CN107565924A - 面向物联网驻波能量和泄漏能量收集的固支梁接收机前端 - Google Patents
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Abstract
本发明的面向物联网驻波能量和泄漏能量收集的固支梁接收机前端使用微波天线接收微波信号并接入基于固支梁的驻波能量收集可调滤波器进行滤波，同时收集驻波能量，而后信号进入低噪声放大器并被放大后，进入振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器，在实现混频的同时，收集了混频结构泄漏的本地振荡信号的能量，混频后的信号进入中频滤波器实现中频输出；以上被收集的两种能量由AC/DC转换模块转换成直流电压后储存于电池中，储存能量的电池与直流电源并联后，为有源电路供电。本发明能够收集驻波能量和泄漏能量，改善了电磁兼容环境，防止本地振荡信号自混频，降低了功耗，提高了系统的性能。
Description
技术领域
本发明提出了一种面向物联网驻波能量和泄漏能量收集的固支梁接收机前端，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。
背景技术
近年来，物联网成为国内热烈讨论和重点研究的问题之一，很多国家已经将物联网上升为国家战略的高度。作为物联网核心组件之一的接收机前端，因为诸多的缺点，被限制了应用和发展。比如微波接收机前端的收发组件具有很强的驻波电磁干扰，给电路处理带来比较麻烦；此外会有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，使得面向物联网驻波能量和泄漏能量收集的固支梁接收机前端具有实现的可能。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种面向物联网驻波能量和泄漏能量收集的固支梁接收机前端。接收机使用微波天线接收信号，接入基于固支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固支梁混频器，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。以上被收集的两种能量同时由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驻波能量和泄漏能量收集的固支梁接收机前端。该面向物联网驻波能量和泄漏能量收集的固支梁接收机前端包括:微波天线、基于固支梁的驻波能量收集可调滤波器、充电电池、低噪声放大器、振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器、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。
基于固支梁的驻波能量收集可调滤波器，是由LC可调带通滤波器、LC可调带阻滤波器10、LC可调带阻滤波器11、AC/DC转换模块一12-1、AC/DC转换模块二12-2、微波信号输入端口和微波信号输出端口构成。其中LC可调带阻滤波器10和LC可调带阻滤波器11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，LC可调带阻滤波器10和LC可调带阻滤波器11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AC/DC转换模块一12-1、AC/DC转换模块二12-2和AC/DC转换模块三19得到的直流电压能量储存在电池之中，同时与直流电源4并联，给有源电路实现自供电。
低噪声放大器，放大输入的微波信号，输出接入振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器。
振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器，是由带通滤波器18、AC/DC转换模块三19和混频结构23所构成。混频结构23为三端口网络，分别连接信号输入端口21、本地振荡信号输入端口20和混频信号输出端口22，带通滤波器18的输入端与混频结构23的输入端相连接，本地振荡器7与混频结构23的本地振荡信号输入端口20相连，带通滤波器18的输出端接AC/DC转换模块三19，AC/DC转换模块三19与充电电池相连实现能量收集。其中带通滤波器18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23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，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18的阻带频域，其频率处于带通滤波器18的通带以外，不会通过带通滤波器18，直接进入混频结构23。
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驻波能量和泄漏能量收集的固支梁接收机前端中包含基于固支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固支梁的下拉驱动电压的大小，就可以调节滤波器的滤波，操作简单。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，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，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驻波能量和泄漏能量收集的固支梁接收机前端包含振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器。所述的混频器在传统的混频结构前加了带通滤波器18，带通滤波器18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，而输入信号属于带通滤波器18的阻带频域，其频率处于带通滤波器18的通带以外，不会通过带通滤波器18，直接进入混频结构23，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；
3.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驻波能量和泄漏能量收集的固支梁接收机前端的原理框图。
图2是基于固支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18的原理图。
图4是LC可调带阻滤波器10和LC可调带阻滤波器11的原理图。
图5是LC可调带通滤波器、LC可调带阻滤波器10和LC可调带阻滤波器11中的电容式固支梁的俯视图。
图6是LC可调带通滤波器、LC可调带阻滤波器10和LC可调带阻滤波器11中的电容式固支梁的BB’面剖面图。
图7是振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器的结构图。
面向物联网驻波能量和泄漏能量收集的固支梁接收机前端的原理框图中包括：微波天线1，基于固支梁的驻波能量收集可调滤波器2，充电电池3，直流电源4，低噪声放大器5，振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器6，本地振荡器7，中频滤波器8，中频输出9。基于固支梁的驻波能量收集可调滤波器2由LC可调带通滤波器，LC可调带阻滤波器10，LC可调带阻滤波器11、AC/DC转换模块一12-1，AC/DC转换模块二12-2，微波信号输入端口，微波信号输出端口构成；LC可调带通滤波器11、带通滤波器18、LC可调带阻滤波器12-1和LC可调带阻滤波器12-2均由平面电感和电容式固支梁构成，电容式固支梁由第一段传输线13、第二段传输线14、金属pad16，第一下拉电极15、第二下拉电极17构成。振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器6由信号输入端口21，混频信号输出端口22，带通滤波器18，AC/DC转换模块三19，混频结构23和本地振荡信号输入端口20构成。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明的面向物联网驻波能量和泄漏能量收集的固支梁接收机前端的具体实施方案如下：
本发明提出面向物联网驻波能量和泄漏能量收集的固支梁接收机前端包括：微波天线1，基于固支梁的驻波能量收集可调滤波器2，充电电池3，直流电源4，低噪声放大器5，振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器6，本地振荡器7，中频滤波器8，中频输出9。基于固支梁的驻波能量收集可调滤波器2由LC可调带通滤波器，LC可调带阻滤波器10，LC可调带阻滤波器11，AC/DC转换模块一12-1，AC/DC转换模块二12-2，微波信号输入端口，微波信号输出端口构成；LC可调带通滤波器11、带通滤波器18、LC可调带阻滤波器12-1和LC可调带阻滤波器12-2均由平面电感和电容式固支梁构成，电容式固支梁由第一段传输线13、第二段传输线14、金属pad16，第一下拉电极15、第二下拉电极17构成。振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器6由信号输入端口21，混频信号输出端口22，带通滤波器18，AC/DC转换模块三19，混频结构23和本地振荡信号输入端口20构成。
如图1所示，微波天线1接收到微波信号，该信号经过基于固支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低噪声放大器5，被放大的微波信号经过振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器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输出9。基于固支梁的驻波能量收集可调滤波器2和振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器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4并联后，共同为低噪声放大器5，振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器6和本地振荡器7提供能量。
如图2所示，所述的基于固支梁的驻波能量收集可调滤波器2包括LC可调带通滤波器、LC可调带阻滤波器10、LC可调带阻滤波器11、AC/DC转换模块一12-1、AC/DC转换模块二12-2、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10和11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可调带通滤波器和可调带通滤波器29均由平面电感L1、平面电感L2和电容式固支梁K1、电容式固支梁K2构成。其中电容式固支梁K1的一端作为微波信号输入端口，另一端连接平面电感L1，电容式固支梁K1的金属pad连接地，平面电感L1的另一端与平面电感L2、电容式固支梁K2相连，平面电感L2的另一端接地，电容式固支梁K1的另一端悬空，电容式固支梁K1的金属pad引线作为滤波器的输出端，通过控制电容式固支梁K1和电容式固支梁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LC可调带阻滤波器10和LC可调带阻滤波器11由平面电感L2、平面电感L1和电容式固支梁K2、电容式固支梁K1构成。其中电容式固支梁K2的一端作为微波信号输入端口，另一端连接平面电感L2，电容式固支梁K2的金属pad连接地，平面电感L2的另一端与平面电感L1、电容式固支梁K1相连，平面电感L1的另一端接地，电容式固支梁K1的另一端悬空，电容式固支梁K1的金属pad引线作为滤波器的输出端，通过控制电容式固支梁K1和电容式固支梁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固支梁的俯视图，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固支梁的BB＇面剖面图。在硅衬底的两端有第一段传输线13和第二段传输线14，固支梁的下方设有一个金属pad16，金属pad16的两端是固支梁的两个下拉电极15和下拉电极17。
如图7是振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器的结构图，振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器是由带通滤波器18，AC/DC转换模块三19，信号输入端口21、混频信号输出端口22和混频结构23构成，其中混频结构23为三端口网络；信号输入端口21与带通滤波器18的输入端相连后，再与混频结构23的输入端相连，带通滤波器18的输出端连接AC/DC转换模块三19，混频结构23的本地振荡信号输入端口20连接本地振荡器7的输出端，最后混频结构23的混频信号输出端口22输出混频后的中频信号。带通滤波器18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18的阻带频域，其频率处于带通滤波器18的通带以外，不会通过带通滤波器18，直接进入混频结构23。
本发明的不同之处在于：本发明的面向物联网自供电的固支梁微波接收机前端包含基于固支梁的驻波能量收集可调滤波器。基于固支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，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，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驻波能量和泄漏能量收集的固支梁接收机前端包含振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器6。振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器6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固支梁构成，通过简单的控制电容式固支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驻波能量和泄漏能量收集的固支梁接收机前端包含充电电池3。充电电池3与直流电源4并联后，为低噪声放大器5，振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器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驻波能量和泄漏能量收集的固支梁接收机前端。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种面向物联网驻波能量和泄漏能量收集的固支梁接收机前端，其特征在于，包括微波天线(1)、基于固支梁的驻波能量收集可调滤波器(2)、充电电池(3)、直流电源(4)、低噪声放大器(5)、振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器(6)、本地振荡器(7)、中频滤波器(8)和中频输出(9)；微波天线(1)连接到基于固支梁的驻波能量收集可调滤波器(2)的输入端，基于固支梁的驻波能量收集可调滤波器(2)输出端与低噪声放大器(5)的输入相连接，低噪声放大器(5)的输出连接振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器(6)的信号输入端口(21)，本地振荡器(7)的输出端与振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器(6)的本地振荡信号输入端口(20)相连，振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器(6)的混频信号输出端口(22)与中频滤波器(8)输入端相连，中频滤波器的输出端得到微波接收机后端可处理的相对稳定的中频输出(9)；基于固支梁的驻波能量收集可调滤波器(2)和振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器(6)分别连接充电电池(3)，充电电池(3)与直流电源(4)并联后，为低噪声放大器(5)，振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器(6)和本地振荡器(7)提供能量并实现自供电；所述的基于固支梁的驻波能量收集可调滤波器(2)收集了驻波的能量并储存于充电电池(3)中，改善了电磁兼容环境；振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器(6)收集了由本地振荡信号经过混频结构泄漏的能量并储存于充电电池(3)中，避免了本地振荡信号自混频，降低了直流功耗。
2.根据权利要求1所述的面向物联网驻波能量和泄漏能量收集的固支梁接收机前端，其特征在于基于固支梁的驻波能量收集可调滤波器(2)包括LC可调带通滤波器、LC可调带阻滤波器(10)、LC可调带阻滤波器(11)、AC/DC转换模块一(12-1)、AC/DC转换模块二(12-2)、微波信号输入端口和微波信号输出端口；所述的LC可调带通滤波器、LC可调带阻滤波器(10)、LC可调带阻滤波器(11)、AC/DC转换模块一(12-1)和AC/DC转换模块二(12-2)都为二端口网络；LC可调带通滤波器的输入端连接LC可调带阻滤波器(10)输入端；LC可调带通滤波器的输出端连接LC可调带阻滤波器(11)输入端；LC可调带阻滤波器(10)的输出端连接AC/DC转换模块(12-1)的输入端，AC/DC转换模块一(12-1)的输出端连接充电电池(3)；LC可调带阻滤波器(11)的输出端连接AC/DC转换模块二(12-2)的输入端，AC/DC转换模块二(12-2)的输出端也连接充电电池(3)；所述的基于固支梁的驻波能量收集可调滤波器的微波信号从LC可调带通滤波器和LC可调带阻滤波器(10)之间的微波信号输入端口输入，从LC可调带通滤波器和LC可调带阻滤波器(11)之间的微波信号输出端口输出；所述的LC可调带阻滤波器(10)和LC可调带阻滤波器(11)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，以收集LC可调带通滤波器两端的驻波能量。
3.根据权利要求2所述的面向物联网驻波能量和泄漏能量收集的固支梁接收机前端，其特征在于所述的LC可调带通滤波器和LC可调带阻滤波器包括电容式固支梁；当传输线(13)作为微波信号输入端口，传输线(14)作为滤波器的输出端口，电容式固支梁的金属pad(16)连接地时，该电容式固支梁等效为并联电容；当传输线(13)作为微波信号输入端口，电容式固支梁的金属pad(16)作为滤波器的输出端，传输线(14)悬空时，该电容式固支梁等效为串联电容；通过控制电容式固支梁的下拉驱动电极(15)和(17)上的下拉驱动电压能够调节接入的电容的大小从而调节滤波器的通带频域，使得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LC可调带通滤波器两端的驻波信号频段相同，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。
4.根据权利要求1所述的面向物联网驻波能量和泄漏能量收集的固支梁接收机前端，其特征在于所述的振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器包括带通滤波器(18)，AC/DC转换模块三(19)，信号输入端口(21)、混频信号输出端口(22)和混频结构(23)，其中混频结构(23)为三端口网络；信号输入端口(21)与带通滤波器(18)的输入端相连后，再与混频结构(23)的输入端相连，带通滤波器(18)的输出端连接AC/DC转换模块三(19)，AC/DC转换模块(19)连接充电电池(3)，混频结构(23)的本地振荡信号输入端口(20)连接本地振荡器(7)的输出端，最后混频结构(23)的混频信号输出端口(22)输出混频后的中频信号；所述的振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器在传统的混频结构前加了带通滤波器(18)，带通滤波器(18)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(23)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(18)的阻带频域，其频率处于带通滤波器(18)的通带以外，不会通过带通滤波器(18)，直接进入混频结构(23)。
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| CN104771140A (zh) * | 2015-03-13 | 2015-07-15 | 江苏物联网研究发展中心 | 基于rfid技术的自供电智能传感器 |
-
2017
- 2017-08-15 CN CN201710696524.2A patent/CN107565924A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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