CN103597750A - 唤醒电路和用于形成该电路的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种唤醒电路唤醒电路（100），其包括具有匹配电路（12，13）的天线（1）、电耦合到所述天线（1）的唤醒无线电（3），以及电子电路（4），其电连接到所述天线（1）和所述唤醒电路（3）上使得所述唤醒无线电（3）用预定的信号（32）触发所述电子电路（4）开启。根据本发明，在所述天线（1）和所述无线电（3）之间连接无源混频器（2）。

Description

唤醒电路和用于形成该电路的方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的唤醒电路。

本发明还涉及一种方法。

背景技术

在现有技术中，传感器电路或传感器单元的无线接收器必须开启，以便能够唤醒该传感器电路。基于标准，晶体可设计成精度为20-50ppm的时钟，由此计时误差、即额外的侦听时间最差为每天4秒。传感器的功耗还取决于期望的响应时间（即从测量指令到实际测量的延迟）。较短的响应时间要求接收器的频繁的开启时间，这增加了功耗。

在无线传感器电路中，大部分的功耗（约10mA）发生于无线接收器中。这一问题可通过功耗为约1μA的唤醒无线电来解决。唤醒无线电在商业方面仅针对不实际的低频（100kHz）才可获得。

在现有技术中，在一些实施例中通过减小无线电电路的占空比来进行功耗的最小化。在这种情况下，无线电尽可能地在短时间内开启。然而这在接收中是一个大问题，因为短传输突发的接收要求具有高功耗的接收器有足够长的开启时间。接收中的“侦听时间”由传感器电路的时钟的精度来决定：时钟的精度越高，期望传输的同步性就越精确，因此接收器的开启时间也就越短。如果需要更高的精度，则功耗将相应地增大。一种标准的解决方案是采用精度约为20-50ppm（如同腕表一样）的晶体振荡器，然而计时误差在最差的情况下为每天4秒，该时间也就是无线电不必要地必须开启的时间。

唤醒无线电是已知的解决方案，然而该电路设计用于低频。在这些频率中，电路是便宜且灵敏的，并且功耗低。100kHz的载频不适于具有甚至100米的工作范围的传感器电路。100kHz的无线电波的波长为约330千米，因此发射天线应当非常长。在例如与通行卡相关的低频下，可以使用近场耦合，其可实现非常窄的工作范围（～0.1米）。也有用于更高频的唤醒电路的原型，但功耗和灵敏度比低频电路更差。

发明内容

本发明旨在消除如上所述的现有技术中的至少一些缺陷，为此提出了一种全新类型的唤醒无线电和方法。

本发明基于使用无源混频器（如与唤醒无线电相连的非线性电路）以便从载频中产生唤醒电路所要求的低频信号。

更具体地说，本发明的装置的特征在于如权利要求1的特征部分所述。

另外，本发明的方法的特征在于如权利要求6的特征部分所述。

通过本发明可以得到显著的优点。

本发明实现了降低高频传感器网络（例如Zigbee2.45GHz）的功耗。本发明可在任何频带中使用。在本发明中，除了唤醒电路之外，只有由简单的无源器件（如二极管、一些线圈和电容器）构成的电路。

就本发明而言，无源混频器或二极管检测器用以将信号从载频转换到中频或基带频率（IF为唤醒电路的工作频率，100kHz）。由于不需要使用本地振荡器，因此本方法显著地降低了接收电流的消耗，接收器可以一直开启，因此消除了延迟时间，同时仍能实现比原有的有源无线电更低的电流消耗。除此之外，当RF和LO使用相同的参考信号时，相关噪声相互抵消，基带带宽可以非常窄，因此提供了更高的信噪比。

本发明特有的特征例如为下述：

－基于无源中频混频的超外差式接收器；

－无源混频；

－具有任何载频下的低功耗的唤醒功能；和

－将唤醒功能与模拟或数字传感器（如传感器ID）结合使用。

附图说明

在下文中将借助于示例且参考附图来说明本发明。

图1示意性地显示了根据本发明的电路。

具体实施方式

根据图1，信号Δf(=f1-f2)经天线1传播到非线性元件2，其将信号混频到唤醒电路3的中频或基带频率（如100kHz）中。混频以非有源的方式进行，换句话说，混频并不需要本地振荡器。通过非线性元件2上的直流偏压可以提高灵敏度，然而这不是绝对必须的。因为信号并不直接被混频到信号频率（如直流）中，而是混频到唤醒电路3的工作频率（如100kHz）中。混频可通过任何非线性元件如电阻二极管（如肖特基二极管）、电容式变容二极管（如超突变式变容二极管）、MEMS结构或铁电变容器来完成。

实际上通过本发明可以控制任何电子器件：完整的传感器单元、有源无线电电路、任何其它数字电路、基于互调制的传感器，或者任何其它的模拟传感器。具有LF、HF或UHF频率的数字输出的RFID电路也可用作唤醒电路。

此外，根据图1所示，传感器单元通常包括以下基本元件：天线及匹配电路1，形式为无源非线性元件2如变容管、二极管、铁电器件、MEMS器件的混频元件，如形式为相关器的低频唤醒电路3，以及电子电路4如传感器电路。

目前市售的唤醒电路的问题是具有非常低的载波频率，一般在100kHz，这使得实际上不可能将其用于小型传感器电路。本发明实现了在任何载波频率下使用低频率的唤醒电路，如在大多数传感器网络（例如Zigbee和蓝牙协议）使用的2.45GHz的频率下使用。无线传感器网络已快速地得到了商业化。目前的全球市场份额以十亿欧元来计，并且该市场份额的增长超过了10%。借助于本发明，所有传感器网络的功耗可减少，并且功能性得到改进。

实际中，商业可得的针对低频率（如AS3930¹：100kHz）设计的唤醒无线电可在本发明中使用。这种无线电连续地侦听其周围环境，并在检测到预定的位序列（传感器电路ID）时开启有源无线电（或另一希望开启的电路）。唤醒无线电的功耗约为1μA，这实现了连续的功率开启模式，并因此具有短的响应时间。

基于无源混频的唤醒模块的工作原理

再次参照图1，转发器100接收由阅读器（未示出）传送的两个位置接近的频率f1和f2。信号通过元件12和13与混频元件2匹配，混频元件2在图1中为肖特基二极管21,22,23，其产生频率差为Δf的信号。频率差Δf随后施加到低频（～100kHz）的相关器30上，由其将接收到的编码32与相关器的编码（ID）进行比较。当编码匹配时，相关器30唤醒无线电传输器，或者在预定的时间周期里将传感器电路4开启。在无线电传输器的情况下，图1的传感器块4用无线电传输器来替代。

当唤醒电路3与无线电传输器一起使用时，无线电传输器可以是单独的系统，或者唤醒电路3和传输器可共用相同的天线1。当唤醒电路用作模拟传感器的ID时，传感器信息通过互调制读出原理来读出。采用开关40将传感器电路4连接到混频元件上。

唤醒系统的灵敏度

在接下来的分析中得出了针对唤醒系统的灵敏度的表达式。在该分析中考虑采用图1所示的匹配电路12,13，然而也可采用其它匹配的拓扑结构。此外，考虑将变容式二极管20,21,22作为混频元件2。

该天线受到两个频率f₁（角频率ω₁）和f₂（角频率ω₂）的激励，并产生如下电压：

$\begin{array}{c}{V}_g=2\sqrt{{2p}_{\mathrm{in}}{R}_g}(\sin {\mathrm{\ω}}_{1}t+\sin {\mathrm{\ω}}_{2}t)\\ ={\hat{V}}_g(\sin {\mathrm{\ω}}_{1}t+\sin {\mathrm{\ω}}_{2}t)\end{array},---\left(1\right)$

其中，P_in是在一个频率上接收的功率，R_g是天线电阻11，而ω₁和ω₂是正弦曲线的角频率。考虑图1的电路，从天线（发生器）10到结电容21的电压传递函数为：

$S_{\mathrm{jg}}=\frac{V_j}{V_g}=\frac{Y_d}{\mathrm{j\ω}{c}_{j0}[Z_z(Y_d+Y_{\mathrm{LF}})+1+R_g[Z_z{Y}_1(Y_d+Y_{\mathrm{LF}})+Y_1+Y_d+Y_{\mathrm{LF}}},---\left(2\right)$

其中，是二极管的小信号导纳，R_d是二极管的串联电阻22，而C_j0是零偏置处的结电容21。考虑未偏置的肖特基变容式二极管。零偏置上的结电阻通常很大（～兆欧），并可能被忽略。此外，为简化目的，假设没有寄生电容或串联电感。变容器的电压依赖的结电容21为：

$C_j\left(V_j\right)=\frac{c_{j0}}{(1-\frac{V_f}{\mathrm{\φ}})},---\left(3\right)$

其中，y是耗尽层电容的概要参数（针对不均匀的掺杂结，y为0.5），而φ为结电势。电容器中存储的电荷为：

$Q_j\left(V_j\right)={\∫C}_j\left(V_j\right)d{V}_j=\frac{\mathrm{\φ}{c}_{j0}}{1-\mathrm{\γ}}{(1-\frac{V_j}{\mathrm{\φ}})}^{-\mathrm{\γ}+1},---\left(4\right)$

其中，忽略了可能的恒定电荷。针对该电荷的二阶泰勒近似为：

$Q_j\left(V_j\right)\≈C_{j0}{V}_j+\frac{\mathrm{\γ}{C}_{j0}}{2\mathrm{\φ}}{V}_j^2.---\left(5\right)$

与结电容21并联的等效Norton电流源20（如图1所示）的电流为：

$I_j=\frac{d{Q}_j\left(V_j\right)}{\mathrm{dt}}\≈\mathrm{j\ω}{C}_{j0}{V}_j+\mathrm{j\ω}\frac{V{C}_{j0}}{2\mathrm{\φ}}{V}_j^2.---\left(6\right)$

第一项表示正常电容（与电压无关的电容）的电流，而第二项产生了混合的结果。等效的电流发生器的调制电流通过将（1）和（2）代入（6）而得到：

$I_{j,m}\≈\mathrm{j\ω}\frac{\mathrm{\γ}{C}_{j0}{V}_g^2}{2\mathrm{\φ}}{(S_{\mathrm{jg}}\left({\mathrm{\ω}}_1\right)\sin {\mathrm{\ω}}_{1}t+S_{\mathrm{jg}}\left({\mathrm{\ω}}_2\right)\sin {\mathrm{\ω}}_{2}t)}^2.---\left(7\right)$

频率差f_Δ=f₁-f₂上的电流是：

$I_j\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\Δ}}\right)\≈{\mathrm{j\ω}}_{\mathrm{\Δ}}\frac{\mathrm{\γ}{C}_{j0}{V}_g^2{S}_{\mathrm{jg}}\left({\mathrm{\ω}}_1\right)S_{\mathrm{jg}}\left({\mathrm{\ω}}_2\right)}{2\mathrm{\φ}}\cos {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\Δ}}t.---\left(8\right)$

跨过该结的频率差上的电压为：

$V_j\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\Δ}}\right)\≈\frac{{\mathrm{j\ω}}_{\mathrm{\Δ}}{C}_{j0}\mathrm{\γ}{V}_g^2{S}_{\mathrm{jg}}\left({\mathrm{\ω}}_1\right)S_{\mathrm{jg}}\left({\mathrm{\ω}}_2\right)Z_N\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\Δ}}\right)}{2\mathrm{\φ}}\cos {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\Δ}}t.---\left(9\right)$

假设天线10，11以及匹配电路12，13表示频率差上的无限大阻抗，那么该频率差与RF频带相比很小，并且相关器30的RF阻抗比混频二极管的阻抗大得多。可假设（9）为：

$V_j\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\Δ}}\right)=\frac{j{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\Δ}}\mathrm{\γP}{Q}_{\mathrm{RF}}{Z}_{\mathrm{LF}}\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\Δ}}\right)}{Z{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}}\mathrm{\φ}}\cos {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\Δ}}t.---\left(11\right)$

功率灵敏度为：

$P=\frac{Z{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}}\mathrm{\φ}{V}_{\mathrm{TH}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\Δ}}\mathrm{\γ}{Q}_{\mathrm{RF}}{Z}_{\mathrm{LF}}\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\Δ}}\right)},---\left(12\right)$

其中，V_TH是相关器30的阈值电压。假设RF频率f_RF＝2.5GHz，那么频率差f_Δ＝100kHz，结电势φ＝1V，耗尽系数γ＝1，相关器30的电阻31为Z_LF＝1MΩ，相关器30的阈值电压V_TH＝100μV，RF品质因子为Q_RF＝10，阈值功率P＝5*10^-7W＝－33dBm。

除了传感器单元100之外，本发明还可结合用于其中必须要进行功耗优化的任何电子电路。

简言之，本发明将低功耗结合到了商业上可购得的低频率（100kHz）的唤醒电路中，并使其可用于任何载波频率。该唤醒电路的输入在工作频率（如100kHz）下与非线性元件匹配，非线性元件还在所希望的频率（如2.45GHz）下与天线匹配。读写装置以载波频率发送信号，该信号由非线性元件进行了扭曲。该扭曲的信号包括唤醒电路所需要的低频（如100kHz）信号。扭曲的信号还包括传感器需要的ID位序列。

参考文献

¹Austriamicrosystems,AS3930Single Channel Low Frequency Wakeup Receiver,Datasheet.

²The IDTechEx report,“Active RFID and Sensor Networks2011-2021,”August16,2010,available at

http://www.electroiq.com/index/display/packaging-article-display/2043907298/articles /advancedpackaging/packagingO/industry-news/201O/augustlidtechex-launches.html.

³Jukka Koskinen,“

lyhyen kantaman radiosovelluksiin”,

tietoliikennetekniikan osasto,TKK,Helmikuu2007.

Claims (10)

1.一种唤醒电路（100），包括：

具有匹配电路（12，13）的天线（1），

电耦合到所述天线（1）的唤醒无线电（3），以及

电子电路（4），其电连接到所述天线（1）和所述唤醒电路（3）上，使得所述唤醒无线电（3）用预定的信号（32）触发所述电子电路（4）开启，

其特征在于，

在所述天线（1）和所述无线电（3）之间连接无源混频器（2），以产生用于所述唤醒无线电（3）的低频信号（IF）。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述无源混频器是用作无源混频器的非线性元件（2）。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，在所述天线（1）和非线性元件之间设置匹配电路（12，13）。

4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述非线性元件是电阻式二极管如肖特基二极管、电容式变容二极管如超突变式变容二极管、MEMS结构或铁电变容二极管。

5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述电子电路（4）是模拟传感器电路、数字传感器电路、无线电接收器或者RFID电路。

6.一种用于唤醒电路（100）的方法，其包括以下方法步骤：

利用天线（1）接收信号（f₁，f₂），

将所接收的信号（f₁，f₂）馈送给唤醒无线电（3），

如果所接收的信号符合预定的条件（32），那么唤醒连接到所述天线（1）的电子电路（4），

其特征在于，

由天线（1）接收的所述信号（f₁，f₂）在馈送给所述唤醒无线电（3）之前通过无源混频器（2）转换为更低的频率（IF）。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，采用非线性元件（2）作为无源混频器。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，将所述非线性元件设在所述天线（1）和匹配电路（12，13）之间。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过从以下项中选择所述非线性元件（2）：电阻式二极管如肖特基二极管、电容式变容二极管如超突变式变容二极管、MEMS结构或铁电变容二极管。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，从以下项中选择所述电子电路（4）：模拟传感器电路，数字传感器电路、无线电接收器、或者RFID电路。