基于微波整流的半导体开关无线控制

王陇刚，王　薪

(南京航空航天大学 电子信息工程学院，江苏 南京 211106)



基于微波整流的半导体开关无线控制

王陇刚，王薪

(南京航空航天大学 电子信息工程学院，江苏 南京 211106)

针对有源电子标签及传感器节点低功耗唤醒模块的需求，设计了一种基于微波整流的半导体开关无线控制方法。通过微波整流之后的直流输出电压来控制半导体开关的状态，进而控制唤醒电路的直流电源通断，利用半导体开关关断状态下漏电流极低的特点，确保设备在休眠期达到极低功耗，从而延长标签及节点电源的工作时间。文中的微波整流设计主要以实现最大化直流输出电压为目标，整流天线部分采用双单元的整流阵列设计。仿真与测试结果表明，每一路天线接收到-18dBm的射频功率时，直流输出电压可达到典型的CMOS开关控制所需的最低电平(1V)。

无线能量传输；微波整流；半导体开关；唤醒电路

微波整流技术是实现微波无线能量传输的关键技术，该技术通常采用半导体二极管将天线接收到的微波频段的能量转换为直流供电电压[1]，适用于对无线传感器、有源射频识别(RadioFrequencyIdentification，RFID)标签等低功耗电子设备无线供电，使这些设备得以摆脱电池寿命的限制。近年来，随着物联网、智能电网等新兴技术和应用需求的不断涌现，多功能、智能化成为传感器和RFID标签的发展趋势，其功耗要求也随之提高。对于较大功耗的应用，采用微波能量传输对设备进行无线供电的技术在实现上还存在诸多难点。在众多实际应用中，传感器网络和RFID长时间处于不工作的休眠状态，常用的延长电池寿命的措施之一是尽可能地降低设备休眠期的功耗，仅在需要设备工作时，通过唤醒模块开启正常工作状态。唤醒模块监测设备周边的无线环境，通过接收到的无线触发信号判断是否需要对设备的其他模块进行唤醒，其功耗通常需要数十至数百μW[2-4]。休眠状态下唤醒模块的功耗在较大程度上决定了电池续航时间。针对低功耗唤醒模块的需求，本文设计了一种基于微波整流的半导体开关无线控制方法，通过半导体开关切换唤醒电路的直流电源通断，利用半导体开关关断状态下漏电流较低(0.1μA量级)的特点，确保设备在休眠期达到较低功耗。

与传统的微波整流电路设计以最大化直流输出功率为目标不同，本文的微波整流设计目标是最大化直流输出电压，提供半导体开关控制所需的最低电平。半导体开关控制端口的直流漏电流极小，因此整流电路的负载近似于一个较大的电阻。

1　工作原理

图1为系统的工作原理图，其中包括了发射与接收两部分，接收部分包括接收天线、阻抗匹配网络、射频CMOS开关以及目标设备等。接收天线负责接收无线电波，阻抗匹配网络用于保证接收到的射频能量最大可能地传输到整流电路，整流电路将射频能量转换成直流电压，射频CMOS开关用来切换唤醒电路的直流电源通断。若目标电子设备为有源RFID标签或无线传感器节点，利用CMOS开关在关闭状态下漏电流极小的特点，可确保标签及节点在休眠状态下的功耗极低。

图1　系统工作原理图

2　整流天线仿真设计与测试结果

2.1整流电路的仿真设计与测试

整流电路是整个射频唤醒电路的核心部分，其完成了射频能量向直流电压的转换，一般输入到整流电路的射频能量较低，经过整流得到的直流输出电压难以达到打开开关所需的最低电平，故常采用多级整流电路。因此，文中电路采用基本倍压整流电路结构[5]，如图2所示，由两个二极管和两个电容组成。两个二极管D1和D2保证电路的单向流动，C1为隔直电容，C2起到输出滤波及存储电荷的作用。在输入射频信号幅度不变的情况下，降低二极管的导通电压可提高其输出电压值。因此，倍压整流电路中的二极管多采用肖特基二极管，本设计采用肖特基二极管SMS7630-079LF，其中串联电阻Rs=20Ω，结电容Cj0=0.14pF，导通电压VJ=0.34V以及击穿电压Vbr=2V。

图2　基本倍压整流电路

为能得到较大的直流输出，本文采用阵列天线接收微波功率。图3为阵列天线应用于微波整流的两种典型结构设计。图3(a)所示的结构是在整流器的前面并联多个天线单元，各天线单元接收到的RF功率经合路器合成一路之后进行整流[6-7]。通常认为，在点对点的射频系统中，这种结构的能量传输是最为有效的[8-9]。图3(b)所示的结构则是对每个天线单元接收到的RF功率各自进行整流，各路整流输出经直流合并网络形成一路总的直流输出[10-12]。该结构中，由于多路接收信号无需相干合路，可使得天线的部署、连接及校准得到显著简化[13]。为简化设计，本文在图3(b)结构的基础上进行了研究设计。此外，该结构中多路信号在直流输出有串联、并联以及级联等不同的形式[12]。由于本次设计的目标是在直流输出部分得到较大的电压，故在直流输出部分采用串联连接方式。

图3　阵列天线应用于微波整流的两种典型结构

图4　整流阵列原理图

图5　整流阵列实物图

图4和图5分别为本文采用的双单元整流阵列原理图及电路实物。在仿真设计和实物测试过程中，整流阵列的两个射频输入端口输入相同的功率。为验证整流阵列对于提高直流输出电压的有效性，本文首先比较了单路整流和双单元整流阵列的电压转换性能。图6为实测结果，仿真与实测结果均表明双路射频整流的直流输出电压近似为单路整流输出电压的两倍，从而验证了整流阵列设计对于提高直流输出电压的有效性。从图中可看到，两路射频输入功率在-18dBm以上时，能产生超过1V的直流输出电压，从而达到了打开开关所需的最低电平。

图6　整流电路实测结果

2.2整流天线整体测试结果

最后将接收天线、整流阵列及射频开关相结合进行了集成设计。如图7(a)所示，开关的型号为AnalogDevices的ADG901，该射频开关在关状态下漏电流极小(0.1μA)，具有低损耗、高隔离度、低功耗等特点。接收天线采用具有全向特性的环形天线，其增益为2.3dB。测试结果表明，当喇叭天线(增益为13dB)发射10dBm的功率时，约在2m处天线接收到的射频功率经阵列整流可得到超过1V的直流输出电压，该直流电压连接于射频开关的控制端口，使得开关打开。图7(b) 所示实验场景中，整流电路用于控制一个LED灯的直流供电通路的通断。LED灯被点亮表明，射频开关被整流电路输出打开。

图7　系统集成电路实测试结果

3　结束语

设计了一种基于微波整流的半导体开关无线控制方法，以实现最大直流输出电压为目标，整流电路采用整流阵列的形式，通过仿真分析和实验验证了该方案的正确性。在输入-18dBm的功率下实现了1V的直流输出电压。当发射和接收相距2m时，发射天线发射10dBm的功率，接收端实现整流后达到打开开关所需的最低电平。该设计可应用于有源电子标签或传感器节点的无线唤醒。

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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

国家自然科学基金资助项目(61471195); 中国博士后科学基金资助(20110491423；2012T50496)

王陇刚(1990-)，男，硕士研究生。研究方向：射频电路与系统设计。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.042

TN912.11

A

1007-7820(2016)09-151-04