物联网传感节点的无线供电技术研究(2)

3　主要电路

3.1　发射极电路

发射极主要是将能量以高频电磁波的方式辐射出去，并且要保证一定的辐射功率。电磁波的原始信号由单片机发出，接着高频信号经过高频放大器的作用被辐射出去。这里采用E类放大器（如图5所示）作为射频输电系统的发射极，其发射距离可达10 m，实时传输功率在几mW到100 mW，并且其电路结构简单，可以做到很小，对最终产品的小型化很有好处。此外E类放大器效率高，高频性能好，比较适合做射频供电的发射极。因此，由E类放大器为主要组件，组成了发射极的功放以及发射电路模块。

3.2　接收端电路

接收端的电路主要实现电磁波信号向可用的稳定电源的转变功能，需要有滤波、整流、能量收集、能量释放等诸多步骤。本文利用电容式电势累加器和基于二极管设计的利用阈值判断动态释放电能的电路为核心组件，构成接收端的电路。该电路高频滤波性能好，并且输出直流电压稳定可靠，同时还具有防静电功能，可以有效保护负载的超低功耗设备。

为带ESD的电容式电势累加电路。它利用开关阵列逐次增加输出电压的大小，接收电路的输入信号为高频的交流信号。在输入信号的正半周，二极管D1导通，输入信号对C1充电，此时C1的左极板为正电压，右极板为负电压。在输入信号的负半周，C1相当于电池，与输入信号串联，此时二极管D2导通，对C2充电，C2的电压大于C1电压。依此类推，电压随着累加电路级数而逐渐累加，最后对电容C26进行充电[6]。电容C26起到了微能量收集器的作用，应采用电容值较大的电容，例如超级电容。电容式电势累加电路中还采用了防静电（ESD）设计。如图6所示，该ESD设计包括两个三极管M1、M2。M1的源极与所述第一输入端连接，M1的漏极、栅极及衬底引线均与所述第一输出端连接；M2的源极与所述第二输入端连接，M2的漏极、栅极、衬底引线均与所述第一输出端连接。若有静电进入电路，M1、M2导通，将高电压释放掉。

电容式电势累加电路中，最后一级累加电路中的第二电容（例如图6中的电容C26）作为微能量收集器，存储足够的电荷以供负载在输入能量较小的时刻维持正常工作所需的电源电压。当输入的能量较高时，电容中储存的电荷过多，可能导致输出给负载的电压过高。为此，在接收端装置中又加入了一个电能动态释放电路，

包括一个电压感应器和一个三极管M3。电压感应器包括一组串联的二极管（本文中为D1~D5）和一个电阻R[6]。当此动态电能释放电路的输入功率较低时，动态电能释放电路的输入电压较低，二极管D1～D5尚未导通，电阻R上电压近似为0，三极管M3关断；当动态电能释放电路的输入功率逐渐增大时，D1～D5导通，电阻R上的电压逐渐增大，当电压高于M3的开启电压之后，M3导通，将微能量收集器C26中多余的电荷释放掉，从而起到稳压的效果。

结语

本文主要设计了适用于物联网中传感器节点的射频无线供电系统的具体方案以及核心电路，并分析了各电路模块的基本原理。在设计过程中经EWB、ADS等电子及射频仿真软件进行了部分仿真分析以及实物实验调试，对系统的电路设计进行了验证，达到了预计设计目标。随着MEMS技术的发展，射频无线供电系统将可以做到更加微型化，传输效率与传输功率将更高，传输的距离也越来越远。同时，物联网传感器节点的超低功耗技术将越来越先进，那么射频无线供电在物联网中的应用将越来越具有实用性，将会很快地普及与发展起来。而物联网因为射频无线供电技术的引入，也将爆发出更加迅猛的增长力，使本来就火热的物联网产业更具潜力，为国民经济贡献重要力量。