孫雪曼，武鵬德，劉長(zhǎng)軍

四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610064

隨著物聯(lián)網(wǎng)(internet of things,IoT)的快速發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,WSNs)作為其“感知層”最主要的組成部分得到廣泛應(yīng)用[1?4]。目前，傳感器大多使用容量和壽命有限的電池供電，其維護(hù)成本高，且廢舊電池還會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境[3?5]。因此，WSNs 節(jié)點(diǎn)的能量供給是一個(gè)迫在眉睫的問(wèn)題。

無(wú)線(xiàn)攜能通信(simultaneous wireless information and power transfer,SWIPT)是解決上述問(wèn)題的有效方法之一。SWIPT 是無(wú)線(xiàn)信息傳輸和無(wú)線(xiàn)能量傳輸相交叉、結(jié)合的產(chǎn)物，旨在實(shí)現(xiàn)信息與能量的并行傳輸[6]。SWIPT 的相關(guān)技術(shù)中，通過(guò)減少傳感器的收發(fā)機(jī)功耗、充分利用整流產(chǎn)生的諧波能量，能在實(shí)現(xiàn)低功耗無(wú)線(xiàn)通信和遠(yuǎn)距離讀取的同時(shí)使無(wú)電池成為可能[7]。

在諧波通信的應(yīng)用中，文獻(xiàn)[8]利用三次諧波來(lái)進(jìn)行天線(xiàn)極化方向的對(duì)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[9]提出一種利用二次諧波相位變化編碼溫度信息的無(wú)源無(wú)線(xiàn)溫度傳感器。文獻(xiàn)[10]提出了應(yīng)用于5G 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無(wú)源諧波轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)。文獻(xiàn)[11]提出了低功耗遠(yuǎn)距離傳輸?shù)闹C波轉(zhuǎn)發(fā)器。為減少通信中信息解碼的功耗，文獻(xiàn)[12?13]提出了一種兼具接收信息和收集能量作用的整流接收集成結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[14]提出了一種不采用任何有源器件的接收集成電路結(jié)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)接收能量和通信信號(hào)的同時(shí)進(jìn)行。本文提出的整流發(fā)射集成結(jié)構(gòu)(integrated rectifiertransmitter,IRT)利用整流產(chǎn)生的二次諧波作為上行基帶信號(hào)的載波，并通過(guò)可重構(gòu)帶阻濾波器(band stop filter,BSF)對(duì)二次諧波調(diào)幅實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)上行攜能通信。

1 整流發(fā)射集成原理

本文提出的IRT 結(jié)構(gòu)是由工作于f0的整流電路、2f0的可重構(gòu)BSF 和直流負(fù)載組成，其整體結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。IRT 結(jié)構(gòu)傳回基站的上行鏈路信號(hào)是通過(guò)對(duì)整流產(chǎn)生的二次諧波進(jìn)行調(diào)幅實(shí)現(xiàn)的。

圖1 IRT 結(jié)構(gòu)原理

如圖1 所示，當(dāng)天線(xiàn)接收到來(lái)自基站的正弦信號(hào)f0后，會(huì)將其傳輸給IRT 結(jié)構(gòu)，通過(guò)整流電路將射頻能量轉(zhuǎn)換成直流輸出給無(wú)線(xiàn)傳感器，而傳感器采集的數(shù)據(jù)將用于二次諧波信號(hào)的幅度調(diào)制。

由于整流電路在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高次諧波，其中二次諧波攜帶的能量最大，選其作為上行基帶信號(hào)的載波。通過(guò)可重構(gòu)BSF 對(duì)二次諧波調(diào)幅后，2f0的信號(hào)會(huì)由天線(xiàn)傳回基站，實(shí)現(xiàn)低功率無(wú)線(xiàn)上行通信。

為減少二次諧波調(diào)制對(duì)整流電路轉(zhuǎn)換效率的影響，BSF 在f0的插入損耗應(yīng)越小越好。本文選擇的BSF 使用在通帶具有低損耗的可重構(gòu)缺陷地結(jié)構(gòu)(defected ground structure,DGS)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)測(cè)量

2.1 可重構(gòu)帶阻濾波器

BSF 由2 個(gè)蝕刻在金屬地的對(duì)稱(chēng)耦合DGS 諧振器組成，通過(guò)50 Ω 微帶線(xiàn)饋電，其諧振單元可以等效為L(zhǎng)C 并聯(lián)諧振器，等效電路如圖2 所示。

圖2 DGS 版圖及其單元等效圖

圖中Lp和Cp的值可以通過(guò)式(1)和式(2)確認(rèn)[15]：

式中：fc是3 dB 的阻帶截止頻率；fp是諧振頻率。

通過(guò)放置短路橋在如圖2 所示的位置來(lái)模擬BSF 的可重構(gòu)性。當(dāng)放置短路橋時(shí)，諧振器的槽長(zhǎng)度減少，諧振頻率增加?？芍貥?gòu)BSF 的|S21|仿真結(jié)果如圖3 所示，在沒(méi)有短路橋時(shí)，BSF 的諧振頻率為4.8 GHz，而放置短路橋后其諧振頻率增加到了7.95 GHz。

圖3 放置/不放置短路橋的|S21|

實(shí)驗(yàn)采用Rogers 4350B 的介質(zhì)基板，介電常數(shù)3.66，損耗正切0.002。圖3 還給出了1 GHz和6 GHz 2 種狀態(tài)下可重構(gòu)BSF 的|S21|測(cè)量結(jié)果，其插入損耗在0～3.2 GHz 時(shí)小于0.2 dB；在放置2 個(gè)短橋后，以4.8 GHz 為中心的阻帶被消除。從圖3 可以看出，仿真與測(cè)量結(jié)果基本吻合。

2.2 BSF 可調(diào)諧的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)使用PIN 二極管替代上述2 個(gè)短路橋來(lái)實(shí)現(xiàn)BSF 的可調(diào)諧。配置有PIN 二極管和偏置電路的可重構(gòu)BSF 如圖4 所示，這些二極管的位置與圖2 中短路橋的放置位置大致相同，所需偏置由金屬過(guò)孔提供,該過(guò)孔連接了基板上表面的射頻扼流圈和下表面的DGS 諧振器。BSF 利用0.15 mm 的縫隙切斷可重構(gòu)DGS 和金屬地面的直流聯(lián)系，再通過(guò)2 個(gè)貼片電容來(lái)恢復(fù)DGS 的射頻回路。

圖4 帶有PIN 二極管和偏置電路的BSF

可重構(gòu)BSF 的電路響應(yīng)變化如圖5 所示，圖中給出了0、10、100 和1 000 μA 偏置電流下的|S21| 測(cè)量結(jié)果。從圖5 可以看出，隨著偏置電流的增大，4.8 GHz 附近的阻帶逐漸消失。

圖5 4 種偏置電流下DGS 的|S21|

2.3 整流電路的設(shè)計(jì)

從圖5 可知可重構(gòu) BSF 的最佳衰減范圍在4.8 GHz，因此IRT 結(jié)構(gòu)中整流電路的工作頻率設(shè)置為2.4 GHz，提高可重構(gòu)BSF 對(duì)整流產(chǎn)生的二次諧波的調(diào)幅深度。圖6 給出了整流電路的設(shè)計(jì)原理圖，使用終端短路枝節(jié)ZL和集總電感LM來(lái)抵消整流二極管的虛部阻抗，再利用電感LL和電容組成的低通濾波器過(guò)濾射頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)直流輸出。

圖6 整流電路原理

3 結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 和圖6 還給出了IRT 結(jié)構(gòu)的實(shí)物圖，實(shí)驗(yàn)采用介電常數(shù)為3.66、正切損耗為0.002、高度為0.762 mm 的Rogers 4350B 介質(zhì)板。從圖4 和圖6 可以看出整流電路和可重構(gòu)BSF 集成在了一起。

測(cè)量系統(tǒng)如圖7 所示。IRT 結(jié)構(gòu)的基波功率信號(hào)由射頻信號(hào)源提供，產(chǎn)生的二次諧波通過(guò)20 dB定向耦合器直接耦合到頻譜分析儀進(jìn)行數(shù)字解調(diào)。利用信號(hào)發(fā)生器模擬上行基帶信號(hào)，并對(duì)可重構(gòu)BSF 進(jìn)行動(dòng)態(tài)偏置。改變射頻信號(hào)源的輸入功率和頻率，測(cè)量1 kΩ 負(fù)載上的直流電壓，得到IRT 結(jié)構(gòu)RF-DC 的整流效率。

圖7 測(cè)量系統(tǒng)

圖8 給出了0、?10、?20 dBm 輸入功率下，不同偏置電流與二次諧波能量P2f0的關(guān)系。當(dāng)輸入的偏置電流在0～50 μA 內(nèi)時(shí)，P2f0與偏置電流成正比；隨著電流從50 μA 增加到100 μA，曲線(xiàn)變緩；當(dāng)輸入的偏置電流大于100 μA 時(shí)，諧波能量達(dá)到飽和。

圖8 偏置電流與二次諧波能量

0、10、100 μA 偏置電流下，IRT 結(jié)構(gòu)的整流效率如圖9 所示。從圖9 可以看出，在相同射頻輸入功率下，可重構(gòu)BSF 偏置電流的變化對(duì)整流效率的影響幾乎可以忽略不計(jì)，說(shuō)明整流電路的工作不受諧波調(diào)制的影響。在?20 dBm 的射頻輸入功率下，被調(diào)制的二次諧波通過(guò)定向耦合器耦合至實(shí)時(shí)信號(hào)頻譜分析儀，解調(diào)后的信號(hào)波形如圖10所示?？梢?jiàn)2f0的調(diào)制深度約為76.3%，并在?76.5 dBm 的載波功率下很好地恢復(fù)了50 kHz 基帶信息。換句話(huà)說(shuō)，在2.35 μW 的平均直流功耗下，上行通信的數(shù)據(jù)傳輸速率能夠達(dá)到100 kbps。

圖9 不同偏置電流下的射頻整流效率

圖10 ?20 dBm 輸入功率下的50 kHz 解調(diào)方波

4 結(jié)論

本文提出在射頻整流電路中集成上行無(wú)線(xiàn)鏈路功能，實(shí)現(xiàn)射頻整流和上行通信的同時(shí)進(jìn)行。

1)提出一種利用射頻整流電路產(chǎn)生的二次諧波進(jìn)行無(wú)線(xiàn)攜能通信的方法。該方法采用射頻整流產(chǎn)生的二次諧波作為上行信號(hào)，無(wú)需本地振蕩電路等額外組件；在通信時(shí)采用低于10 μA 的調(diào)制電流，減少了無(wú)線(xiàn)攜能通信中的發(fā)射功耗。

2)基于使用DGS 結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)BSF，提出一種實(shí)現(xiàn)射頻整流與通信發(fā)射集成的IRT 結(jié)構(gòu)。在相同射頻輸入功率下改變BSF 的偏置電壓進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，幾乎對(duì)整流電路轉(zhuǎn)換效率沒(méi)有影響，展示了該結(jié)構(gòu)在無(wú)線(xiàn)攜能通信中的成功應(yīng)用。

3)在?20 dBm 射頻輸入功率下，實(shí)現(xiàn)了RFDC 轉(zhuǎn)換和低功率上行通信的同時(shí)進(jìn)行。上行通訊數(shù)據(jù)速率達(dá)到100 Kbps，且平均直流功耗僅為2.35 μW。