的具体实施方案如下：
本发明提出面向物联网多余能量收集的固支梁微波接收机前端包括：微波天线1，微波滤波器2，充电电池3，自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器4，低噪声放大器5，混频器6，本地振荡器7，中频滤波器8，中频输出9，直流电源21。自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器4由主信号线10，第一地线11-1，第二地线11-2，第三地线11-3，第四地线11-4，第一固支梁12，第一电容极板13-1，第二电容极板13-2，第二固支梁14，第一锚区15-1，第二锚区15-2，第一下拉极板16-1，第二下拉极板16-2，第一Si3N4介质层17-1，第二Si3N4介质层17-2，SiO2层18，Si衬底19和AC/DC转换模块20构成。
如图1所示，微波天线1接收到微波信号，该信号经过微波滤波器2后，实现滤波，而后信号到达下一级的自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器4，自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器4通过测量固支梁与极板之间电容大小实现信号功率大小的检测，并通过耦合梁耦合不同比例的输入信号，使得输出微波信号的功率恒定。恒定功率的微波信号接入固定增益的低噪声放大器5，而后被放大的微波信号经过混频器6，使该微波信号变频到中频，在经中频滤波器8滤波后，便可得到可以处理的中频信号9。自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器4的AC/DC转换模块连接充电电池3，充电电池3与直流电源21并联后，共同为低噪声放大器5，混频器6和本地振荡器7提供能量。
图2、图3和图4是自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器的示意图，自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器是基于Si衬底19制作的，信号从信号线10的10-1端输入，信号线10的10-1端和地线11-1、11-2构成CPW，第一固支梁12横跨在此CPW的地线11-1和11-2上，第一电容极板13-1位于信号线10和第一地线11-1之间第一固支梁12的正下方，第二电容极板13-2位于信号线10和第二地线11-2之间第一固支梁12的正下方，这一对极板关于信号线对称，在第一固支梁12正下方的信号线上和电容极板上还覆盖着一层第一Si3N4介质层17-1，第二固支梁14悬于信号线10上方与锚区15-1和15-2相连构成固支梁结构，第一下拉极板16-1位于信号线10和第一锚区15-1之间第二固支梁14的正下方，第二下拉极板16-2位于信号线10和第二锚区15-2之间第二固支梁14的正下方，两个下拉极板关于信号线10对称，而在下拉极板16-1、16-2以及第二固支梁14正下方的信号线上还覆盖着一层第二Si3N4介质层17-2，第一锚区15-1和第二锚区15-2与地线均构成CPW，锚区15-2接AC/DC转换模块20，信号线10的10-2端与地线11-3、11-4构成CPW，并作为输出端。
本发明的不同之处在于：
本发明的面向物联网多余能量收集的固支梁微波接收机前端包含自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器。自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器采用了CPW传输线和固支梁结构。自检测部分，利用固支梁12与极板构成电容，由于输入信号对固支梁的静电力作用使得梁产生下拉位移，通过测梁与极板间电容大小实现输入信号功率大小的检测，对输入信号损耗低；完成信号检测后，在外加直流电压控制下，使固支梁14产生下拉位移，从而改变固支梁14与信号线间的耦合电容，对于不同功率的输入信号将被固支梁以不同比例耦合出去，以保证信号的恒幅输出，同时，耦合出的能量被AC/DC转换模块收集起来，并储存在电池中；当微波天线接收到超大的信号时，恒幅器把输入的微波信号处理成固定幅度的信号输出，有效的保护了后级低噪声放大器电路，提高了微波接收机前端的抗烧毁水平，此外，无需改变后端低噪声放大器的直流偏置点，使得低噪声放大器中不再需要复杂的AGC模块，提高了低噪声放大器的线性度。
本发明的面向物联网多余能量收集的固支梁微波接收机前端包含充电电池3。充电电池3与直流电源21并联后，为低噪声放大器5，混频器6，本地振荡器7供电，实现有源电路的自供电。
满足以上条件的结构即可视为本发明的面向物联网多余能量收集的固支梁微波接收机前端。
Claims (2)
1.一种面向物联网多余能量收集的固支梁微波接收机前端，其特征在于，该面向物联网多余能量收集的固支梁微波接收机前端是由微波天线(1)、微波滤波器(2)、充电电池(3)、直流电源(21)、自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器(4)、低噪声放大器(5)、混频器(6)、本地振荡器(7)、中频滤波器(8)和中频输出(9)构成；具体结构的连接关系如下：微波天线(1)连接到微波滤波器(2)的输入端，微波滤波器(2)输出端与自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器(4)的输入端相连接，自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器(4)的输出与低噪声放大器(5)的输入相连接，低噪声放大器(5)的输出后级依次连接具有本地振荡器的(7)的混频器(6)、中频滤波器(8)，最后得到微波接收机后端可处理的相对稳定的中频信号(9)；自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器(4)的另外一个输出端口连接充电电池(3)，充电电池(3)与直流电源(21)并联后，为低噪声放大器(5)，混频器(6)和本地振荡器(7)提供能量并实现自供电；所述的自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器(4)收集了多余能量并储存于充电电池(3)中，有效的保护了后级的低噪声放大器(5)，使得低噪声放大器(5)中不再需要复杂的AGC模块，提高了低噪声放大器(5)的线性度。
2.根据权利要求1所述的面向物联网多余能量收集的固支梁微波接收机前端，其特征在于面向物联网多余能量收集的固支梁微波接收机前端具有自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器(4)；其特征在于，所述的自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器(4)是基于Si衬底(19)制作的，是由信号线(10)、第一地线(11-1)、第二地线(11-2)、第三地线(11-3)、第四地线(11-4)、第一固支梁(12)、第一电容极板(13-1)、第二电容极板(13-2)、第二固支梁(14)、第一锚区(15-1)、第二锚区(15-2)、第一下拉极板(16-1)、第二下拉极板(16-2)和AC/DC转换模块(20)构成；信号从信号线(10)的输入端(10-1)输入，信号线(10)的输入端(10-1)和第一地线(11-1)、第二地线(11-2)构成CPW，第一固支梁(12)横跨在此CPW的第一地线(11-1)和第二地线(11-2)上，第一电容极板(13-1)位于信号线(10)和第一地线(11-1)之间第一固支梁(12)的正下方，第二电容极板(13-2)位于信号线(10)和第二地线(11-2)之间第一固支梁(12)的正下方，这一对极板关于信号线对称，在第一固支梁(12)正下方的信号线(10)上和第一电容极板(13-1)、第二电容极板(13-2)上还覆盖着一层第一Si3N4介质层(17-1)，第二固支梁(14)悬于信号线(10)上方与第一锚区(15-1)和第二锚区(15-2)相连构成固支梁结构，第一下拉极板(16-1)位于信号线(10)和第一锚区(15-1)之间第二固支梁(14)的正下方，第二下拉极板(16-2)位于信号线(10)和第二锚区(15-2)之间第二固支梁(14)的正下方，两个下拉极板关于信号线(10)对称，而在第一下拉极板(16-1)、第二下拉极板(16-2)以及第二固支梁(14)正下方的信号线上还覆盖着一层第二Si3N4介质层(17-2)，第一锚区(15-1)和第二锚区(15-2)与地线均构成CPW，第二锚区(15-2)接AC/DC转换模块(20)，信号线(10)的输出端(10-2)与第三地线(11-3)、第四地线(11-4)构成CPW，并作为输出端；当微波天线接收到超大的信号时，自检测的多余能量收集的固支梁恒幅器(4)把输入的微波信号处理成固定幅度的信号输出，有效的保护了后级低噪声放大器(5)，提高了微波接收机前端的抗烧毁水平，此外，无需改变后级低噪声放大器(5)的直流偏置点，使得低噪声放大器(5)中不再需要复杂的AGC模块，提高了低噪声放大器(5)的线性度，同时，耦合出的能量被AC/DC转换模块(20)收集起来，并储存在电池中。
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