基于微波整流的半導(dǎo)體開關(guān)無線控制

顧龍愷 南京恒電電子有限公司

基于微波整流的半導(dǎo)體開關(guān)無線控制

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以微波整流作為基礎(chǔ)所設(shè)計(jì)出現(xiàn)的使用半導(dǎo)體作為開關(guān)進(jìn)行無線控制的方法是為了滿足傳感器節(jié)點(diǎn)和有源電子標(biāo)簽在低功耗的時(shí)候?qū)拘涯K的需求。這種開關(guān)的工作原理是直流輸出電壓在經(jīng)過微波整流處理后可以對半導(dǎo)體開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行控制，并由此來對環(huán)形電路中直流電源進(jìn)行控制，決定其通斷狀態(tài)，以在關(guān)斷狀態(tài)下的半導(dǎo)體開關(guān)具有漏電流低的特點(diǎn)作為依據(jù)，保證在休眠期內(nèi)設(shè)備能夠維持極低的功耗，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電源以及標(biāo)簽電源的工作時(shí)間得到延長的目標(biāo)。本文中所闡述的微波整流設(shè)計(jì)是為了滿足使直流輸出電壓達(dá)到最大化的要求，在設(shè)計(jì)中應(yīng)用雙單元的整流陣列對整流天線部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)過測試以及仿真實(shí)驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)-18dBm的射頻功率被一路天線接收后，其輸出的直流電壓能滿足經(jīng)典的CMOS開關(guān)在正常控制工作中需要的最低電平值即1V。

無線能量傳輸 微波整流 半導(dǎo)體開關(guān) 喚醒電路

微波無線能量傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)起關(guān)鍵性作用的技術(shù)就是微波整流技術(shù)，這個(gè)技術(shù)的工作原理就是應(yīng)用半導(dǎo)體二極管，把經(jīng)過天線接收得到的微波頻段的能量向直流供電電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換[1]，這一技術(shù)的產(chǎn)生解決了有源射頻識別標(biāo)簽以及無線傳感器等的這類低功耗的電子設(shè)備所具有的電池壽命限值無線供電的問題。在實(shí)際的使用過程里為了使RFID和傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠維持不工作的休眠狀態(tài)，一般采用使設(shè)備休眠期所產(chǎn)生的功耗進(jìn)行降低處理的辦法來延長電池使用壽命，在需要設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)的時(shí)候依賴喚醒模塊對設(shè)備進(jìn)行喚醒來開啟工作狀態(tài)。由此可以看出電池的續(xù)航時(shí)間主要取決于喚醒模塊在休眠狀態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的功耗。針對這一問題，本文提出了解決方案開發(fā)出了以微波整流為理論依據(jù)采用半導(dǎo)體開關(guān)來進(jìn)行無線控制的方法。這一設(shè)計(jì)的使輸出的直流電壓達(dá)到最大化，同時(shí)為保證半導(dǎo)體開關(guān)進(jìn)行控制工作需要提供最低的電平。在開關(guān)的控制端口，漏出的電流非常小，所以可以將整個(gè)電路的負(fù)載當(dāng)做一個(gè)相對較大的電阻。

1 整流天線仿真設(shè)計(jì)與測試結(jié)果

射頻喚醒電路中的核心就是整流電路，這一部分可以實(shí)現(xiàn)將射頻能量轉(zhuǎn)化為直流電壓，一般情況下整流電路所輸入的射頻能量較低，輸出的直流電壓經(jīng)過整流后很難滿足將開關(guān)打開的最低電平，所以一般應(yīng)用多級的整流電路。本文中所采用的電路是基本倍壓結(jié)構(gòu)的整流電路[2]，包括兩個(gè)電容和兩個(gè)二極管。其中一個(gè)電容為隔直電容，另一個(gè)電容的作用是用來存儲電荷和輸出濾波而兩個(gè)二極管是確保電路的流動是單向的。通常情況下保持射頻信號的輸入幅度為一定值，通過將二極管的導(dǎo)通電壓降低后能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電壓值的提高，。在倍壓整流電路里使用的二極管最常用的肖特基二極管。

為了實(shí)現(xiàn)直流輸出的最大化，接收微波功率使用了陣列天線。一般用于微波整流的陣列天線有兩種，一種是將多個(gè)天線單元并聯(lián)在整流器前，然后將接收的功率使用合路器合成一路后整流，另一種每個(gè)天線單元在將接收的功率進(jìn)行各自整流，然后通過直流和并網(wǎng)進(jìn)行匯得到一路的直流總輸出。本文中采用的是后一種設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，結(jié)構(gòu)中多路信號可以以并聯(lián)、串聯(lián)或者級聯(lián)的方式進(jìn)行直流輸出，為了實(shí)現(xiàn)在直流輸出時(shí)滿足較大電壓的目的最終選擇了串聯(lián)的方式進(jìn)行連接。

進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)和進(jìn)行實(shí)物測試時(shí)，在射頻輸入端采用相同的輸入功率。為了檢驗(yàn)整流陣列對于實(shí)現(xiàn)將輸出的直流電壓進(jìn)行提高的目的，本文中分別將雙單元和單路整流陣列所具有的轉(zhuǎn)換電壓的能量進(jìn)行比較。圖1為實(shí)際測定的結(jié)果，這一結(jié)果證明了在提高直流輸出電壓方面整流陣列效果明顯。

圖1 整流電路實(shí)測結(jié)果

2 整流天線整體測試結(jié)果

完成以上設(shè)計(jì)后對整流陣列、接收天線以及射頻開關(guān)進(jìn)行最后的整合完成集成設(shè)計(jì)。測試結(jié)果表明在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)射頻開關(guān)的漏電流非常小，只有0．1μA，同時(shí)還有低功耗、損耗低以及隔離度好的優(yōu)點(diǎn)。所使用的具有全向特點(diǎn)的喚醒天線作為接收天線，產(chǎn)生2．3dB的增益。同時(shí)結(jié)果表明天線的發(fā)射功率為10dB的時(shí)候，接收天線在2m處經(jīng)過整流后的射頻功率可以產(chǎn)生大于1V的輸出直流電壓，該直流電壓與射頻開關(guān)的控制端口相連能夠最后使開關(guān)打開。

3 結(jié)語

本文中成功設(shè)計(jì)了基于微波整流的半導(dǎo)體開關(guān)無線控制方法用于實(shí)現(xiàn)最大直流輸出電壓的目標(biāo)，整流陣列的設(shè)計(jì)被用于整個(gè)整流電路中，使用實(shí)驗(yàn)以及仿真設(shè)計(jì)對整個(gè)方案進(jìn)行驗(yàn)證，證明了其正確性。這一設(shè)計(jì)接下可以在傳感器節(jié)點(diǎn)或者在有源電子標(biāo)簽中得到進(jìn)一步的應(yīng)用。

[1]Brown W C. Experiments in the transportation of energy by microwave beam[J]. IEEE Ire International Convention Record,1966(12):8-17.

[2]De Vita G, Iannaccone G. Design criteria for the RF section of UHF and microwave passive RFID transponders[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques Techniques,2005, 53(9):2978-2990.

顧龍愷，1989.09，男，漢，江蘇江陰，本科，助理工程師，目前從事微波射頻電路方面的研究。