面向物联网自供电的微波接收机前端的制作方法

本发明提出了一种面向物联网自供电的微波接收机前端，属于微电子机械系统(mems)的技术领域。

背景技术：

微波接收机前端，一般包括微波天线、微波滤波器、低噪声放大器、混频器、本地振荡器和中频滤波器。近年来，物联网发展迅猛，对整个国家的经济社会发展和信息化水平提升有着重要的意义。作为物联网的核心技术之一，传统的微波接收机前端具有的一些缺陷限制了其在物联网中的应用，比如内部滤波器的通带中心频率不可调，在滤波器频段外的微波信号会形成驻波，造成很强的电磁干扰；使用agc技术控制低噪声放大器的增益使输出信号稳定的控制方式，在天线接收的信号突然变大时，容易造成内部器件烧毁，可靠性不高；此外，部分本地振荡信号经混频器件泄漏到低噪声放大器，继而被阻挡产生反射波，此反射波再次与本地振荡信号混频，则会在混频器的输出端产生直流信号，不仅会引起直流失调，还会增加直流功耗。近年来，随着mems技术的快速发展，并对mems能量收集技术和mems滤波器技术进行了深入的研究，使得面向物联网自供电的微波接收机前端具有实现的可能。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提供一种面向物联网自供电的微波接收机前端。接收机使用微波天线接收信号，接入基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器进行滤波，同时达到驻波能量收集，减少驻波电磁干扰的目的。滤波后的信号进入自检测的多余能量收集的悬臂梁恒幅器，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悬臂梁恒幅器输出恒定的微波信号进入低噪声放大器放大，被放大的微波信号进入振荡信号泄漏能量收集的悬臂梁混频器，在实现传统混频的同时，消除了本地振荡信号自混频产生的直流失调，并收集混频结构泄漏的本地振荡信号的能量，混频后的信号接中频滤波器，最终实现中频输出。以上被收集的三种能量同时由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自供电的微波接收机前端。该面向物联网自供电的微波接收机前端包括:微波天线、基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器、充电电池、自检测的多余能量收集的悬臂梁恒幅器、低噪声放大器、振荡信号泄漏能量收集的悬臂梁混频器、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。

基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器，是由lc可调带通滤波器、第一lc可调带阻滤波器、第二lc可调带阻滤波器、第一ac/dc转换模块、第二ac/dc转换模块、微波信号输入端口和微波信号输出端口构成。其中第一lc可调带阻滤波器和第二lc可调带阻滤波器结构完全一样，其阻带的频域与lc带通滤波器通带的频域相同，形成互补，第一lc可调带阻滤波器和第二lc可调带阻滤波器的通带频域与驻波信号的频域相同，可以收集lc可调带通滤波器两端的驻波能量，并且能够实现滤波器滤波频段可调。

充电电池将第一ac/dc转换模块、第二ac/dc转换模块、第三ac/dc转换模块、第四ac/dc转换模块和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。

自检测的多余能量收集的悬臂梁恒幅器，是由4个共面波导结构、2个悬臂梁和4个极板所构成。主信号线的输入端与地线构成cpw作为信号输入端，第一对悬臂梁分别跨在cpw的两个地线上与信号线间悬空，cpw的信号线和地线之间有两个极板分别位于两个第一悬臂梁下面，形成电容式传感器结构；主信号线中部，第二对悬臂梁分别与第一锚区和第二锚区形成悬臂梁悬于信号线上方，形成耦合电容结构，第二悬臂梁的第一锚区和第二锚区与地线构成两个支路的传输线cpw，两个锚区分别作为耦合支路的信号线，第二悬臂梁下方锚区和主信号线之间分别有两个下拉极板，第一锚区和第二锚区与地线构成的cpw分别接第三ac/dc转换模块和第四ac/dc转换模块，收集多余的微波能量；主信号线的输出端与地线构成cpw作为信号输出端。自检测的多余能量收集的悬臂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悬臂梁恒幅器输出的稳定的微波信号，并接入振荡信号泄漏能量收集的悬臂梁混频器。

振荡信号泄漏能量收集的悬臂梁混频器，是由带通滤波器、ac/dc转换模块和混频结构所构成。混频结构为三端口网络，分别连接信号输入端口、本地振荡器和混频信号输出端口，带通滤波器的输入端与混频结构的输入端相连接，本地振荡器与混频结构的本地振荡信号输入端口相连，带通滤波器的输出端接ac/dc转换模块，ac/dc转换模块与充电电池相连实现能量收集。其中带通滤波器的中心频率与本地振荡信号的频率相同，可以收集由本地振荡信号经混频结构泄漏的能量，解决了泄漏的本地振荡信号自混频的问题，并收集了由本地振荡信号经混频结构泄漏的能量；而输入信号属于带通滤波器的阻带频域，其频率处于带通滤波器的通带以外，不会通过带通滤波器，直接进入混频结构。

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。

有益效果:本发明相对于现有的微波接收机具有以下优点：

1.本发明的面向物联网自供电的微波接收机前端中包含基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器。所述的滤波器只需要简单的控制电容式悬臂梁的下拉驱动电压的大小，就可以调节滤波器的滤波，不仅操作简单，而且效果明显。此外，本发明中的两个结构完全一样的lc可调带阻滤波器阻带的频域与lc带通滤波器通带的频域相同，形成互补，lc可调带通滤波器的通带频段外的微波信号在其两端形成驻波，第一lc可调带阻滤波器和第二lc可调带阻滤波器的通带频段与驻波信号频段相同，可以收集lc可调带通滤波器两端的驻波，并利用ac/dc转换模块转换成直流电压，最终存储在充电电池中，在滤波的同时，也改善了电路的电磁兼容环境；

2.本发明的面向物联网自供电的微波接收机前端包含自检测的多余能量收集的悬臂梁恒幅器。所述的恒幅器只需要在外加直流电压驱动下，控制悬臂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，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；

3.本发明的面向物联网自供电的微波接收机前端包含振荡信号泄漏能量收集的悬臂梁混频器。所述的混频器在传统的混频结构前加了带通滤波器，带通滤波器的中心频率与本地振荡信号的频率相同，可以将由本地振荡信号经过混频结构泄漏的能量吸收，可以将由本地振荡信号经过混频结构泄漏的能量吸收，解决了泄漏的本地振荡信号自混频的问题，而输入信号属于带通滤波器的阻带频域，其频率处于带通滤波器的通带以外，不会通过带通滤波器，直接进入混频结构，此设计使得泄漏的能量被收集起来，最终储存在充电电池中，降低了直流功耗；

4.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自供电的微波接收机前端的原理框图。

图2是基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器的结构框图。

图3是lc可调带通滤波器和带通滤波器33的原理图。

图4是第一lc可调带阻滤波器和第二lc可调带阻滤波器11的原理图。

图5是lc可调带通滤波器、第一lc可调带阻滤波器和第二lc可调带阻滤波器中的电容式悬臂梁的俯视图。

图6是lc可调带通滤波器、第一lc可调带阻滤波器和第二lc可调带阻滤波器中的电容式悬臂梁的bb’面剖面图。

图7是自检测的多余能量收集的悬臂梁恒幅器的俯视图。

图8是自检测的多余能量收集的悬臂梁恒幅器aa’方向的剖面图。

图9是自检测的多余能量收集的悬臂梁恒幅器bb’方向的剖面图。

图10是振荡信号泄漏能量收集的悬臂梁混频器的结构图。

面向物联网自供电的微波接收机前端的原理框图中包括：微波天线1，基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器2，充电电池3，自检测的多余能量收集的悬臂梁恒幅器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32；基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器2由lc可调带通滤波器，第一lc可调带阻滤波器10，第二lc可调带阻滤波器11，第一ac/dc转换模块12-1，第二ac/dc转换模块12-2，微波信号输入端口，微波信号输出端口，lc可调带通滤波器、带通滤波器33和lc可调带阻滤波器均由平面电感和电容式悬臂梁构成；电容式悬臂梁由硅衬底20、下拉电极13、第一段传输线15、第二段传输线14、第二氮化硅介质层16、第一氮化硅介质层17、锚区18和悬臂梁19构成；自检测的多余能量收集的悬臂梁恒幅器4由主信号线21，第一地线22-1，第二地线22-2，第三地线22-3，第四地线22-4，第一悬臂梁23，第一电容极板24-1，第二电容极板24-2，第二悬臂梁25，第一锚区26-1，第二锚区26-2，第一下拉极板27-1，第二下拉极板27-2，si3n4介质层28-1，si3n4介质层28-2，sio2层29，硅衬底30，第三ac/dc转换模块31-1和第四ac/dc转换模块31-2构成；振荡信号泄漏能量收集的悬臂梁混频器6由信号输入端口36，混频信号输出端口37，带通滤波器33，ac/dc转换模块34，混频结构38和本地振荡信号输入端口35构成。

具体实施方式

本发明的面向物联网自供电的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自供电的微波接收机前端包括：微波天线1，基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器2，充电电池3，自检测的多余能量收集的悬臂梁恒幅器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32。基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器2由lc可调带通滤波器，第一lc可调带阻滤波器10，第二lc可调带阻滤波器11，第一ac/dc转换模块12-1，第二ac/dc转换模块12-2，微波信号输入端口，微波信号输出端口，lc可调带通滤波器、带通滤波器33和lc可调带阻滤波器均由平面电感和电容式悬臂梁构成。电容式悬臂梁由硅衬底20、下拉电极13、第一段传输线15、第二段传输线14、第二氮化硅介质层16、第一氮化硅介质层17、锚区18和悬臂梁19构成。自检测的多余能量收集的悬臂梁恒幅器4由主信号线21，第一地线22-1，第二地线22-2，第三地线22-3，第四地线22-4，第一悬臂梁23，第一电容极板24-1，第二电容极板24-2，第二悬臂梁25，第一锚区26-1，第二锚区26-2，第一下拉极板27-1，第二下拉极板27-2，si3n4介质层28-1，si3n4介质层28-2，sio2层29，硅衬底30，第三ac/dc转换模块31-1和第四ac/dc转换模块31-2构成。振荡信号泄漏能量收集的悬臂梁混频器6由信号输入端口36，混频信号输出端口37，带通滤波器33，ac/dc转换模块34，混频结构38和本地振荡信号输入端口35构成。

如图1所示，微波天线1接收到微波信号，该信号经过基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器2后，在实现滤波的同时，带通滤波器两端形成的驻波能量会被两端的带阻滤波器的滤波器吸收。而后信号到达下一级的自检测的多余能量收集的悬臂梁恒幅器4，自检测的多余能量收集的悬臂梁恒幅器4通过测量悬臂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幅度恒定。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振荡信号泄漏能量收集的悬臂梁混频器6，除了实现传统混频结构的将输入信号下变频至中频信号的功能之外，能够收集混频结构泄漏的本地振荡信号的能量。混频后的信号经过中频滤波器8滤波后，便可得到可以处理的中频信号9。基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器2、自检测的多余能量收集的悬臂梁恒幅器4和振荡信号泄漏能量收集的悬臂梁混频器6的ac/dc转换模块分别连接充电电池3，充电电池3与直流电源32并联后，共同为低噪声放大器5，振荡信号泄漏能量收集的悬臂梁混频器6和本地振荡器7提供能量。

如图2所示，所述的基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器2包括lc可调带通滤波器、第一lc可调带阻滤波器10、第二lc可调带阻滤波器11、第一ac/dc转换模块12-1、第二ac/dc转换模块12-2、微波信号输入端口和微波信号输出端口；其中两个结构完全一样的lc可调带阻滤波器阻带的频域与lc可调带通滤波器通带的频域相同，形成互补，lc可调带通滤波器的通带频段外的微波信号在其两端形成驻波，lc可调带阻滤波器10和lc可调带阻滤波器11的通带频段与驻波信号频段相同，可以收集lc可调带通滤波器两端的驻波。

如图3所示，所述的lc可调带通滤波器和带通滤波器33均由平面电感l1、平面电感l2和电容式悬臂梁k1、电容式悬臂梁k2构成。其中电容式悬臂梁k1的一端作为微波信号输入端口，另一端连接平面电感l1，电容式悬臂梁k1的金属pad连接地，平面电感l1的另一端与平面电感l2、电容式悬臂梁k2相连，平面电感l2的另一端接地，电容式悬臂梁k1的另一端悬空，电容式悬臂梁k1的金属pad引线作为滤波器的输出端，通过控制电容式悬臂梁k1和电容式悬臂梁k2的下拉驱动电压能够调节接入的电容c1、c2的大小从而调节滤波器的通带频域。

如图4所示，所述的第一lc可调带阻滤波器10和第二lc可调带阻滤波器11由平面电感l2、平面电感l1和电容式悬臂梁k2、电容式悬臂梁k1构成。其中电容式悬臂梁k2的一端作为微波信号输入端口，另一端连接平面电感l2，电容式悬臂梁k2的金属pad连接地，平面电感l2的另一端与平面电感l1、电容式悬臂梁k1相连，平面电感l1的另一端接地，电容式悬臂梁k1的另一端悬空，电容式悬臂梁k1的金属pad引线作为滤波器的输出端，通过控制电容式悬臂梁k1和电容式悬臂梁k1的下拉驱动电压能够调节接入的电容大小从而调节滤波器的通带频域。

如图5是lc可调带通滤波器和lc可调带阻滤波器中的电容式悬臂梁的俯视图，图6是lc可调带通滤波器和lc可调带阻滤波器中的电容式悬臂梁的bb＇面剖面图。如图5、图6所示，lc可调带通滤波器和lc可调带阻滤波器中的电容式悬臂梁在硅衬底20的两端有第一段传输线15和第二段传输线14，在第一段传输线15的内侧上部有第二氮化硅介质层16，在下拉电极13上设有第一氮化硅介质层17，在第二段传输线14上有锚区18，锚区18与悬臂梁19的一端相连，悬臂梁19悬空在第一氮化硅介质层17和第二氮化硅介质层16的上方。

图7、图8和图9是自检测的多余能量收集的悬臂梁恒幅器的示意图，自检测的多余能量收集的悬臂梁恒幅器4是基于硅衬底30制作的，是由主信号线21、第一地线22-1、第二地线22-2、第三地线22-3、第四地线22-4、第一悬臂梁23、第一电容极板24-1、第二电容极板24-2、第二悬臂梁25、第一锚区26-1、第二锚区26-2、第一下拉极板27-1、第二下拉极板27-2所构成；信号从主信号线21的输入端21-1输入，主信号线21的输入端21-1和第一地线22-1、第二地线22-2构成cpw，第一悬臂梁23分别跨在cpw的第一地线22-1和第二地线22-2上，第一电容极板24-1位于主信号线21和第一地线22-1之间的第一悬臂梁23的正下方，第二电容极板24-2位于主信号线21和第二地线22-2之间的第一悬臂梁23的正下方，这一对极板关于主信号线21对称，在第一悬臂梁23正下方的信号线上和电容极板上还覆盖着一层si3n4介质层28-1；第二悬臂梁25悬于主信号线21上方分别与第一锚区26-1和第二锚区26-2相连构成悬臂梁结构，第一下拉极板27-1位于主信号线21和第一锚区26-1之间的第二悬臂梁25的正下方，第二下拉极板27-2位于主信号线21和第二锚区26-2之间的第二悬臂梁25的正下方，两个下拉极板关于主信号线21对称，而在第一下拉极板27-1、第二下拉极板27-2以及第二悬臂梁25正下方的信号线上还覆盖着一层si3n4介质层28-2，第一锚区26-1和第二锚区26-2与地线构成cpw，第一锚区26-1与地线构成的cpw作为耦合支路输出端并连接第三ac/dc转换模块31-1，第二锚区26-2与地线构成的cpw作为耦合支路输出端并连接第四ac/dc转换模块31-2，主信号线21的输出端21-2与第三地线22-3、第四地线22-4构成cpw作为输出端，信号从主信号线21的输出端21-2输出。

图10是振荡信号泄漏能量收集的悬臂梁混频器的结构图，振荡信号泄漏能量收集的悬臂梁混频器是由带通滤波器33，ac/dc转换模块34，信号输入端口36、混频信号输出端口37，和混频结构38构成，其中混频结构38为三端口网络；信号输入端口36与带通滤波器33的输入端相连后，再与混频结构38的输入端相连，带通滤波器33的输出端连接ac/dc转换模块34，混频结构38的本地振荡信号输入端口35连接本地振荡器7的输出端，最后混频结构38输出端口输出混频后的中频信号；带通滤波器33的中心频率与本地振荡信号的频率相同，可以将由本地振荡信号经过混频结构泄漏的能量吸收，解决了泄漏的本地振荡信号自混频的问题，而振荡信号泄露能量收集的混频器的输入信号属于带通滤波器33的阻带频域，其频率处于带通滤波器33的通带以外，不会通过带通滤波器33，直接进入混频结构。

本发明的面向物联网自供电的悬臂梁微波接收机前端包含基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器。基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器使用lc可调带通滤波器对微波信号进行滤波，lc可调带通滤波器滤波频段外的微波信号会在其两端形成驻波信号，第一lc可调带阻滤波器10和第二lc可调带阻滤波器11的通带频段与驻波信号频段相同，可以收集lc可调带通滤波器两端的驻波，并利用ac/dc转换模块转换成直流电压，最终存储在充电电池中，而两个结构完全一样的lc可调带阻滤波器阻带的频域与lc带通滤波器通带的频域相同，形成互补，此设计在滤波的同时，也改善了电路的电磁兼容环境。

本发明的面向物联网自供电的微波接收机前端包含自检测的多余能量收集的悬臂梁恒幅器。自检测的多余能量收集的悬臂梁恒幅器采用了cpw传输线和悬臂梁结构。自检测部分，利用第一悬臂梁23与极板构成电容，由于输入信号对第一悬臂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的检测；根据在线的电容式功率传感器所测得的功率大小，在外加直流电压控制下，使第二悬臂梁25产生下拉位移，从而改变第一悬臂梁25与信号线间的耦合电容，不同功率的输入信号被悬臂梁以不同比例耦合出去，实现了信号的恒幅输出，同时，耦合出的能量被ac/dc转换电路收集起来，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自供电的微波接收机前端包含振荡信号泄漏能量收集的悬臂梁混频器。振荡信号泄漏能量收集的悬臂梁混频器在传统的混频结构前并联了带通滤波器和ac/dc转换模块用以收集由混频结构泄漏的本地振荡信号能量。带通滤波器是由平面电感和电容式悬臂梁构成，通过简单的控制电容式悬臂梁的下拉驱动电压来调节接入滤波网络的电容的大小，从而调节滤波器的通带频域，使得输入信号不会被该滤波器滤除，而由混频结构泄漏过来的振荡信号可通过滤波器到达ac/dc转换模块，并转换为直流信号收集起来，储存于充电电池之中。

本发明的面向物联网自供电的微波接收机前端包含充电电池3。充电电池3与直流电源32并联后，为低噪声放大器5，振荡信号泄漏能量收集的悬臂梁混频器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自供电的微波接收机前端。