王隴剛，王　薪

(南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211106)

?

基于微波整流的半導(dǎo)體開關(guān)無線控制

王隴剛，王薪

(南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211106)

針對(duì)有源電子標(biāo)簽及傳感器節(jié)點(diǎn)低功耗喚醒模塊的需求，設(shè)計(jì)了一種基于微波整流的半導(dǎo)體開關(guān)無線控制方法。通過微波整流之后的直流輸出電壓來控制半導(dǎo)體開關(guān)的狀態(tài)，進(jìn)而控制喚醒電路的直流電源通斷，利用半導(dǎo)體開關(guān)關(guān)斷狀態(tài)下漏電流極低的特點(diǎn)，確保設(shè)備在休眠期達(dá)到極低功耗，從而延長(zhǎng)標(biāo)簽及節(jié)點(diǎn)電源的工作時(shí)間。文中的微波整流設(shè)計(jì)主要以實(shí)現(xiàn)最大化直流輸出電壓為目標(biāo)，整流天線部分采用雙單元的整流陣列設(shè)計(jì)。仿真與測(cè)試結(jié)果表明，每一路天線接收到-18dBm的射頻功率時(shí)，直流輸出電壓可達(dá)到典型的CMOS開關(guān)控制所需的最低電平(1V)。

無線能量傳輸；微波整流；半導(dǎo)體開關(guān)；喚醒電路

微波整流技術(shù)是實(shí)現(xiàn)微波無線能量傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)通常采用半導(dǎo)體二極管將天線接收到的微波頻段的能量轉(zhuǎn)換為直流供電電壓[1]，適用于對(duì)無線傳感器、有源射頻識(shí)別(RadioFrequencyIdentification，RFID)標(biāo)簽等低功耗電子設(shè)備無線供電，使這些設(shè)備得以擺脫電池壽命的限制。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)等新興技術(shù)和應(yīng)用需求的不斷涌現(xiàn)，多功能、智能化成為傳感器和RFID標(biāo)簽的發(fā)展趨勢(shì)，其功耗要求也隨之提高。對(duì)于較大功耗的應(yīng)用，采用微波能量傳輸對(duì)設(shè)備進(jìn)行無線供電的技術(shù)在實(shí)現(xiàn)上還存在諸多難點(diǎn)。在眾多實(shí)際應(yīng)用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID長(zhǎng)時(shí)間處于不工作的休眠狀態(tài)，常用的延長(zhǎng)電池壽命的措施之一是盡可能地降低設(shè)備休眠期的功耗，僅在需要設(shè)備工作時(shí)，通過喚醒模塊開啟正常工作狀態(tài)。喚醒模塊監(jiān)測(cè)設(shè)備周邊的無線環(huán)境，通過接收到的無線觸發(fā)信號(hào)判斷是否需要對(duì)設(shè)備的其他模塊進(jìn)行喚醒，其功耗通常需要數(shù)十至數(shù)百μW[2-4]。休眠狀態(tài)下喚醒模塊的功耗在較大程度上決定了電池續(xù)航時(shí)間。針對(duì)低功耗喚醒模塊的需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于微波整流的半導(dǎo)體開關(guān)無線控制方法，通過半導(dǎo)體開關(guān)切換喚醒電路的直流電源通斷，利用半導(dǎo)體開關(guān)關(guān)斷狀態(tài)下漏電流較低(0.1μA量級(jí))的特點(diǎn)，確保設(shè)備在休眠期達(dá)到較低功耗。

與傳統(tǒng)的微波整流電路設(shè)計(jì)以最大化直流輸出功率為目標(biāo)不同，本文的微波整流設(shè)計(jì)目標(biāo)是最大化直流輸出電壓，提供半導(dǎo)體開關(guān)控制所需的最低電平。半導(dǎo)體開關(guān)控制端口的直流漏電流極小，因此整流電路的負(fù)載近似于一個(gè)較大的電阻。

1　工作原理

圖1為系統(tǒng)的工作原理圖，其中包括了發(fā)射與接收兩部分，接收部分包括接收天線、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、射頻CMOS開關(guān)以及目標(biāo)設(shè)備等。接收天線負(fù)責(zé)接收無線電波，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)用于保證接收到的射頻能量最大可能地傳輸?shù)秸麟娐罚麟娐穼⑸漕l能量轉(zhuǎn)換成直流電壓，射頻CMOS開關(guān)用來切換喚醒電路的直流電源通斷。若目標(biāo)電子設(shè)備為有源RFID標(biāo)簽或無線傳感器節(jié)點(diǎn)，利用CMOS開關(guān)在關(guān)閉狀態(tài)下漏電流極小的特點(diǎn)，可確保標(biāo)簽及節(jié)點(diǎn)在休眠狀態(tài)下的功耗極低。

圖1　系統(tǒng)工作原理圖

2　整流天線仿真設(shè)計(jì)與測(cè)試結(jié)果

2.1整流電路的仿真設(shè)計(jì)與測(cè)試

整流電路是整個(gè)射頻喚醒電路的核心部分，其完成了射頻能量向直流電壓的轉(zhuǎn)換，一般輸入到整流電路的射頻能量較低，經(jīng)過整流得到的直流輸出電壓難以達(dá)到打開開關(guān)所需的最低電平，故常采用多級(jí)整流電路。因此，文中電路采用基本倍壓整流電路結(jié)構(gòu)[5]，如圖2所示，由兩個(gè)二極管和兩個(gè)電容組成。兩個(gè)二極管D1和D2保證電路的單向流動(dòng)，C1為隔直電容，C2起到輸出濾波及存儲(chǔ)電荷的作用。在輸入射頻信號(hào)幅度不變的情況下，降低二極管的導(dǎo)通電壓可提高其輸出電壓值。因此，倍壓整流電路中的二極管多采用肖特基二極管，本設(shè)計(jì)采用肖特基二極管SMS7630-079LF，其中串聯(lián)電阻Rs=20Ω，結(jié)電容Cj0=0.14pF，導(dǎo)通電壓VJ=0.34V以及擊穿電壓Vbr=2V。

圖2　基本倍壓整流電路

為能得到較大的直流輸出，本文采用陣列天線接收微波功率。圖3為陣列天線應(yīng)用于微波整流的兩種典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖3(a)所示的結(jié)構(gòu)是在整流器的前面并聯(lián)多個(gè)天線單元，各天線單元接收到的RF功率經(jīng)合路器合成一路之后進(jìn)行整流[6-7]。通常認(rèn)為，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的射頻系統(tǒng)中，這種結(jié)構(gòu)的能量傳輸是最為有效的[8-9]。圖3(b)所示的結(jié)構(gòu)則是對(duì)每個(gè)天線單元接收到的RF功率各自進(jìn)行整流，各路整流輸出經(jīng)直流合并網(wǎng)絡(luò)形成一路總的直流輸出[10-12]。該結(jié)構(gòu)中，由于多路接收信號(hào)無需相干合路，可使得天線的部署、連接及校準(zhǔn)得到顯著簡(jiǎn)化[13]。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，本文在圖3(b)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。此外，該結(jié)構(gòu)中多路信號(hào)在直流輸出有串聯(lián)、并聯(lián)以及級(jí)聯(lián)等不同的形式[12]。由于本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在直流輸出部分得到較大的電壓，故在直流輸出部分采用串聯(lián)連接方式。

圖3　陣列天線應(yīng)用于微波整流的兩種典型結(jié)構(gòu)

圖4　整流陣列原理圖

圖5　整流陣列實(shí)物圖

圖4和圖5分別為本文采用的雙單元整流陣列原理圖及電路實(shí)物。在仿真設(shè)計(jì)和實(shí)物測(cè)試過程中，整流陣列的兩個(gè)射頻輸入端口輸入相同的功率。為驗(yàn)證整流陣列對(duì)于提高直流輸出電壓的有效性，本文首先比較了單路整流和雙單元整流陣列的電壓轉(zhuǎn)換性能。圖6為實(shí)測(cè)結(jié)果，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果均表明雙路射頻整流的直流輸出電壓近似為單路整流輸出電壓的兩倍，從而驗(yàn)證了整流陣列設(shè)計(jì)對(duì)于提高直流輸出電壓的有效性。從圖中可看到，兩路射頻輸入功率在-18dBm以上時(shí)，能產(chǎn)生超過1V的直流輸出電壓，從而達(dá)到了打開開關(guān)所需的最低電平。

圖6　整流電路實(shí)測(cè)結(jié)果

2.2整流天線整體測(cè)試結(jié)果

最后將接收天線、整流陣列及射頻開關(guān)相結(jié)合進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)。如圖7(a)所示，開關(guān)的型號(hào)為AnalogDevices的ADG901，該射頻開關(guān)在關(guān)狀態(tài)下漏電流極小(0.1μA)，具有低損耗、高隔離度、低功耗等特點(diǎn)。接收天線采用具有全向特性的環(huán)形天線，其增益為2.3dB。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)喇叭天線(增益為13dB)發(fā)射10dBm的功率時(shí)，約在2m處天線接收到的射頻功率經(jīng)陣列整流可得到超過1V的直流輸出電壓，該直流電壓連接于射頻開關(guān)的控制端口，使得開關(guān)打開。圖7(b) 所示實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，整流電路用于控制一個(gè)LED燈的直流供電通路的通斷。LED燈被點(diǎn)亮表明，射頻開關(guān)被整流電路輸出打開。

圖7　系統(tǒng)集成電路實(shí)測(cè)試結(jié)果

3　結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種基于微波整流的半導(dǎo)體開關(guān)無線控制方法，以實(shí)現(xiàn)最大直流輸出電壓為目標(biāo)，整流電路采用整流陣列的形式，通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的正確性。在輸入-18dBm的功率下實(shí)現(xiàn)了1V的直流輸出電壓。當(dāng)發(fā)射和接收相距2m時(shí)，發(fā)射天線發(fā)射10dBm的功率，接收端實(shí)現(xiàn)整流后達(dá)到打開開關(guān)所需的最低電平。該設(shè)計(jì)可應(yīng)用于有源電子標(biāo)簽或傳感器節(jié)點(diǎn)的無線喚醒。

[1]BrownWC.Experimentsinthetransportationofenergybymicrowavebeam[J].IEEEIreInternationalConventionRecord, 1966(12):8-17 .

[2]RabaeyJM,AmmerJ,KaralarT,etal.Picoradiosforwirelesssensornetworks:thenextchallengeinultra-lowpowerdesign[C].OLT,USA:Solid-StateCircuitsConference,DigestofTechnicalPapers,ISSCC,IEEEInternational,2002.

[3]GuL,StankovicJ.Radio-triggeredwake-upforwirelesssensornetworks[J].Real-TimeSystems, 2005,29(2-3):157-182.

[4]VanDerDoornB,KavelaarsW,LangendoenK.Aprototypelow-costwakeupradioforthe868MHzband[J].InternationalJournalofSensorNetworks(IJSNet), 2009,5(1)：22-32.

[5]DeVitaG,IannacconeG.DesigncriteriafortheRFsectionofUHFandmicrowavepassiveRFIDtransponders[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniquesTechniques,2005,53(9)：2978-2990.

[6]OlgunU,ChenCC,VolakisJL.Designofanefficientambientwifienergyharvestingsystem[J].IETMicrowaves,AntennasandPropagation,2012,6(11):1200-1206.

[7]RenYJ,ChangK.New5.8GHzcircularlypolarizedretrodirectiverectennaarraysforwirelesspowertransmission[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryTechnology,2006,54(7)： 2970-2976.

[8]OlgunU,ChichihChen,VolakisJL.InvestigationofrectennaarrayconfigurationsforenhancedRFpowerharvesting[J].IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters, 2011,10(1):262-265.

[9]MassaA,OliveriG,VianiF,etal.Arraydesignsforlong-distancewirelesspowertransmission:state-of-the-artandinnovativesolutions[J].ProceedingsoftheIEEE, 2013,101(6):1464-1481.

[10]EastT.Aself-steeringarrayforthesharpmicrowavepoweredaircraft[J].IEEETransactionsonAntennasandPropag, 1992(40):1565-1567.

[11]ShinoharaN,MatsumotoH.Experimentalstudyoflargerectennaarrayformicrowaveenergytransmission[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryTechnology, 1998,46(3)：261-268.

[12]RenYJ,ChangK.5.8GHzcircularlypolarizeddual-dioderectennaandrectennaarrayformicrowavepowertransmission[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryTechnology,2006,54(4)：1495-1502.

[13]ShinoharaN，MatsumotoH.Experimentalstudyoflargerectennaarrayformicrowaveenergytransmission[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,1998，46(3)：261-268.

Wireless Control of Semiconductor Switches Based on Microwave Rectification

WANGLonggang,WANGXin

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing211106,China)

Tomeettheneedsofthelow-powerwake-upmoduleofactiveelectronictagsandsensornodes,thispaperproposesamethodofwirelesscontrolofsemiconductorswitchesbasedonmicrowaverectification.Inthisdesign,withtheDCpowercontrolledbytheon/offstateofasemiconductorswitch,extremelylow-powerconsumptionofthewake-upmoduleduringdormancyisachievedduetotheextremelylowleakcurrentoftheswitch.DifferentfromtraditionalmicrowaverectifiersthataredesignedtoprovidemaximumoutputDCpower,therectificationcircuitinthispaperisaimedtoachievethebetsoutputDCvoltage.Simulationandmeasurementresultsshowthatatwo-elementarraydesignachievestheminimumrequiredcontrollingvoltage(1V)forturningonatypicalCMOSswitchwithanRFpowerlevelaslowas-18dBmreceivedbybothantennaelements.

wirelesspowertransmission;microwaverectification;semiconductorswitch;wake-upcircuit

2015- 12- 21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61471195); 中國(guó)博士后科學(xué)基金資助(20110491423；2012T50496)

王隴剛(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：射頻電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.042

TN912.11

A

1007-7820(2016)09-151-04