基于微波整流的半導體開關無線控制

顧龍愷 南京恒電電子有限公司

基于微波整流的半導體開關無線控制

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以微波整流作為基礎所設計出現的使用半導體作為開關進行無線控制的方法是為了滿足傳感器節點和有源電子標簽在低功耗的時候對喚醒模塊的需求。這種開關的工作原理是直流輸出電壓在經過微波整流處理后可以對半導體開關的狀態進行控制，并由此來對環形電路中直流電源進行控制，決定其通斷狀態，以在關斷狀態下的半導體開關具有漏電流低的特點作為依據，保證在休眠期內設備能夠維持極低的功耗，最終實現節點電源以及標簽電源的工作時間得到延長的目標。本文中所闡述的微波整流設計是為了滿足使直流輸出電壓達到最大化的要求，在設計中應用雙單元的整流陣列對整流天線部分進行設計。經過測試以及仿真實驗研究后發現，當-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典的CMOS開關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 半導體開關 喚醒電路

微波無線能量傳輸的實現起關鍵性作用的技術就是微波整流技術，這個技術的工作原理就是應用半導體二極管，把經過天線接收得到的微波頻段的能量向直流供電電壓進行轉換[1]，這一技術的產生解決了有源射頻識別標簽以及無線傳感器等的這類低功耗的電子設備所具有的電池壽命限值無線供電的問題。在實際的使用過程里為了使RFID和傳感器網絡能夠維持不工作的休眠狀態，一般采用使設備休眠期所產生的功耗進行降低處理的辦法來延長電池使用壽命，在需要設備進入工作狀態的時候依賴喚醒模塊對設備進行喚醒來開啟工作狀態。由此可以看出電池的續航時間主要取決于喚醒模塊在休眠狀態時所產生的功耗。針對這一問題，本文提出了解決方案開發出了以微波整流為理論依據采用半導體開關來進行無線控制的方法。這一設計的使輸出的直流電壓達到最大化，同時為保證半導體開關進行控制工作需要提供最低的電平。在開關的控制端口，漏出的電流非常小，所以可以將整個電路的負載當做一個相對較大的電阻。

1 整流天線仿真設計與測試結果

射頻喚醒電路中的核心就是整流電路，這一部分可以實現將射頻能量轉化為直流電壓，一般情況下整流電路所輸入的射頻能量較低，輸出的直流電壓經過整流后很難滿足將開關打開的最低電平，所以一般應用多級的整流電路。本文中所采用的電路是基本倍壓結構的整流電路[2]，包括兩個電容和兩個二極管。其中一個電容為隔直電容，另一個電容的作用是用來存儲電荷和輸出濾波而兩個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，通過將二極管的導通電壓降低后能夠實現輸出電壓值的提高，。在倍壓整流電路里使用的二極管最常用的肖特基二極管。

為了實現直流輸出的最大化，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，一種是將多個天線單元并聯在整流器前，然后將接收的功率使用合路器合成一路后整流，另一種每個天線單元在將接收的功率進行各自整流，然后通過直流和并網進行匯得到一路的直流總輸出。本文中采用的是后一種設計，并在此基礎上進行研究，結構中多路信號可以以并聯、串聯或者級聯的方式進行直流輸出，為了實現在直流輸出時滿足較大電壓的目的最終選擇了串聯的方式進行連接。

進行仿真設計和進行實物測試時，在射頻輸入端采用相同的輸入功率。為了檢驗整流陣列對于實現將輸出的直流電壓進行提高的目的，本文中分別將雙單元和單路整流陣列所具有的轉換電壓的能量進行比較。圖1為實際測定的結果，這一結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 整流電路實測結果

2 整流天線整體測試結果

完成以上設計后對整流陣列、接收天線以及射頻開關進行最后的整合完成集成設計。測試結果表明在關閉狀態時射頻開關的漏電流非常小，只有0．1μA，同時還有低功耗、損耗低以及隔離度好的優點。所使用的具有全向特點的喚醒天線作為接收天線，產生2．3dB的增益。同時結果表明天線的發射功率為10dB的時候，接收天線在2m處經過整流后的射頻功率可以產生大于1V的輸出直流電壓，該直流電壓與射頻開關的控制端口相連能夠最后使開關打開。

3 結語

本文中成功設計了基于微波整流的半導體開關無線控制方法用于實現最大直流輸出電壓的目標，整流陣列的設計被用于整個整流電路中，使用實驗以及仿真設計對整個方案進行驗證，證明了其正確性。這一設計接下可以在傳感器節點或者在有源電子標簽中得到進一步的應用。

[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。